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Blindaje EMI para vehículos eléctricos: juntas de espuma conductora en sistemas de propulsión eléctrica y BMS.
Los vehículos de nueva energía (VNE) se enfrentan a desafíos cada vez más exigentes en materia de compatibilidad electromagnética (CEM) en sus sistemas de propulsión eléctrica, electrónica de potencia y baterías. Los dispositivos de conmutación de alto voltaje generan fuertes interferencias electromagnéticas (EMI), lo que impone mayores exigencias a los materiales de blindaje en cuanto a resistencia a la temperatura, conductividad eléctrica, resistencia a las vibraciones y fiabilidad a largo plazo .
Este artículo explica dónde se encuentran las juntas de espuma conductora y esponja EMI Se explica cómo se utilizan los materiales en los sistemas de propulsión eléctrica de los vehículos eléctricos, los sistemas de gestión de baterías (BMS), los controladores de a bordo (OBC), los convertidores CC/CC y las unidades de distribución de energía de alto voltaje (PDU), y cómo los ingenieros pueden seleccionar la solución adecuada.
¿Por qué los vehículos eléctricos necesitan...? Espuma conductora ¿Para blindaje EMI?
Los tres principales sistemas eléctricos de los vehículos eléctricos (propulsión eléctrica, electrónica de potencia y gestión de la batería) funcionan con voltajes y frecuencias de conmutación significativamente más altos que los sistemas electrónicos convencionales de 12 V para vehículos.
Los vehículos eléctricos modernos pueden contener:
- Sistemas de alta tensión de 400 V u 800 V
- Circuitos de potencia de alta corriente
- Dispositivos IGBT o MOSFET de SiC de conmutación rápida
- Circuitos de detección de baterías de alta sensibilidad a nivel de milivoltios.
- Interfaces de comunicación CAN, LIN y otras de alta velocidad.
Sin una conexión a tierra y un blindaje adecuados, el ruido electromagnético puede provocar errores de comunicación, distorsión de la señal del sensor, perturbaciones en la conmutación y fallos en las pruebas de compatibilidad electromagnética (CEM).
Para una introducción básica a la espuma conductora, consulte nuestra guía sobre ¿Qué es la espuma EMI? Una guía completa sobre la espuma EMI. Para requisitos específicos del sector automotriz, consulte nuestra guía. Juntas de blindaje para placas de circuito impreso en el sector automotriz Explica por qué los componentes electrónicos de los automóviles requieren materiales de blindaje especializados.
1. Sistemas de accionamiento eléctrico: una aplicación importante para la espuma conductora.
El sistema de propulsión eléctrica es el sistema central de conversión de energía de un vehículo eléctrico. Normalmente incluye el controlador del motor, el motor de tracción y la caja reductora .
El controlador del motor presenta desafíos particulares desde la perspectiva de la compatibilidad electromagnética (CEM) debido a que sus dispositivos semiconductores de potencia conmutan alto voltaje y alta corriente a alta velocidad.
En algunos sistemas de alta potencia, las velocidades de variación de voltaje pueden alcanzar aproximadamente 10 kV/μs , mientras que las velocidades de variación de corriente pueden llegar a varios kA/μs . Estos transitorios eléctricos rápidos pueden generar ruido electromagnético de banda ancha que se extiende desde el rango de kHz hasta cientos de MHz.
Dónde es Espuma conductora ¿Se utiliza en sistemas de propulsión eléctrica para vehículos eléctricos?
| Solicitud | Material típico | Función principal |
|---|---|---|
| Conexión a tierra de la placa de circuito impreso de control a la carcasa | Espuma conductora SMT chapada en oro | Proporciona una ruta de baja impedancia para el ruido de modo común. |
| Aislamiento del área de alimentación/control | Espuma conductora rectangular FOF | Crea una barrera EMI entre áreas funcionales |
| Conexión a tierra del módulo y del condensador del bus | Espuma FOF o SMT chapada en oro | Reduce la impedancia de retorno de alta frecuencia. |
| Blindaje del conector externo | Junta de espuma conductora en forma de anillo | Proporciona conexión a tierra de 360° entre el conector y la carcasa. |
Para una discusión detallada sobre el blindaje de PCB en controladores de motor, consulte nuestro artículo sobre Contactos SMD blandos para blindaje EMI de controladores de motores de vehículos eléctricos .
OBC: Espuma conductora para cargadores a bordo
El cargador integrado (OBC) convierte la corriente alterna (CA) procedente de la fuente de carga en corriente continua (CC) de alto voltaje para la batería.
