Poliamid o wysokiej wydajności do szyn prądowych Najpierw wytłaczanie, potem ciasne gięcie: tak powstają kompaktowe szyny zbiorcze 800 V

Jak poprowadzić szyny prądowe w samochodzie elektrycznym w bardzo ograniczonej przestrzeni, tak aby izolacja nie uległa pęknięciu? Specjalne poliamidy firmy Ems-Grivory przylegają bezpośrednio do miedzi i aluminium oraz wytrzymują małe promienie gięcia, sięgające nawet grubości pojedynczego przewodu, a mimo to spełniają swoje zadanie: zapewniają izolację przy napięciach do 1 000 V i obciążeniach termicznych do 150 °C.

Krótszy czas ładowania napędza rozwój elektrycznych układów napędowych i powoduje wzrost napięcia systemowego z 400 V do 800 V i powyżej. Wraz ze wzrostem mocy elektrycznej rosną również temperatury robocze elementów przewodzących prąd. Masywne szyny prądowe z miedzi lub aluminium – tzw. szyny zbiorcze – coraz częściej zastępują w sieciach wysokonapięciowych klasyczne kable okrągłe, ponieważ przenoszą duże natężenia prądu na znacznie mniejszej przestrzeni. Jednak właśnie ta kompaktowa konstrukcja sprawia, że tradycyjne powłoki z tworzyw sztucznych osiągają swoje fizyczne granice w warunkach wysokiej temperatury i przy małych promieniach gięcia.

Izolacja elektryczna pod obciążeniem termicznym

W pojeździe szyny zbiorcze łączą kluczowe elementy, takie jak akumulator, falownik, układy DC-Link oraz jednostki dystrybucji mocy. W nowoczesnych architekturach wysokonapięciowych typowe przekroje przewodów mieszczą się w przedziale od 35 mm² do 120 mm². Podczas szybkiego ładowania szyny te nagrzewają się chwilowo do około 130 °C, a w momentach szczytowego obciążenia nawet do 150 °C.

W przypadku wielu standardowych tworzyw sztucznych wraz ze wzrostem temperatury rezystancja właściwa przepływu gwałtownie spada: pod wpływem ciepła łańcuchy polimerowe oraz jony obecne w materiale stają się bardziej ruchliwe, przez co rezystancja często spada o kilka rzędów wielkości. W przypadku szyn zbiorczych o napięciu 800 V i temperaturach do 150 °C zbyt duży spadek rezystancji prowadzi do niepożądanych prądów upływowych, lokalnego samonagrzewania się warstwy izolacyjnej, a w skrajnych przypadkach do przebicia elektrycznego. Skraca to żywotność całego systemu wysokonapięciowego.

Małe promienie gięcia wymagają przyczepności i plastyczności

Oprócz obciążenia termicznego konstrukcję utrudnia ograniczona przestrzeń montażowa w pakiecie akumulatorowym i układach elektroniki mocy. Szyny prądowe w pojeździe rzadko przebiegają prosto, lecz owijają się ciasno wokół modułów akumulatorowych i krawędzi obudowy. Producenci najpierw pokrywają profile metalowe tworzywem sztucznym w procesie wytłaczania, następnie je przycinają, a dopiero potem wyginają do ostatecznego trójwymiarowego kształtu. Promienie gięcia często wynoszą zaledwie od jednej do dwóch grubości samego przewodnika.

Ten proces obróbki plastycznej po wytłaczaniu powoduje nierównomierne obciążenie warstwy polimerowej. Na zewnętrznej stronie zagięcia tworzywo sztuczne ulega silnemu rozciągnięciu, nie może jednak pęknąć ani spaść poniżej wymaganej minimalnej grubości ścianki. Jednocześnie po wewnętrznej stronie działają duże siły ściskające, które nie mogą powodować powstawania fałd ani odrywania warstwy od metalu. Jeśli warstwa odklei się od metalu lub pojawią się na niej fałdy, osłona traci swoją funkcję ochronną zarówno mechaniczną, jak i elektryczną.

Poliamidy do napięć do 1 000 V

Z myślą o tym profilu wymagań szwajcarski specjalista w dziedzinie polimerów Ems-Grivory opracował w ramach swojej oferty Grilamid modyfikowane adhezyjnie typy PA12-XE, które są opatentowane do zastosowań w szynach zbiorczych do 1 000 V. Nawet w krytycznym przedziale temperatur od 100 °C do 150 °C rezystancja właściwa tych materiałów spada znacznie wolniej niż w przypadku tradycyjnych tworzyw izolacyjnych. Dzięki temu ekranowanie elektryczne pozostaje stabilne nawet przy wysokich obciążeniach ciągłych i szczytowych. Jednocześnie typy poliamidowe charakteryzują się wysoką przyczepnością bezpośrednio do powierzchni miedzianych i aluminiowych.

W połączeniu z wysoką plastycznością warstwa izolacyjna bez uszkodzeń wytrzymuje późniejsze gięcie w bardzo ograniczonej przestrzeni. Dzięki temu konstruktorzy mogą stosować cieńsze ścianki i efektywniej wykorzystywać dostępną przestrzeń montażową w pojazdach elektrycznych. Mniejsze grubości warstw z kolei zmniejszają zużycie materiału, obniżają masę elementów i obniżają koszty systemu. Europejscy i chińscy producenci samochodów stosują już te specjalne poliamidy w produkcji seryjnej swoich aktualnych architektur wysokonapięciowych. (mg)