Whitepaper: Sistema de conexão de alta tensão BCON+

O aumento da pressão para reduzir as emissões de carbono está impulsionando a introdução de sistemas de propulsão eletrificados dentro dos veículos. A principal fonte de energia elétrica vem da bateria, enquanto em um veículo de célula de combustível de hidrogênio, a bateria funciona como um buffer da carga em pico. A bateria é, portanto, o núcleo de eletrificação do grupo motopropulsor. As baterias usadas nessas aplicações consistem em muitas células individuais que são agrupadas em módulos. Durante todos os modos de operação do veículo, a energia deve fluir com segurança para dentro e para fora da bateria. Portanto, as conexões do módulo devem ser capazes de transportar correntes de até 600 Amp durante um ciclo de carga de alta potência, mas até um fator maior durante os modos de acionamento dinâmico que duram apenas segundos. 

As conexões do módulo de bateria também constituem a camada física para proteção da bateria (desligamento por sobretemperatura), gerenciamento da bateria (estados de carga, por exemplo, estado de carga SoC) e balanceamento de célula (equalização de tensão de carga entre células com diferentes níveis de SoC). Para garantir essas operações, cada módulo de bateria de transmissão individual deve apresentar conexões elétricas à prova de falhas. Isso requer sistemas de contatos altamente integrados, que não só devem ser capazes de suportar a funcionalidade total durante toda a vida útil do veículo (geralmente 300.000 km/186.500 milhas em dez anos), mas também são robustos o suficiente para evitar que a vibração e o estresse de temperatura afetem inadequadamente as propriedades mecânicas e elétricas dos contatos. Os contatos também devem ser totalmente anticontato, a fim de eliminar riscos potenciais de alta tensão e alta potência em veículos particulares e comerciais e garantir a segurança para os clientes e o pessoal de serviço, bem como a conformidade normativa.

A proteção completa anticontato dos sistemas de conexão em estado acoplado e não acoplado permite o manuseio seguro dos módulos da bateria durante a montagem da bateria. Em particular, nos cenários de inspeção ou reparo regulares ao longo da vida útil de um veículo, os módulos de bateria podem ser manuseados com facilidade e segurança por eletricistas treinados, sem a necessidade de ferramentas especiais caras ou procedimentos de segurança complicados.

A TE Connectivity se baseou na extensa especialização em física de contato automotivo na tecnologia de conexão de cobre e alumínio para desenvolver uma solução de interconexão inovadora para baterias de tração. O novo sistema de terminação de parafusos BCON+ atende a todos os requisitos dessa aplicação exigente. O sistema de conexão de alta tensão BCON+ é uma terminação aparafusada que pode ser facilmente desacoplada (para diagnóstico ou reciclagem), ao mesmo tempo em que é totalmente anticontato com a proteção IPxxB, seguindo a ISO 20653. O caminho mecânico da terminação do parafuso e o caminho elétrico (conexão cobre a cobre de baixa impedância) são funcionalmente distanciados para garantir robustez e fácil manuseio dos contatos nas condições de fabricação.

O sistema de terminação de parafusos BCON+ foi projetado para a máxima flexibilidade das conexões de módulos e outras terminações de energia em uma ampla variedade de aplicações de interconexão nas arquiteturas de desempenho elétrico. Figura 1.

Os contatos do módulo da bateria em um veículo eletrificado devem atender a requisitos muito altos. Portanto, o objetivo foi projetar todos os condutores e conexões para lidar com correntes constantes de 400 Amp (mais picos curtos de até 1.200 Amp) e tensões de até 1.000 V, e operar de modo confiável a temperaturas ambientais típicas da bateria de -40 °C a +80 °C. Os materiais de conectores selecionados no final funcionarão de modo confiável até 140 °C. O principal desafio foi alcançar uma resistência de contato muito baixa nos pontos de contato individuais com perdas mínimas de energia, próximas às de baterias comerciais. Os contatos BCON+ apresentam resistência ao contato
<10 μΩ a cada lado, em todo o sistema de interconexão.

O conector do módulo foi projetado para alcançar resistência à vibração para o nível de gravidade 3 (LV214, SG 3), cumprindo as normas ambientais de sistemas não selados de acordo com a especificação de teste do fabricante LV215.

Um sistema de terminação desse tipo deve oferecer uma montagem fácil e segura. Dependendo da configuração do veículo e da bateria, também deve fornecer flexibilidade na configuração. Isso se aplica a conexões sujeitas a restrições geométricas, bem como a conexão de diferentes tipos de condutores. Além disso, as interconexões do módulo devem atender aos requisitos de vida útil de 300.000 km (186.500 milhas) ou dez anos e suportar até 25 ciclos de acoplamento e aparafusamento. Em um veículo eletrificado, o estresse do carregamento permanente aumenta ainda mais as demandas sobre a robustez do componente da bateria e os tempos de carregamento devem ser adicionados ao tempo total de operação.