Debido a que el ordenador de a bordo (OBC) suele instalarse cerca de la interfaz de carga del vehículo, la interferencia electromagnética (EMI) generada dentro del circuito de conversión de energía puede acoplarse a los cables externos y a los sistemas circundantes.
Una junta de espuma conductora se puede utilizar para:
- Conexión a tierra multipunto entre la placa de circuito impreso y la carcasa de aluminio.
- Blindaje entre las secciones de filtrado y conversión de energía.
- Protección de 360° alrededor de los conectores de CA, CC y baja tensión.
- Cerrar los espacios conductores entre los componentes de la vivienda
Blindaje EMI para convertidores CC/CC
Un convertidor CC/CC reduce la salida de alta tensión de la batería, como 400 V u 800 V, a una tensión más baja, como 12 V, para su uso en la electrónica de los vehículos.
Aunque su potencia nominal sea inferior a la del controlador principal del motor, debe aislar los circuitos de alta y baja tensión dentro de una carcasa compacta.
Las aplicaciones típicas de blindaje EMI incluyen:
- Aislamiento de alta tensión/baja tensión
- Blindaje de campo cercano alrededor de transformadores e inductores
- Conexión a tierra alrededor de las interfaces entre la placa de circuito impreso y la carcasa.
- Supresión del ruido conducido y radiado en las salidas de baja tensión.
Una esponja EMI resulta especialmente útil cuando la interfaz de blindaje presenta pequeños huecos, superficies irregulares o variaciones de tolerancia difíciles de compensar con un blindaje metálico rígido.
2. BMS: Fiabilidad a largo plazo y blindaje de bajo ruido.
El sistema de gestión de la batería (BMS) se encarga de monitorizar el voltaje y la temperatura de las celdas de la batería, calcular el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH) , y controlar las estrategias de carga y descarga.
A diferencia del controlador del motor, el BMS suele ser más vulnerable a las interferencias electromagnéticas externas que a las generadas por su propia etapa de potencia.
Los fuertes campos electromagnéticos generados por el inversor de tracción o el controlador de batería a bordo (OBC) pueden acoplarse a los circuitos de detección del sistema de gestión de baterías (BMS). Las señales de voltaje de las celdas de la batería pueden estar en el nivel de milivoltios, por lo que incluso un ruido inducido relativamente pequeño puede afectar la precisión de la medición y el equilibrio de la batería.
Aplicaciones de espuma conductora en sistemas de gestión de edificios (BMS)
| Ubicación de BMS | Material recomendado | Función principal |
|---|---|---|
| Conexión a tierra de la placa de circuito impreso de control principal | Espuma conductora SMT chapada en oro | Conexión a tierra de baja impedancia entre la placa de circuito impreso y la carcasa |
| Placa de detección AFE | Espuma FOF en miniatura o espuma omnidireccional | Protege los circuitos analógicos sensibles. |
| Aislamiento de detección de alto voltaje | Espuma FOF con perfil en D | Separa las zonas de alta y baja tensión. |
| Interfaces de comunicación | Espuma en forma de anillo o espuma FOF | Conexión a tierra de 360° alrededor de las interfaces de comunicación |
¿Qué resistencia debe tener la espuma conductora de BMS?
Larga vida útil: Los sistemas de baterías para vehículos eléctricos suelen diseñarse para durar entre 8 y 10 años o más. La interfaz conductora debe mantener una presión de contacto y un rendimiento eléctrico estables durante toda la vida útil del vehículo.
Amplio rango de temperatura de funcionamiento: La temperatura de la batería puede descender por debajo de 0 °C en condiciones de frío y aumentar significativamente durante la carga rápida o el funcionamiento a alta carga. La espuma debe mantener su elasticidad en todo el rango de temperatura requerido.
Resistencia a la corrosión: Las baterías pueden instalarse debajo del vehículo, donde pueden estar expuestas a la humedad, la sal de la carretera y ambientes corrosivos. Por lo tanto, el sistema de recubrimiento se convierte en un factor importante a considerar en el diseño.
Para una comparación detallada de las opciones de recubrimiento, consulte Espuma EMC chapada en oro, níquel o estaño. .
3. Protección AFE de BMS: Por qué es importante el contacto a baja presión
El front-end analógico (AFE) de un BMS mide el voltaje de cada celda de la batería. Estas señales son muy sensibles a las interferencias electromagnéticas.
Cuando el inversor de tracción conmuta a alta velocidad, los campos electromagnéticos pueden acoplarse a las pistas de detección e inducir tensiones de ruido no deseadas. Esto puede reducir la precisión de la medición y afectar la estimación del estado de carga (SOC) o el control de balanceo de celdas.
Para estas aplicaciones, un junta de espuma conductora omnidireccional puede ser una solución eficaz.
