Экранирование автомобильных аккумуляторных батарей от электромагнитных помех с помощью проводящей пены

Аккумуляторные батареи для электромобилей (EV) представляют собой одну из наиболее сложных областей с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС). В этой статье рассматриваются четыре критически важных применения: герметизация корпуса батареи, экранирование платы выборки аналоговых интерфейсных элементов (AFE), изоляция высоковольтных шин и экранирование внешних разъемов. Также объясняется, как выбрать подходящий токопроводящий пеноматериал для применения в автомобильных аккумуляторных батареях.

Аккумуляторный блок — один из самых дорогих и чувствительных компонентов электромобиля.

Аккумуляторная батарея емкостью 80 кВт⋅ч может составлять примерно 30–40% от общей стоимости автомобиля. Она также содержит сотни элементов питания, каждый из которых должен точно контролироваться и защищаться. Электромагнитные помехи (ЭМП), вносящие ошибки в измерения напряжения, могут влиять на оценку уровня заряда (SOC), балансировку элементов и функции защиты.

Электромагнитная обстановка внутри аккумуляторного блока представляет собой особенно сложную задачу. Высокое напряжение, зарядные токи в сотни ампер, плотное расположение датчиков, компактная компоновка модулей, а также помехи от тягового инвертора и бортового зарядного устройства (OBC) — все это усугубляет проблему электромагнитной совместимости.

Обзор технологии проводящей пены см. в [ссылка]. Что такое проводящая пена? Применение, области использования и преимущества экранирования от электромагнитных помех. .

В данной статье рассматриваются четыре специфических для аккумуляторных батарей области применения, требующие особого внимания:

1. экранирование платы выборки AFE
2. Герметизация корпуса батареи
3. Изоляция высоковольтных шин и линий датчиков
4. Экранирование внешнего разъема

Проводящие пеноматериалы автомобильного класса от компании Konlida уже используются в проектах по производству аккумуляторных батарей для крупных производителей аккумуляторов и автомобильных OEM-партнеров в Китае.

1. Проблемы электромагнитной совместимости внутри аккумуляторных батарей электромобилей

Проблема 1: Сигналы дискретизации крайне слабые.

Система управления батареей (BMS) должна точно контролировать напряжение отдельных элементов батареи. Типичные требования к точности измерения напряжения могут составлять от ±1 мВ до ±5 мВ.

Однако датчики могут располагаться на несколько метров внутри аккумуляторного блока и проходить вблизи сильноточных проводников. Это делает их восприимчивыми к излучаемым и кондуктивным помехам.

Когда помехи проникают в линии измерения, система управления батареей (BMS) может получать неточную информацию о напряжении. Возникающие ошибки могут повлиять на оценку уровня заряда батареи (SOC), балансировку элементов и защиту от перезаряда или переразряда.

Задача 2: Корпус должен обеспечивать как герметизацию, так и экранирование.

Корпус батареи, как правило, должен соответствовать строгим требованиям защиты от воздействия окружающей среды, таким как IP67 или IP68, а также обеспечивать непрерывность электромагнитного экранирования.

Это создает сложную проблему сопряжения в местах соединения корпусов. Уплотнительный материал должен компенсировать механические допуски и термическое расширение, обеспечивая при этом надежное электрическое соединение.

Именно здесь на помощь приходит проводящая пена: один компонент может обеспечивать как упругое сжатие, так и электрическую непрерывность.

Задача 3: Сильнотоковые шины генерируют мощные электромагнитные поля.

Высоковольтные шины внутри аккумуляторного блока могут пропускать сотни ампер. Окружающие их электромагнитные поля могут создавать помехи для расположенных рядом датчиков, особенно когда они проложены параллельно друг другу.

Таким образом, обеспечение достаточного расстояния между элементами в компактном аккумуляторном блоке является ключевой задачей проектирования с точки зрения электромагнитной совместимости.

Задача 4: Длительный срок службы и широкий диапазон рабочих температур.

Автомобильные аккумуляторные батареи, как правило, рассчитаны на 8–10 лет эксплуатации или дольше. Внутренняя температура может опускаться примерно до -30°C в холодных условиях и достигать 60–80°C при высокой нагрузке или быстрой зарядке.

Экранирующий материал должен сохранять стабильное сжатие, восстановление формы и электропроводность на протяжении всех этих температурных циклов.

Автомобильное решение от Konlida сочетает в себе силиконовый сердечник и позолоченную проводящую полиимидную пленку. В зависимости от конфигурации изделия, материал может работать в диапазоне температур от -40°C до 280°C, обеспечивать более 90% восстановления и выдерживать 1000 циклов термического удара.

