Schermatura EMI per pacchi batteria automobilistici con schiuma conduttiva

I pacchi batteria per veicoli elettrici (EV) rappresentano una delle aree più complesse per la progettazione della compatibilità elettromagnetica (EMC). Questo articolo si concentra su quattro applicazioni critiche: la sigillatura dell'involucro della batteria, la schermatura della scheda di campionamento AFE, l'isolamento delle barre collettrici ad alta tensione e la schermatura dei connettori esterni. Spiega inoltre come selezionare la schiuma conduttiva più adatta per le applicazioni sui pacchi batteria automobilistici.

Il pacco batterie è uno dei componenti più costosi e delicati di un veicolo elettrico.

Un pacco batterie da 80 kWh può rappresentare circa il 30-40% del costo totale di un veicolo. Contiene inoltre centinaia di celle, ognuna delle quali deve essere monitorata e protetta con precisione. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) che introducono errori nelle misurazioni di tensione possono influire sulla stima dello stato di carica (SOC), sul bilanciamento delle celle e sulle funzioni di protezione.

L'ambiente elettromagnetico all'interno di un pacco batterie è particolarmente esigente. Alte tensioni, correnti di carica di centinaia di ampere, cablaggi di rilevamento densi, layout compatti dei moduli e interferenze provenienti dall'inverter di trazione e dal caricabatterie di bordo (OBC) contribuiscono tutti alla sfida della compatibilità elettromagnetica (EMC).

Per una panoramica sulla tecnologia della schiuma conduttiva, vedere Cos'è la schiuma conduttiva? Usi, applicazioni e vantaggi in termini di schermatura EMI. .

Questo articolo si concentra su quattro applicazioni specifiche dei pacchi batteria che richiedono particolare attenzione:

1. Schermatura del pannello di campionamento AFE
2. Sigillatura dell'involucro della batteria
3. Isolamento delle sbarre collettrici ad alta tensione e delle linee di rilevamento
4. Schermatura del connettore esterno

I prodotti in schiuma conduttiva di qualità automobilistica di Konlida sono già stati utilizzati in progetti di pacchi batteria per importanti produttori di batterie e case automobilistiche in Cina.

1. Sfide di compatibilità elettromagnetica all'interno dei pacchi batteria dei veicoli elettrici

Sfida 1: i segnali di campionamento sono estremamente deboli

Il BMS deve monitorare con precisione la tensione delle singole celle della batteria. I requisiti tipici di precisione per la misurazione della tensione possono variare da ±1 mV a ±5 mV.

Tuttavia, i cablaggi dei sensori possono estendersi per diversi metri all'interno di un pacco batterie e possono passare vicino a conduttori ad alta corrente. Ciò li rende suscettibili a disturbi irradiati e condotti.

Quando si verificano interferenze nelle linee di rilevamento, il BMS può ricevere informazioni di tensione imprecise. Gli errori risultanti possono influire sulla stima dello stato di carica (SOC), sul bilanciamento delle celle e sulla protezione da sovraccarico o scarica eccessiva.

Sfida 2: L'involucro deve garantire sia la tenuta che la schermatura

L'involucro della batteria deve in genere soddisfare rigorosi requisiti di protezione ambientale, come IP67 o IP68, mantenendo al contempo la continuità della schermatura elettromagnetica.

Ciò crea un difficile problema di interfaccia in corrispondenza delle giunzioni dell'involucro. Il materiale di tenuta deve compensare le tolleranze meccaniche e la dilatazione termica, mantenendo al contempo una connessione elettrica affidabile.

È qui che la schiuma conduttiva si rivela utile: un unico componente può fornire sia compressione elastica che continuità elettrica.

Sfida 3: Le sbarre collettrici ad alta corrente generano forti campi elettromagnetici

Le barre collettrici ad alta tensione all'interno del pacco batterie possono trasportare centinaia di ampere. I campi elettromagnetici circostanti possono interferire con i cablaggi dei sensori vicini, soprattutto quando i due corrono paralleli.

