高功率多层模压母线排：设计考虑因素与结构选项

Minimizing efficiency l尽可能降低效率损失是下一代电动汽车移动出行能否成功的关键尽可能降低效率损失是下一代电动汽车移动出行能否成功的关键oss is key to success for next-generation EV-Mobility

概述

电动汽车的加速普及和全球竞争市场要求汽车制造商不断提高动力传动系统的效率。随着功率密度的增加，提高效率的关键转折点之一是电池、直流-交流电源逆变器和交流牵引电动机之间的电气接口。

本技术公告概述了新型复杂多层模压母线排技术如何在简化整体装配过程的同时，显著提高从电池到电源逆变器再到电动机的电气性能。

电源逆变器的市场趋势

电动汽车移动出行动力总成技术的变革受下列两大趋势驱动：

1. 电源逆变器芯片和系统的高性能发展，如改进的逆变器/转换器拓扑结构和元件（氮化镓或碳化硅），使整体功率密度大大提高。
2. 从离散的相互连接的子系统过渡到完全集成的系统，能够节省冗余部件的成本，同时优化性能，减少体积、重量和成本。（敬请参阅《电机定子技术公告》中的集成示例）。

逆变器性能进步之处

一系列融合技术一直在稳步推动提高电源逆变器的性能和效率。关键技术领域包括：

• 利用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等技术提高芯片级开关速度。
• 利用芯片级封装和定制分立元件支持更高的可扩展性。
• 采用烧结方法连接芯片，提高小型封装的可靠性。
• 采用双面冷却方法实现顶部芯片连接。
• 提高具备更高电压和电流水平的功率密度。

系统集成挑战

电源逆变器技术的不断进步，以及开关速度的提高、1200V至1800V的电压和高达180摄氏度的温度，为系统集成带来了新的挑战。关键的集成挑战包括：

• 处理更高的功率密度。
• 应对更高的结温。
• 改进密封和冷却方法。
• 管理电气爬电距离和电感挑战。
• 尽可能降低重量、尺寸和散热。

对母线排设计的影响

电源逆变器和系统集成的这些总体趋势对定制母线排的设计有着重大影响，因为定制母线排有助于实现电池、逆变器和电动机之间的电源互连。新出现的母线排设计挑战包括：

• 定制母线排外观集成。
• 加宽表面区域并提高表面区域的导电性。
• 改进材料和冷却方法，应对更高的温度。
• 缩短组件之间的电流通路。
• 尽可能减少空气和爬电现象（不必要的功率损失和绝缘破坏）。
• 通过在母线排上直接集成组件来扩大功能。
• 通过正负匹配来尽可能减少电感，进而消除电感。
• 使用创新的连接方法，如可插拔式对比螺栓固定或激光焊接。

指导设计过程的问题清单

当今设计师需要缜密地看待母线排，将它视为整个动力总成系统中的一个重要因素，而不是像传统方法那样将母线排仅仅视为简单的附加连接器。

对于当今的动力系统，最佳的做法是始终协同回答下列关键问题，最好与知识渊博且经验丰富的母线排设计和制造合作伙伴一起进行。

1. 母线排将应用于哪个领域？
2. 母线排在相关应用领域中的装配过程是什么？
3. 电压等级要求是什么？
4. 电流等级要求是什么？
5. 母线排的环境温度和工作温度是多少？
6. 绝缘介质的要求和方法是什么？
7. 连接对齐和装配方法是什么？
8. 密封和冷却的方式和方法是什么？
9. 各种材料之间的热膨胀系数（CTE）是否失配？

关键母线排的设计和构建方法

总体考虑因素

• 尽可能集成特定应用的外观。
• 尽可能减少热应力因素，延长母线排使用寿命。
• 采用平衡的设计方法，尽可能减少翘曲。
• 避免在冲压件上出现尖角。
• 优化成型工艺和材料，尽可能地降低热膨胀系数失配应力。
• 尽可能地减少固定点并加大灵活性。