2. Четыре ключевых применения токопроводящей пены в аккумуляторных батареях

Применение 1: Экранирование платы для отбора проб AFE

Аналоговый интерфейсный блок (АФБ) — один из наиболее чувствительных компонентов системы управления батареей. Он напрямую подключается к линиям измерения напряжения элементов и преобразует низкоуровневые аналоговые сигналы в цифровые данные.

Даже относительно небольшие электромагнитные помехи могут повлиять на точность измерений.

Рекомендуемые решения для экранирования

Зачем использовать всенаправленную проводящую пену вокруг компонентов AFE?

Зазор вокруг компонентов AFE часто составляет всего 1–3 мм. При этом плата для отбора проб не выдерживает чрезмерного сжатия.

Всенаправленная проводящая пена способна создавать низкоимпедансный электрический путь при очень малом сжатии, обеспечивая при этом проводящие пути в направлениях X, Y и Z.

Это делает его пригодным для компактных применений в области экранирования ближнего поля.

Для получения более подробной информации см. Прокладка из проводящей пены с всенаправленным током против стандартной прокладки из проводящей пены .

Почему это важно во время быстрой зарядки?

Быстрая зарядка позволяет достигать тока в сотни ампер, что значительно увеличивает электромагнитное поле внутри аккумуляторного блока.

Если цепь выборки AFE недостаточно экранирована, измерительные сигналы могут демонстрировать повышенный уровень шума и нестабильность. В крайних случаях это может привести к тому, что BMS неправильно интерпретирует состояние ячейки или запустит ненужные защитные действия.

Таким образом, эффективная локальная защита является важной частью обеспечения целостности измерений при работе с высокими токами.

Применение 2: Герметизация стыков корпуса батареи

Шов в корпусе является как потенциальным путем утечки электромагнитных помех, так и критически важным элементом герметизации от воздействия окружающей среды.

Проводящая прокладка может поддерживать электрическую непрерывность, компенсируя при этом допуски по размерам и механические перемещения.

Преимущества токопроводящей пены для герметизации корпусов

Компенсация упругости: Корпуса батарей подвергаются изменениям размеров из-за колебаний температуры и вибрации. Пенопласт сохраняет контакт с конструкцией по мере ее движения.

Два компонента в одном: одна и та же прокладка может обеспечивать как электрическую защиту, так и механическую герметизацию.

Техническая пригодность: В отличие от затвердевших токопроводящих герметиков, поролоновую прокладку, как правило, можно снять и заменить во время обслуживания или ремонта.

Индивидуальная настройка большой длины

Корпуса батарей могут иметь длину 1,5–2 метра, создавая длинные и непрерывные герметичные каналы.

Компания Konlida эксплуатирует 30 линий по производству токопроводящей пены и автоматизированное оборудование непрерывного формования, способное производить длинные уплотнительные ленты с постоянными размерами и электрическими характеристиками. Также возможно изготовление поперечных сечений по индивидуальному заказу в соответствии с геометрией корпуса.

Применение 3: Изоляция высоковольтных шин и линий измерения

Высоковольтные шины пропускают большие токи между аккумуляторными модулями и другими мощными компонентами. Их электромагнитные поля могут взаимодействовать с расположенными рядом линиями датчиков.

Это особенно проблематично, когда жгуты проводов датчиков проложены параллельно шинам на больших расстояниях.

Зачем линиям измерения требуется дополнительная защита?

Кабельные системы для измерения параметров элементов питания могут простираться на несколько метров от элементов батареи до платы AFE. По пути они могут проходить вблизи шин, реле, предохранителей и других источников помех.

Без надлежащей защиты наведенный шум может достигать десятков или даже сотен милливольт — что значительно превышает типичные требования к точности измерений BMS, составляющие ±5 мВ.

Проводящая тканевая обмотка обеспечивает гибкий экранирующий слой вокруг жгута проводов, а проводящая пена может обеспечить необходимое заземление.

Подробное сравнение проводящей пены, медной фольги, алюминиевой фольги и проводящей ткани см. в Проводящая пена против медной фольги против алюминиевой фольги против проводящей ткани .

Приложение 4: Разъемы для внешних аккумуляторов

Высоковольтные выходные разъемы и низковольтные коммуникационные интерфейсы должны проходить через отверстия в корпусе батареи.

Эти отверстия могут стать как местами утечки электромагнитных помех, так и потенциальными слабыми местами для герметизации от воздействия окружающей среды.

Между фланцем разъема и корпусом батареи можно установить кольцеобразную прокладку из токопроводящей пены.

