Présentation : Système de connexion haute tension BCON+

La pression accrue pour réduire les émissions de carbone entraîne l’introduction de systèmes de propulsion électrifiés dans les véhicules. La principale source d’énergie électrique provient de la batterie, tandis que dans un véhicule à pile à combustible à hydrogène, la batterie fonctionne comme un tampon de charge de pointe. La batterie est donc au cœur de l’électrification du groupe motopropulseur. Les batteries utilisées dans ces applications sont constituées de nombreuses cellules individuelles regroupées en modules. Le courant entrant et sortant de la batterie doit circuler en toute sécurité, quel que soit le mode de fonctionnement du véhicule. Par conséquent, les connexions des modules doivent pouvoir supporter des courants allant jusqu’à 600 ampères pendant quelques minutes au cours d’un cycle de charge à haute puissance, mais jusqu’à un facteur plus élevé pendant les modes de conduite dynamique qui ne durent que quelques secondes. 

Les connexions des modules de batterie constituent également la couche physique de protection de la batterie (contre la surchauffe), la gestion de la batterie (gestion de l’état de charge, par exemple) et l’équilibrage des cellules (égalisation de la tension de charge entre des cellules présentant des états de charge différents). Pour garantir le bon déroulement de ces opérations, chaque module de batterie de transmission doit être doté de connexions électriques fiables. Cela nécessite des systèmes de contacts hautement intégrés, qui doivent non seulement être capables de prendre en charge toutes les fonctionnalités tout au long de la durée de vie du véhicule (généralement, 300 000 km/186 500 miles sur 10 ans), mais aussi être suffisamment robustes pour éviter que les contraintes vibratoires et thermiques affectent indûment les propriétés mécaniques et électriques des contacts. Les contacts doivent également être entièrement protégés contre les contacts accidentels afin d’éliminer les risques de haute tension et de haute puissance dans les véhicules privés et commerciaux et de garantir la sécurité des clients et du personnel de service ainsi que la conformité aux réglementations.

La protection tactile complète des systèmes de connexion à l’état accouplé et désaccouplé permet une manipulation sûre des modules de batterie pendant l’assemblage de la batterie. En particulier, lors d’inspections ou de réparations réalisées régulièrement au cours de la durée de vie d’un véhicule, les modules de batterie peuvent être manipulés facilement et en toute sécurité par des électriciens qualifiés sans avoir besoin d’outils spéciaux coûteux ou de procédures de sécurité compliquées.

TE Connectivity s’est appuyé sur une vaste expérience en physique des contacts automobiles dans la technologie de connexion en cuivre et en aluminium pour développer une solution d’interconnexion innovante pour les batteries de traction. Le nouveau système d’embout à boulon BCON+ répond à toutes les exigences de cette application exigeante. Le système de connexion haute tension BCON+ est une cosse à vis qui peut être facilement découplée (pour le diagnostic ou le recyclage), tout en étant entièrement tactile avec une protection IPxxB conforme à la norme ISO 20653. Le chemin mécanique de la terminaison du boulon et le chemin électrique (connexion cuivre-cuivre à faible impédance) sont fonctionnellement séparés l’un de l’autre pour assurer la robustesse et la manipulation facile des contacts dans les conditions de fabrication.

Le système de terminaison à boulon BCON+ est conçu pour une flexibilité maximale des connexions de modules et autres terminaisons d’alimentation dans une grande variété d’applications d’interconnexion dans les architectures de performance électrique. Figure 1.

Les contacts des modules de batterie dans un véhicule électrifié doivent répondre à des exigences très élevées. L’objectif était donc de concevoir tous les conducteurs et toutes les connexions pour qu’ils puissent supporter des courants constants de 400 ampères (plus de courtes pointes allant jusqu’à 1 200 ampères) et des tensions allant jusqu’à 1 000 V, et pour qu’ils fonctionnent de manière fiable à des températures ambiantes typiques de la batterie comprises entre -40 °C et +80 °C. Les matériaux des connecteurs finalement sélectionnés fonctionneront de manière fiable même jusqu’à 140 °C. Le principal défi consistait à obtenir une très faible résistance de contact aux différents points de contact avec des pertes de puissance minimales, proches de celles des cellules de batteries commerciales. Les contacts BCON+ disposent d’une résistance
inférieure à 10 μΩ de chaque côté sur l’ensemble du système d’interconnexion.