Mantenere una separazione sufficiente in un pacco batterie compatto rappresenta pertanto una sfida fondamentale nella progettazione in termini di compatibilità elettromagnetica (EMC).

Sfida 4: Lunga durata e ampio intervallo di temperatura

Le batterie per autoveicoli sono generalmente progettate per una durata di 8-10 anni o più. Le temperature interne possono scendere fino a circa -30 °C in condizioni di freddo e raggiungere i 60-80 °C durante il funzionamento ad alto carico o la ricarica rapida.

Il materiale di schermatura deve mantenere una compressione, un recupero e una conduttività elettrica stabili durante questi cicli di temperatura.

La soluzione di Konlida per applicazioni automotive combina un nucleo in silicone con una pellicola conduttiva in PI placcata in oro. A seconda della configurazione del prodotto, il materiale può funzionare da -40 °C a 280 °C, raggiungere un recupero superiore al 90% e resistere a 1.000 cicli di shock termico.

2. Quattro applicazioni chiave della schiuma conduttiva nei pacchi batteria

Applicazione 1: Schermatura della scheda di campionamento AFE

Il front-end analogico (AFE) è una delle sezioni più sensibili di un sistema di gestione della batteria. Si collega direttamente alle linee di rilevamento della tensione delle celle e converte i segnali analogici di basso livello in dati digitali.

Anche quantità relativamente piccole di interferenze elettromagnetiche possono influire sulla precisione delle misurazioni.

Soluzioni di schermatura consigliate

Perché utilizzare schiuma conduttiva omnidirezionale attorno ai componenti AFE?

Lo spazio libero disponibile attorno ai componenti AFE è spesso di soli 1-3 mm. Allo stesso tempo, la scheda di campionamento non è in grado di sopportare forze di compressione eccessive.

La schiuma conduttiva omnidirezionale è in grado di creare un percorso elettrico a bassa impedenza anche con una compressione minima, fornendo al contempo percorsi conduttivi nelle direzioni X, Y e Z.

Ciò lo rende adatto ad applicazioni compatte di schermatura in campo vicino.

Per ulteriori informazioni, vedere Guarnizione in schiuma conduttiva omnidirezionale vs. guarnizione in schiuma conduttiva standard .

Perché questo è importante durante la ricarica rapida?

La ricarica rapida può portare i livelli di corrente a centinaia di ampere, aumentando significativamente il campo elettromagnetico all'interno del pacco batterie.

Se il circuito di campionamento AFE non è adeguatamente schermato, i segnali di misurazione potrebbero presentare un aumento del rumore e dell'instabilità. In casi estremi, ciò può indurre il BMS a interpretare in modo errato le condizioni delle celle o ad attivare azioni di protezione non necessarie.

Una schermatura locale efficace è pertanto fondamentale per mantenere l'integrità delle misurazioni durante il funzionamento ad alta corrente.

Applicazione 2: Sigillatura delle giunzioni dell'involucro della batteria

La giunzione dell'involucro rappresenta sia un potenziale percorso di dispersione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) sia un'interfaccia critica di tenuta ambientale.

Una guarnizione conduttiva può mantenere la continuità elettrica compensando al contempo le tolleranze dimensionali e i movimenti meccanici.

Vantaggi della schiuma conduttiva per la sigillatura degli involucri

Compensazione elastica: gli involucri delle batterie subiscono variazioni dimensionali causate da variazioni di temperatura e vibrazioni. La schiuma mantiene il contatto mentre la struttura si muove.

Due funzioni in un unico componente: la stessa guarnizione può fornire schermatura elettrica e tenuta meccanica.

Facilità di manutenzione: a differenza dei sigillanti conduttivi induriti, una guarnizione in schiuma può generalmente essere rimossa e sostituita durante la manutenzione o la riparazione.

personalizzazione di lunga durata

Gli involucri delle batterie possono essere lunghi da 1,5 a 2 metri, creando percorsi di tenuta lunghi e continui.