Su conductividad tridimensional XYZ permite que el material establezca una trayectoria conductora con una compresión relativamente baja. Esto resulta útil cuando:
- La fuerza de compresión disponible es limitada.
- Los componentes de la placa de circuito impreso están densamente dispuestos.
- Es necesario conectar eléctricamente los pequeños huecos.
- Los circuitos analógicos sensibles requieren blindaje EMI localizado.
Consulte nuestra guía sobre Junta de espuma conductora omnidireccional frente a junta de espuma conductora estándar para una comparación detallada.
4. Unidad de distribución de energía de alto voltaje: Apantallamiento de circuitos de alta corriente
La unidad de distribución de energía (PDU) distribuye energía de CC de alto voltaje desde la batería a las principales cargas eléctricas, tales como:
- Controladores de motores de tracción
- OBC
- convertidores CC/CC
- Compresores eléctricos de aire acondicionado
- Calentadores PTC
Una unidad de distribución de energía (PDU) típica contiene relés de alto voltaje, fusibles, barras colectoras y otros componentes de alimentación.
Las barras colectoras de gran diámetro generan campos magnéticos, mientras que la conmutación de relés de alta corriente puede producir perturbaciones electromagnéticas transitorias. Por lo tanto, la PDU requiere tanto un sellado de la carcasa conductora como una conexión a tierra fiable .
Espuma conductora Aplicaciones en sistemas PDU
| Solicitud | Material | Función |
|---|---|---|
| Sellado de la carcasa de la PDU | Espuma FOF con perfil D o P | Sellado EMI en las juntas de la carcasa |
| Blindaje de relés de alta tensión | Espuma conductora en forma de anillo | Blindaje localizado de campo cercano |
| Conexión a tierra de la barra colectora | Espuma conductora FOF | Proporciona una interfaz de conexión a tierra EMC |
En comparación con las tiras metálicas rígidas, una esponja EMI puede adaptarse a las tolerancias dimensionales y a los huecos irregulares de la carcasa, manteniendo al mismo tiempo el contacto conductor.
5. Guía de selección de sistemas eléctricos trifásicos para vehículos eléctricos
La siguiente tabla proporciona un punto de partida rápido para seleccionar una junta de espuma conductora para las principales aplicaciones de electrónica de potencia en vehículos eléctricos.
| Sistema de vehículos eléctricos | Aplicación clave | Solución recomendada | Requisito principal |
|---|---|---|---|
| controlador del motor | Conexión a tierra de la placa de circuito impreso, aislamiento de alimentación/control | Espuma SMT chapada en oro + FOF | Alta temperatura, resistencia a las vibraciones |
| OBC | Conexión a tierra de la placa de circuito impreso, apantallamiento de conectores | SMT chapado en oro + espuma para anillos | Rendimiento térmico y de compatibilidad electromagnética |
| convertidor CC/CC | aislamiento HV/LV | Espuma FOF chapada en oro | Aislamiento eléctrico y blindaje EMI |
| Control principal del BMS | Conexión a tierra de PCB, blindaje de comunicaciones | Espuma SMT chapada en oro | Fiabilidad a largo plazo |
| Sensores BMS | Blindaje de campo cercano AFE | Espuma FOF omnidireccional o en miniatura | Baja fuerza de compresión, baja resistencia de contacto. |
| PDU | Sellado de la carcasa, puesta a tierra de la barra colectora | Espuma FOF con perfil D/P | Blindaje EMC de alta corriente |
| Conectores externos | Protección de 360° | Junta de espuma conductora en forma de anillo | Conexión a tierra continua |
6. ¿Cómo cambia el blindaje EMI una plataforma de vehículos eléctricos de 800 V?
La transición de plataformas de 400 V a 800 V está generando nuevos requisitos para el diseño de compatibilidad electromagnética (CEM) de los vehículos eléctricos.
Con el mismo nivel de potencia, duplicar el voltaje puede reducir la corriente aproximadamente a la mitad. Una menor corriente puede ayudar a disminuir las emisiones relacionadas con el campo magnético. Sin embargo, un voltaje de operación más alto también aumenta la importancia de la coordinación del aislamiento, la distancia de fuga y la separación, así como de interfaces eléctricas confiables.
Para las juntas de espuma conductora, las consideraciones clave incluyen:
Impedancia de contacto más baja y estable
Los sistemas de alta tensión requieren interfaces eléctricas cuidadosamente controladas. Una impedancia de contacto baja y estable ayuda a mantener una conexión a tierra fiable para el ruido de alta frecuencia.