Le connecteur de module est conçu pour atteindre une résistance aux vibrations de niveau de gravité 3 (LV214, SG 3), conformément aux réglementations environnementales pour les systèmes non scellés selon la spécification de test du fabricant LV215.

Un système de terminaison de ce type doit offrir un montage facile et sûr. Selon la configuration du véhicule et de la batterie, il doit également offrir une flexibilité de configuration. Ceci s’applique aux connexions soumises à des contraintes géométriques ainsi qu’à la connexion de différents types de conducteurs. En outre, les interconnexions des modules doivent répondre à des exigences de durée de vie de 300 000 km (186 500 miles) ou de dix ans et supporter jusqu’à 25 cycles d’accouplement et de boulonnage. Dans un véhicule électrifié, la contrainte de charge permanente augmente encore les exigences en matière de robustesse des composants de la batterie et les temps de charge doivent être ajoutés à la durée totale de fonctionnement.

La terminaison d’un module de batterie BCON+ est constituée de profilés en aluminium et en cuivre au niveau de l’interface de la batterie et de types de conducteurs flexibles du côté de la liaison acier-acier.

L’interconnexion réelle des cellules est généralement réalisée au moyen de jeux de barres plats en aluminium, qui servent de contact à toutes les cellules interconnectées dans le module (comme illustré à la figure 2). Chaque module est connecté au système de batterie haute tension via des connexions à boulons plats en cuivre massif (jeux de barres Cu). Ceux-ci s’intègrent au fond de l’interface en cuivre à électroplacage avec un insert fileté en acier trempé. L’interface dotée d’une fiche femelle est un boulon inséré intégré dans la terminaison d’un fil de cuivre toronné (câble haute tension), qui est converti en cuivre massif ou en un conducteur massif rond (figure 2).

Dans la terminaison BCON+, le contact du câble haute tension est couplé à l’interface cuivre femelle (figure 3). Le codage correspondant (interconnexion correcte) libère un processus de pré-verrouillage, qui verrouille le câble au jeu de barres pour permettre un assemblage facile à deux mains pendant le processus de boulonnage ultérieur (ou un assemblage aérien).

Les deux pièces de contact sont enfermées dans des boîtiers supérieurs et inférieurs en plastique renforcé avec de la fibre de verre pour éviter tout contact accidentel des doigts avec des pièces sous tension (IPXXB = aucun contact avec des objets >12 mm de diamètre et max. 80 mm de longueur). La résistance aux flammes des pièces en plastique correspond à la norme HB. La protection V0 est disponible sur demande. La forme du boîtier permet une utilisation optimale de l’espace d’installation disponible (figure 4), ce qui garantit une sécurité maximale même dans un espace d’installation limité. Toutes les pièces sous tension sont enfermées dans des boîtiers et recouvertes soit d’un revêtement en silicone, soit d’une gaine en tissu de fibre de verre résistante aux hautes températures.

Les interconnexions entre les jeux de barres en aluminium et les interfaces en cuivre massif (c’est-à-dire l’interconnexion entre le conducteur toronné côté câble et l’interface en cuivre) sont créées par diverses technologies de soudage ou de collage.

Le boulon M5 percutif utilisé pour serrer les interfaces rondes en cuivre a été développé par TE Connectivity à partir d’un matériau trempé. La tête du boulon est surmoulée avec du plastique et serrée avec un hexalobulaire interne standard. Le boulon en acier coupe les deux interfaces rondes avec une surface de montage plane, puis visse le manchon fileté à travers la partie inférieure du connecteur de terminaison à boulon BCON+ (figure 5).

Cette construction n’applique une tension mécanique que dans le système acier-acier. Elle est en outre complètement séparée de la fonction d’interconnexion électrique sur le trajet de courant cuivre-cuivre établi précédemment par précontrainte mécanique (figure 6).

Afin de relever différents défis de contact, des jeux de barres en cuivre massif sont disponibles dans une grande variété de profils, y compris des versions droites ou inclinées et des décalages optionnels (hauteurs de décalage variables).