Konlida gestisce 30 linee di produzione di schiuma conduttiva e attrezzature automatizzate per la formatura continua, in grado di produrre lunghe strisce di tenuta con dimensioni e prestazioni elettriche costanti. È inoltre possibile sviluppare sezioni trasversali personalizzate in base alla geometria dell'involucro.

Applicazione 3: Isolamento di sbarre collettrici ad alta tensione e linee di rilevamento

Le sbarre collettrici ad alta tensione trasportano correnti elevate tra i moduli batteria e altri componenti ad alta potenza. I loro campi elettromagnetici possono accoppiarsi alle linee di rilevamento vicine.

Questo problema si presenta in particolare quando i cablaggi dei sensori corrono parallelamente alle barre collettrici su lunghe distanze.

Perché le linee di rilevamento necessitano di una schermatura aggiuntiva?

I cablaggi per il rilevamento delle celle possono estendersi per diversi metri dalle celle della batteria alla scheda AFE. Lungo il percorso, possono passare vicino a sbarre collettrici, relè, fusibili e altre fonti di rumore.

Senza un'adeguata schermatura, il rumore indotto può raggiungere decine o addirittura centinaia di millivolt, ben al di sopra dei requisiti di misurazione tipici dei BMS di ±5 mV.

Un rivestimento in tessuto conduttivo fornisce uno strato di schermatura flessibile attorno al cablaggio, mentre la schiuma conduttiva può stabilire il collegamento di messa a terra necessario.

Per un confronto dettagliato tra schiuma conduttiva, lamina di rame, lamina di alluminio e tessuto conduttivo, vedere Schiuma conduttiva contro foglio di rame contro foglio di alluminio contro tessuto conduttivo .

Applicazione 4: Connettori per batterie esterne

I connettori di uscita ad alta tensione e le interfacce di comunicazione a bassa tensione devono passare attraverso delle aperture nell'involucro della batteria.

Queste aperture possono diventare sia punti di dispersione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) sia potenziali punti deboli nella tenuta ambientale.

Tra la flangia del connettore e l'involucro della batteria è possibile installare una guarnizione anulare in schiuma conduttiva.

Quando il connettore viene serrato, la guarnizione si comprime e forma un'interfaccia elettrica e meccanica continua a 360 gradi.

Perché non utilizzare semplicemente una guarnizione in gomma conduttiva?

La gomma conduttiva è ampiamente utilizzata anche in ambito automobilistico. Tuttavia, la schiuma conduttiva può offrire diversi vantaggi laddove sono importanti una bassa forza di compressione e la flessibilità di installazione:

• Forza di compressione inferiore
• Montaggio più semplice
• Buon contatto elettrico a bassa compressione
• Compensazione flessibile della tolleranza
• Sostituzione più semplice durante la rilavorazione

Il materiale più adatto deve essere scelto in base al progetto dell'involucro, all'intervallo di compressione, ai requisiti ambientali e alle prestazioni di schermatura richieste.

3. Requisiti speciali per la schiuma conduttiva del pacco batteria

Le applicazioni con pacchi batteria impongono requisiti più stringenti alle guarnizioni di schermatura rispetto a molti dispositivi elettronici convenzionali.

Il punto fondamentale è che la schermatura EMI nel settore automobilistico non si limita al raggiungimento di una bassa resistenza. Il materiale deve mantenere il contatto elettrico in condizioni di compressione, vibrazioni, umidità, cicli termici e per una lunga durata.

4. Guida alla selezione della schiuma conduttiva per pacchi batteria

5. Perché scegliere Konlida per la schermatura EMI dei pacchi batteria dei veicoli elettrici?

1. Gestione della qualità di livello automobilistico

Konlida opera secondo un sistema di gestione della qualità certificato IATF 16949 e garantisce la tracciabilità dai lotti di materie prime fino ai prodotti finiti.

Per le applicazioni di batterie critiche per la sicurezza, la tracciabilità è una parte essenziale della qualificazione dei fornitori e della gestione della qualità.