Materiales y construcción
La espuma, el tejido o la película conductora, el revestimiento, el adhesivo y la interfaz de la carcasa deben evaluarse como un sistema completo y no como materiales aislados.
Selección de recubrimientos
El chapado en oro se considera una opción común para las exigentes interfaces de puesta a tierra en la industria automotriz debido a su resistencia a la oxidación y la corrosión. Sin embargo, no todas las aplicaciones de 800 V requieren automáticamente chapado en oro . El acabado adecuado depende del entorno, los requisitos de contacto, el nivel de fiabilidad y las limitaciones de presupuesto.
7. Espuma conductora vs. Papel de cobre ¿Puede uno reemplazar al otro?
No del todo.
La lámina de cobre es altamente conductora y funciona bien en superficies relativamente planas. Sin embargo, la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos contiene numerosas uniones de carcasa, espacios irregulares, conectores y variaciones de tolerancia.
Una junta de espuma conductora puede mantener el contacto físico a la vez que se adapta a estos huecos mediante compresión elástica.
En la práctica:
- Papel de cobre : más adecuado para superficies de protección planas y continuas
- Espuma conductora : más adecuado para huecos, juntas, interfaces y puntos de conexión a tierra.
- Junta FOF : útil cuando se requiere compresión flexible y cobertura conductora continua.
- espuma conductora SMT : útil para la puesta a tierra a nivel de PCB y el ensamblaje automatizado
Para una comparación de materiales más amplia, consulte nuestra guía sobre Espuma conductora vs. Papel de cobre vs. Papel de aluminio vs. Tejido conductor .
8. Preguntas frecuentes
¿Dónde se utiliza más la espuma conductora en los vehículos eléctricos?
El controlador de motor suele ser una de las áreas de aplicación más importantes, seguido del OBC y el BMS. Un controlador de motor puede utilizar múltiples contactos de espuma conductora SMT para la conexión a tierra de la PCB y varias juntas FOF para el aislamiento interno y el blindaje de la carcasa.
¿En qué se diferencia la espuma conductora BMS de la espuma para controladores de motor?
Las aplicaciones de control de motores suelen hacer mayor hincapié en la temperatura, la vibración y el rendimiento frente a interferencias electromagnéticas de alta frecuencia. Las aplicaciones de sistemas de gestión de baterías (BMS) dan mayor importancia a la fiabilidad a largo plazo, la resistencia a la corrosión y el contacto eléctrico de baja presión alrededor de los circuitos de detección sensibles.
¿Puede la lámina de cobre sustituir a la espuma conductora en un vehículo eléctrico?
Solo en algunas aplicaciones. La lámina de cobre funciona bien en superficies planas, pero no ofrece la misma capacidad de relleno elástico que una junta de espuma conductora. Para juntas irregulares e interfaces de compresión, la espuma conductora suele ser más práctica.
¿Es necesario chapar en oro la espuma conductora para automóviles?
No. El chapado en oro no es obligatorio para todas las aplicaciones automotrices. La elección depende de la temperatura, la humedad, la exposición a la corrosión, la resistencia de contacto, la vida útil y los requisitos de costo. El oro se suele seleccionar para interfaces de puesta a tierra exigentes debido a su resistencia a la corrosión y la oxidación.
¿Por qué utilizar una esponja EMI en lugar de un contacto metálico rígido?
Una esponja EMI combina conductividad eléctrica con flexibilidad mecánica. Puede compensar tolerancias dimensionales, mantener la presión de contacto y sellar huecos irregulares, a la vez que proporciona una vía de conexión a tierra EMI.
9. ¿Por qué elegir KONLIDA para...? Blindaje EMI para vehículos eléctricos ¿
Suzhou KONLIDA Precision Electronics Co., Ltd. se fundó en 2006 y cuenta con la certificación IATF 16949 para la gestión de calidad en el sector automotriz.
KONLIDA ofrece productos de calidad automotriz:
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Nuestras soluciones se han aplicado a sistemas de propulsión eléctrica para vehículos eléctricos, electrónica de potencia, BMS, OBC y sistemas CC/CC .
KONLIDA también ofrece una capacidad de desarrollo integrada que abarca el desarrollo de películas de PI conductoras, el moldeo de espuma de silicona de grado automotriz, la selección de recubrimientos, el troquelado de precisión y el diseño personalizado de blindaje EMI.
Para nuevos proyectos de vehículos eléctricos, nuestro equipo de ingeniería puede proporcionar recomendaciones de DFM (Diseño para la Fabricación), asistencia en la selección de materiales, desarrollo de prototipos y soluciones personalizadas de juntas de espuma conductora desde la etapa de diseño hasta la producción en masa.
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