Les contacts sur la face inférieure de l’interconnexion peuvent être codés différemment et peuvent être tournés par incréments de 90° pour éviter tout accouplement accidentel, c’est-à-dire un codage incorrect de câbles d’interconnexion d’apparence similaire sur le jeu de barres en cuivre. 

Comme aucune interface séparable n’offrait une résistance de contact suffisamment faible, une terminaison à boulon a été choisie. Cela a délivré les performances de connexion électrique nécessaires dans les scénarios de vibration à 400 ampères et a nécessité moins de 10 μΩ. Une terminaison à boulon génère la force normale de contact élevée requise au moyen d’un boulon M5 serré avec le couple requis. Le haut et le bas de la zone de contact électrique sont constitués de cuivre à électroplacage (Cu), profilé en anneau avec une surface plane. Cette géométrie maximise la surface de l’interface de contact électrique. La conception du boulon tient compte des différents coefficients de dilatation thermique du cuivre et de l’acier, ce qui permet de minimiser la perte de couple après une exposition environnementale à des températures basses (-40 °C) et élevées (+140 °C). Lors des tests environnementaux, selon LV215, les terminaisons à boulon BCON+ ont conservé le couple de resserrage spécifié jusqu’à la fin de leur durée de vie, démontrant ainsi la sécurité fonctionnelle.

Des joints bout à bout peu encombrants entre les jeux de barres en cuivre massif et les conducteurs électriques individuels peuvent être créés, par exemple, au moyen d’un soudage bout à bout résistant à la soudure. Grâce à la résistance électrique plus élevée des matériaux de soudure entre les deux partenaires de connexion, le courant de soudage génère une fusion locale des éléments de connexion dans la zone de soudure, avec un assemblage bout à bout à faible résistance des partenaires de contact. Dans les conducteurs multibrins, la queue de câble est généralement compactée avant le soudage. Alternativement, une connexion est également possible au moyen d’un chevauchement, en utilisant des procédures de soudage conventionnelles. Cependant, pour optimiser l’utilisation de l’espace disponible, nous avons opté pour un assemblage bout à bout. La figure 7 montre plusieurs options géométriques. La terminaison à boulon BCON+ est conçue pour des sections transversales de conducteurs de 16 mm² à 100 mm².

Les connexions sont possibles avec des conducteurs solides ronds, des conducteurs multibrins (ronds et plats) et des contacts plats en cuivre (droits et décalés). Des attaches de fixation et des couvercles de protection contre l’abrasion mécanique viennent compléter la gamme.

Grâce à leur taille extrêmement compacte, tous les composants du système sont parfaitement adaptés. Ceci s’applique également aux deux contacts profilés en anneau de l’interconnexion électrique. Idéalement, les contacts profilés en anneau sont intégrés dans le contact plat en cuivre. Cependant, ils peuvent également être soudés au contact plat en cuivre en tant que pièces séparées, ou simplement déposés sur le contact plat en cuivre. La résistance de contact requise détermine la méthode à utiliser. Comme pour les jeux de barres en cuivre, les bagues de contact sont en cuivre massif. La zone de contact possède un électroplacage avec de l’argent (Ag) sur du nickel (Ni), le Ni servant de barrière de diffusion et l’Ag protégé contre le ternissement réduisant la résistance au contact et assurant une durée de conservation des composants allant jusqu’à un an après la production. Pendant la production, les contacts plats en cuivre sont solidifiés à une charge définie. Les versions à contact plat en cuivre décalé fonctionnent pour franchir des obstacles ou compenser les décalages.

La résistance de contact réelle inférieure à 10 μΩ est une excellente réussite. Elle résulte principalement des pertes physiquement inévitables causées par la résistance électrique du cuivre (environ 7 μΩ) et, dans une moindre mesure, par la résistance de contact entre les deux contacts profilés en anneau (environ
3 μΩ). Des exigences supplémentaires (par exemple, la protection contre les éclaboussures) peuvent également être mises en œuvre de la même manière. De plus, la terminaison à boulon BCON+ peut être mise à l’échelle pour un courant plus ou moins élevé.