材料问题

母线排设计和集成项目的成功关键在于材料的选择。ENNOVI在材料科学和恶劣环境应用设计方面积累了丰富的经验，并深入研究了各种材料选项。

母线排的性能取决于构建母线排所使用的复合材料。ENNOVI模压母线排采用不同厚度的铜或铝导体：铜导体的标准厚度为0.5 mm至8.0 mm，铝导体的标准厚度为0.25 mm至5.0 mm。对于任何需要关注热量的电动汽车/混合动力汽车应用领域，铜相比铝具有更优越的热特性。铜的热导率为401 W/mK，而铝的热导率为237 W/mK；铜的热膨胀率为16.5 ppm/K，而铝的热膨胀率为23.1 ppm/K。

铝母线排对电动汽车/混合动力汽车应用具有吸引力，因为它们不仅能提供可靠的电气性能，而且由于铝母线排通常比铜母线排轻50%，有助于节省系统总重量。然而，为了获得等同的电气/热性能，铝母线排的横截面将大于铜母线排的，例如，1 mm的铜导体可以替代2 mm的铝导体。对于电动汽车/混合动力汽车应用，当空间紧凑时，铜母线排能够提供优秀的解决方案，而铝母线排则能实现高效的能源分配，与铜相比，它的重量更轻。此外，铝的成本也低于铜的成本。

关于填充材料，ENNOVI母线排设计团队发现，如聚苯硫醚（PPS）、聚邻苯二甲酰胺（PPA）或聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）等高温、玻璃填充的塑料模塑解决方案能够提供成功产品所需的理想热特性、电气性能、耐化学性和材料强度组合，具体取决于实际需求。我们还使用了氧化铝等非传统材料进行各种涂层，并整合了PET、Mylar、云母等绝缘薄膜。有关材料的更多信息，请咨询ENNOVI。

一个关键目标是在材料成本和功能之间实现最佳平衡，以满足不同的应用要求。例如，产品设计可能会集成绝缘薄膜组装和包覆成型塑料的组合，以便在使用更昂贵的材料和牢固的功能设计之间取得平衡，进而应对恶劣的工作环境。

母线排构建的最佳实践

尽可能减少塑料并缩短塑料长度

传统的在母线排元件之间留出空间并用塑料流填充的方法已无法满足定制和集成的要求。新的方法旨在尽量减少塑料的使用，进而减少热膨胀系数失配的可能性。

母线排设计中应加入应力消除和柔性设计。

为了尽量减少温度和振动因素造成的应力，从整体上设计出理想柔性变得越来越重要。主要的缓解方法包括：在母线排边缘设置缓冲区分散应力，以及在整个装配过程中使用柔性连接。

智能材料填充工艺

ENNOVI首创的另一个最佳实践是使用精密材料充填工艺，该工艺按顺序使用阀浇口来减少焊缝，同时改善单向纤维取向，尽可能地减少翘曲并提高尺寸精度。

小结

正如本技术公告所述，对于为下一代电动汽车动力总成创建复杂的多层母线排所面临的挑战，没有“放之四海而皆准”的方法。因此，汽车公司需要及早着手，并与本技术公告所述在所有领域均有良好业绩记录的合作伙伴密切合作。

成功的最佳实践包括：

• 选择具备深厚设计、制造和分析技能的经验丰富的合作伙伴。
• 首先提出第3页清单所述的“关键问题”。
• 以“面向制造的设计（DFM）”的思想开始流程。
• 在早期和整个过程中测试不同设计方法的结果。
• 提前计划大批量生产。

ENNOVI不仅拥有丰富的经验和专业知识，而且还积极地创建了一套基础深厚的配置灵活性且适应性强的技术，我们可以基于所述技术提供初始设计支持、快速原型设计、测试和全面量产。

这些能力得到了ENNOVI全球设计、分布式制造和物流组织的支持，该组织为全球汽车制造商提供优质的本地支持。