При затягивании соединителя прокладка сжимается и образует непрерывный 360-градусный электрический и механический интерфейс.

Почему бы просто не использовать токопроводящую резиновую прокладку?

Проводящая резина также широко используется в автомобильной промышленности. Однако проводящая пена может обеспечить ряд преимуществ там, где важны низкое усилие сжатия и гибкость монтажа:

• Меньшая сила сжатия
• Более простая сборка
• Хороший электрический контакт при низком сжатии
• Гибкая компенсация допусков
• Упрощенная замена при ремонте.

Выбор подходящего материала должен в конечном итоге основываться на конструкции корпуса, диапазоне сжатия, требованиях к условиям окружающей среды и требуемых характеристиках экранирования.

3. Особые требования к токопроводящей пене для аккумуляторных батарей

В аккумуляторных батареях предъявляются более высокие требования к защитным прокладкам, чем во многих обычных электронных устройствах.

Ключевой момент заключается в том, что экранирование от электромагнитных помех в автомобильной промышленности — это не просто достижение низкого сопротивления. Материал должен сохранять электрический контакт при сжатии, вибрации, влажности, перепадах температур и иметь длительный срок службы.

4. Руководство по выбору токопроводящей пены для аккумуляторных батарей

5. Почему стоит выбрать Konlida для экранирования от электромагнитных помех в аккумуляторных батареях электромобилей?

1. Управление качеством автомобильного класса

Компания Konlida работает в соответствии с системой управления качеством, сертифицированной по стандарту IATF 16949, и обеспечивает отслеживаемость продукции от партий сырья до готовых изделий.

Для критически важных с точки зрения безопасности аккумуляторных систем отслеживаемость является неотъемлемой частью квалификации поставщиков и управления качеством.

2. Характеристики на уровне материалов

Аккумуляторные батареи должны обладать большей устойчивостью к перепадам температуры, влажности, окислению и старению под воздействием окружающей среды, чем многие стандартные электронные устройства.

В автомобильной токопроводящей пене Konlida может использоваться силиконовая сердцевина в сочетании с позолоченной токопроводящей полиимидной пленкой. В зависимости от выбранного класса, материал может выдерживать температуры от -40°C до 280°C, обеспечивать более 90% восстановления и проходить испытания на термоудар и солевой туман.

3. Крупномасштабное производство

В одном аккумуляторном блоке могут использоваться десятки небольших проводящих контактов для плат BMS и AFE, а также несколько метров герметизирующего материала для корпуса.

Благодаря 30 линиям по производству токопроводящей пены и суточной производительности до 2 миллионов изделий, компания Konlida располагает всем необходимым для поддержки крупномасштабных автомобильных проектов.

4. Испытания на электромагнитную совместимость и надежность.

В лаборатории ЭМС компании Konlida можно провести тестирование эффективности экранирования в диапазоне от 30 МГц до 10 ГГц, а также испытания на надежность, такие как:

• Термический шок
• Проверка температуры и влажности
• Испытание солевым туманом
• Испытание на восстановление после сжатия
• Испытание на остаточную деформацию при сжатии

Для разработки аккумуляторных батарей измеренные данные имеют большую ценность, чем общие технические характеристики материалов. Тестирование позволяет инженерам оценить фактическую производительность выбранной прокладки в условиях, специфичных для конкретного применения.

5. Поддержка проектирования и быстрое прототипирование

Разработка автомобильных аккумуляторов часто имеет длительные циклы, но после создания прототипов процесс доработки конструкции может значительно ускориться.

Компания Konlida может изготовить прототипы всего за четыре часа. Ее инженерная команда также может участвовать на этапе проектирования, помогая оптимизировать геометрию прокладки, степень сжатия, пути заземления и выбор материалов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Может ли токопроводящая пена полностью заменить герметик для уплотнения корпуса батареи?

Не во всех случаях.

Проводящая пена и герметик решают разные инженерные задачи. Пена обеспечивает упругую компенсацию, электрическую непрерывность и упрощает доработку, в то время как герметик обеспечивает прочное сцепление и непрерывную герметизацию от воздействия окружающей среды.

Поэтому в некоторых аккумуляторных батареях используется гибридный подход: герметик обеспечивает основную гидроизоляцию, а токопроводящая пена поддерживает электрическую защиту в критически важных местах контакта.

Окончательная конфигурация зависит от конструкции корпуса и требуемого уровня защиты IP.

В2: Что лучше для экранирования АФЭ: всенаправленный пенополиуретан или пенополиуретан FOF?

Для локальной защиты чувствительных аналоговых компонентов часто лучше использовать всенаправленную проводящую пену, поскольку она обеспечивает электрическую непрерывность при очень малом сжатии.