2. Prestazioni a livello di materiale

I pacchi batteria richiedono una maggiore resistenza a temperatura, umidità, ossidazione e invecchiamento ambientale rispetto a molte applicazioni elettroniche standard.

La schiuma conduttiva di qualità automobilistica di Konlida può utilizzare un nucleo in silicone combinato con una pellicola conduttiva in PI placcata in oro. A seconda del grado selezionato, il materiale può resistere a temperature da -40 °C a 280 °C, raggiungere un recupero superiore al 90% e superare i test di shock termico e nebbia salina.

3. Produzione ad alto volume

Un singolo pacco batterie può utilizzare decine di piccoli contatti conduttivi per le schede BMS e AFE, nonché diversi metri di materiale sigillante per l'involucro.

Con 30 linee di produzione di schiuma conduttiva e una capacità giornaliera fino a 2 milioni di pezzi, Konlida è attrezzata per supportare programmi automobilistici ad alto volume.

4. Test di compatibilità elettromagnetica e affidabilità

Il laboratorio EMC di Konlida è in grado di fornire test di efficacia della schermatura da 30 MHz a 10 GHz, oltre a test di affidabilità quali:

• shock termico
• Test di temperatura e umidità
• test in nebbia salina
• Test di compressione-recupero
• Test del set di compressione

Nello sviluppo di pacchi batteria, i dati misurati sono più preziosi delle specifiche generiche dei materiali. I test consentono agli ingegneri di valutare le prestazioni effettive di una guarnizione selezionata in condizioni di applicazione specifiche.

5. Supporto alla progettazione e prototipazione rapida

I programmi relativi alle batterie per autoveicoli spesso prevedono lunghi cicli di sviluppo, ma le iterazioni di progettazione possono accelerare rapidamente una volta che i prototipi sono disponibili.

Konlida è in grado di fornire prototipi in sole quattro ore. Il suo team di ingegneri può inoltre partecipare alla fase di progettazione per contribuire a ottimizzare la geometria delle guarnizioni, la compressione, i percorsi di messa a terra e la selezione dei materiali.

6. Domande frequenti

D1: La schiuma conduttiva può sostituire completamente il sigillante per la sigillatura degli involucri delle batterie?

Non in tutte le applicazioni.

La schiuma conduttiva e il sigillante risolvono diverse problematiche ingegneristiche. La schiuma offre compensazione elastica, continuità elettrica e facilità di rilavorazione, mentre il sigillante garantisce una forte adesione e una tenuta ambientale continua.

Alcuni pacchi batteria utilizzano quindi un approccio ibrido: il sigillante fornisce l'impermeabilizzazione primaria, mentre la schiuma conduttiva mantiene la schermatura elettrica nelle interfacce critiche.

La configurazione finale dipende dalla struttura dell'involucro e dal grado di protezione IP richiesto.

D2: Qual è la soluzione migliore per la schermatura AFE: schiuma omnidirezionale o schiuma FOF?

Per la schermatura locale attorno ai componenti AFE sensibili, la schiuma conduttiva omnidirezionale è spesso la scelta migliore perché può garantire la continuità elettrica anche con una compressione minima.

La schiuma FOF rimane utile per interfacce di messa a terra più ampie dove è disponibile più spazio per l'installazione.

La scelta corretta dipende dallo spazio disponibile, dalla forza di compressione, dalla geometria di messa a terra e dai requisiti di schermatura.

D3: Cosa succede se la schermatura EMI del pacco batterie è inadeguata?

Il rischio più immediato è il degrado della precisione delle misurazioni.

Il rumore accoppiato ai circuiti di rilevamento AFE può influenzare le misurazioni della tensione delle celle e quindi incidere sulla stima dello stato di carica (SOC) e sulle decisioni di protezione.

Le possibili conseguenze includono:

• Interruzione anticipata della ricarica
• Portata utile ridotta
• Decisioni errate sul bilanciamento cellulare
• Rilevamento ritardato dello scarico eccessivo
• Controllo della carica instabile

La schermatura EMI dovrebbe pertanto essere considerata insieme al layout del PCB, al filtraggio, alla messa a terra, al percorso dei cavi e alla progettazione EMC a livello di sistema.