Пенополиуретан FOF по-прежнему полезен для больших заземляющих интерфейсов, где имеется больше места для установки.

Правильный выбор зависит от имеющегося зазора, силы сжатия, геометрии заземления и требований к экранированию.

В3: Что произойдет, если защита от электромагнитных помех от аккумуляторной батареи окажется недостаточной?

Наиболее непосредственный риск связан со снижением точности измерений.

Шум, проникающий в измерительные цепи аналогового интерфейса, может влиять на измерения напряжения элементов и, следовательно, на оценку состояния заряда и принятие решений о защите.

Возможные последствия включают в себя:

• Преждевременное прекращение зарядки
• Сокращенный полезный диапазон
• Неправильные решения по балансировке клеток
• Задержка обнаружения переразряда
• Нестабильное управление зарядкой

Поэтому экранирование от электромагнитных помех следует рассматривать в совокупности с компоновкой печатной платы, фильтрацией, заземлением, прокладкой кабелей и проектированием электромагнитной совместимости на системном уровне.

Вопрос 4: Для датчиков заряда батареи следует использовать проводящую ткань или медную фольгу?

Проводящая ткань, как правило, более практична для гибких сенсорных систем.

Она может обматывать кабели и следовать сложным маршрутам прокладки, не образуя постоянных складок, возникающих при многократном сгибании тонкой металлической фольги.

Медная фольга обеспечивает превосходные экранирующие свойства, однако необходимо тщательно учитывать ее механическую гибкость и особенности монтажа.

В5: Какой опыт у компании Konlida в области применения аккумуляторных батарей?

Позолоченная проводящая пена для поверхностного монтажа от Konlida, уплотнительные ленты для корпусов FOF и всенаправленная проводящая пена используются в проектах по созданию аккумуляторных батарей для крупных производителей аккумуляторов и автомобильных OEM-партнеров в Китае.

Для более полного обзора экранирования от электромагнитных помех в системах привода электромобилей, системах управления батареями и силовой электронике см. Экранирование от электромагнитных помех для электромобилей: токопроводящие поролоновые прокладки в системах электропривода и управления батареями (BMS). .

Кто такая Конлида?

Компания Suzhou Konlida Precision Electronics Co., Ltd. была основана в 2006 году и специализируется на исследованиях, разработке и производстве материалов для экранирования электромагнитных помех и терморегулирования.

Производственные возможности

• Производственные мощности площадью 45 000 м²
• 30 линий по производству проводящей пены
• 24 ротационных вырубных станка
• Суточная производственная мощность до 2 миллионов штук.
• Собственное автоматизированное оборудование для упаковки и формовки четвертого поколения.
• Сертификаты IATF 16949, ISO 13485 и ISO 9001
• Производство в чистых помещениях класса 1000.

Технические возможности

• Почти 20 лет опыта в области материалов для экранирования электромагнитных помех.
• Комплексные возможности от разработки материалов до производства готовой продукции.
• Лаборатории электромагнитной совместимости и надежности
• Возможности тестирования эффективности экранирования и надежности в условиях окружающей среды.
• Собственная разработка сверхтонких проводящих тканей и высокоэффективных проводящих пеноматериалов.
• Изготовление прототипа занимает всего четыре часа.
• Опыт массового производства для крупных клиентов в сфере бытовой электроники и автомобильной промышленности.

Заключение

Защита от электромагнитных помех в аккумуляторной батарее электромобиля — это не проблема одного компонента. Надежная конструкция должна учитывать целостность сигнала аналогового интерфейса, герметичность корпуса, изоляцию шин, интерфейсы разъемов, заземление и устойчивость к воздействию окружающей среды как единую систему.

Проводящая пена представляет собой эффективный способ объединения электрического контакта, экранирования от электромагнитных помех, механической гибкости и герметизации в компактных конструкциях аккумуляторных батарей.

Для инженеров, выбирающих экранирующий материал, ключевыми параметрами являются не только поверхностное сопротивление или эффективность экранирования. Сила сжатия, восстановление, температурный диапазон, стойкость покрытия, устойчивость к воздействию окружающей среды, точность размеров и долговременная надежность — все эти параметры следует оценивать с учетом фактической конструкции аккумуляторного блока.

Проводящие пеноматериалы Konlida уже используются в нескольких программах серийного производства аккумуляторных батарей для электромобилей. Независимо от того, нужны ли вам стандартные компоненты для быстрой поставки или прокладка, изготовленная на заказ для сложной конструкции аккумуляторной батареи, выбор материала и поддержка проектирования могут быть разработаны с учетом реальных требований применения.