D4: Per i cablaggi di rilevamento della batteria è meglio utilizzare tessuto conduttivo o lamina di rame?

In genere, i tessuti conduttivi risultano più pratici per i cablaggi di rilevamento flessibili.

Può avvolgersi attorno ai cavi e seguire percorsi complessi senza introdurre le pieghe permanenti associate alla ripetuta piegatura di una sottile lamina metallica.

La lamina di rame può offrire eccellenti prestazioni di schermatura, ma è necessario valutare attentamente la sua flessibilità meccanica e le caratteristiche di installazione.

D5: Che esperienza ha Konlida nelle applicazioni per pacchi batteria?

I prodotti di Konlida, tra cui schiume conduttive SMT placcate in oro, strisce sigillanti per involucri in fibra di vetro (FOF) e schiume conduttive omnidirezionali, sono stati utilizzati in progetti di pacchi batteria per importanti produttori di batterie e case automobilistiche in Cina.

Per una visione più ampia della schermatura EMI nei sistemi di azionamento dei veicoli elettrici, nei BMS e nell'elettronica di potenza, vedere Schermatura EMI per veicoli elettrici: guarnizioni in schiuma conduttiva nel sistema di azionamento elettrico e nel BMS. .

Chi è Konlida?

La Suzhou Konlida Precision Electronics Co., Ltd. è stata fondata nel 2006 ed è specializzata nella ricerca e sviluppo e nella produzione di materiali per la schermatura EMI e la gestione termica.

Capacità produttive

• Impianti di produzione di 45.000 m²
• 30 linee di produzione di schiuma conduttiva
• 24 macchine fustellatrici rotative
• Capacità produttiva giornaliera fino a 2 milioni di pezzi
• Attrezzature interne automatizzate di quarta generazione per l'avvolgimento e la formatura
• Certificazioni IATF 16949, ISO 13485 e ISO 9001
• Produzione in camera bianca di classe 1.000

Capacità tecniche

• Quasi 20 anni di esperienza nei materiali di schermatura EMI
• Capacità integrate, dallo sviluppo dei materiali alla produzione del prodotto finito.
• Laboratori di compatibilità elettromagnetica e affidabilità
• Capacità di test per valutare l'efficacia della schermatura e l'affidabilità ambientale.
• Sviluppo interno di tessuti conduttivi ultrasottili e materiali in schiuma conduttiva ad alte prestazioni.
• Realizzazione del prototipo in sole quattro ore
• Esperienza nella produzione di massa al servizio di importanti clienti del settore dell'elettronica di consumo e dell'automotive.

Conclusione

La schermatura EMI in un pacco batterie per veicoli elettrici non è un problema che riguarda un singolo componente. Una progettazione affidabile deve considerare l'integrità del segnale AFE, la tenuta dell'involucro, l'isolamento delle barre collettrici, le interfacce dei connettori, la messa a terra e la resistenza agli agenti atmosferici come un unico sistema.

La schiuma conduttiva offre un modo efficace per combinare contatto elettrico, schermatura EMI, flessibilità meccanica e tenuta in strutture compatte per pacchi batteria.

Per gli ingegneri che selezionano un materiale di schermatura, i parametri chiave non sono semplicemente la resistenza superficiale o l'efficacia di schermatura. Forza di compressione, recupero, intervallo di temperatura, durata della placcatura, resistenza ambientale, uniformità dimensionale e affidabilità a lungo termine devono essere tutti valutati in relazione al progetto effettivo del pacco batteria.

Le soluzioni in schiuma conduttiva di Konlida sono già utilizzate in numerosi programmi di produzione in serie di pacchi batteria per veicoli elettrici. Che si tratti di componenti standard per consegne rapide o di guarnizioni personalizzate per strutture di pacchi batteria complesse, la selezione dei materiali e il supporto alla progettazione possono essere sviluppati in base alle effettive esigenze applicative.