A terminação do módulo de bateria BCON+ consiste em perfis de alumínio e cobre na interface da bateria e em tipos flexíveis de condutores no lado da equipotencialização aço a aço.

A interconexão celular real é geralmente alcançada por meio de barramentos de alumínio planos, que servem como um contato para todas as células interconectadas dentro do módulo (conforme ilustrado na figura 2). Cada módulo é conectado ao sistema de bateria de alta tensão via conexões planas feitas de cobre sólido (barramentos de cobre). Elas integram a parte inferior da interface de cobre galvanizada com uma inserção de rosca feita de aço temperado. A interface com o soquete plug-in é um parafuso inserido integrado na terminação de um fio de cobre multifilar (cabo de alta tensão), que é convertido em cobre sólido, ou em um condutor maciço redondo (figura 2).

Na terminação BCON+, o contato do cabo de alta tensão é acoplado à interface de cobre feminina (figura 3). A correspondência da codificação (= interconexão correta) libera um processo de pré-engate, que bloqueia o cabo no barramento para permitir uma fácil montagem com as duas mãos durante o processo de aparafusamento subsequente (e também a montagem sobre a cabeça).

Ambas as peças de contato estão fechadas em uma caixa superior e outra inferior, feitas de plástico reforçado com fibra de vidro para evitar o contato inadvertido do dedo com peças ativas (IPXXB = nenhum contato com objetos >12 mm de diâmetro e comprimento máximo de 80 mm). A resistência à chama das peças plásticas corresponde ao padrão HB; a proteção V0 está disponível apenas mediante solicitação. A forma da caixa faz um uso ideal do espaço de instalação disponível (figura 4), garantindo máxima segurança mesmo em um espaço de instalação limitado. Todas as peças ativas são fechadas em caixas e cobertas por revestimento de silicone ou capa de cabo de tecido de fibra de vidro resistente à alta temperatura.

As interconexões entre os barramentos de alumínio e interfaces de cobre sólido (isto é, a interconexão entre o condutor multifilar no lado do cabo e a interface de cobre) são criadas por meio de várias tecnologias de soldagem ou equipotencialização.

O parafuso M5 cativo usado para apertar as interfaces redondas de cobre foi desenvolvido pela TE Connectivity com material temperado. A cabeça do parafuso é sobremoldada com plástico e é apertada com um hexalobular interno padrão. O parafuso de aço cruza ambas as interfaces redondas com uma superfície de montagem plana e, em seguida, aparafusa a manga roscada por meio da parte inferior do conector de terminação do parafuso BCON+ (figura 5).

Essa construção aplica tensão mecânica apenas no sistema de aço a aço, totalmente separada da função de interconexão elétrica no caminho de corrente cobre a cobre estabelecida anteriormente, pela pré-tensão mecânica (figura 6).

Para enfrentar diferentes desafios de contato, os barramentos de ônibus de cobre sólido estão disponíveis em uma grande variedade de perfis, incluindo versões retas ou angulares e deslocamentos opcionais (= diferentes alturas de deslocamento).

Os contatos na parte inferior da interconexão podem ter códigos diferentes e ser girados em incrementos de 90° para evitar o acoplamento inadvertido, isto é, a codificação incorreta de cabos de interconexão semelhantes no barramento de cobre. 

Uma vez que nenhuma interface separável forneceu resistência de contato suficientemente baixa, uma terminação de parafuso foi selecionada. Isso forneceu, a 400 A e <10 μΩ exigidos, o desempenho de conexão elétrica necessário nos cenários de vibração. Uma terminação de parafuso gera a força normal de alto contato exigida, por meio de um parafuso M5 apertado com o torque necessário. A parte superior e inferior da área de contato elétrico consiste em cobre galvanizado, perfilado em anel com superfície plana. Essa geometria maximiza a área de superfície da interface de contato elétrico. O design do parafuso considera os diferentes coeficientes de expansão térmica do cobre e do aço, resultando em perda mínima de torque após exposição ambiental a temperaturas baixas (-40 °C) e altas (+140 °C). Nos testes ambientais, segundo a LV215, as terminações de parafuso BCON+ mantiveram o torque de reaperto especificado até o fim da vida útil, demonstrando assim a segurança funcional.

Podem ser criadas juntas de topo, com economia de espaço entre os barramentos de cobre maciço e os condutores elétricos individuais, por exemplo, por meio de solda de topo com resistência de solda de topo. Graças à maior resistência elétrica de materiais de solda dura entre ambos os parceiros de conexão, a corrente de soldagem gera o derretimento local dos elementos de conexão na área da solda, com subsequente junção de topo substância a substância de baixa resistência dos parceiros de contato. Em fios multifilares, a cauda do cabo é geralmente compactada antes da soldagem. Como alternativa, uma conexão também é possível por meio de sobreposição, usando procedimentos de soldagem convencionais. No entanto, para otimizar o espaço disponível, optamos pela junção de topo. A Figura 7 mostra várias opções geométricas. A terminação do parafuso BCON+ foi projetada para seções transversais do condutor de 16 mm² a 100 mm².

As conexões são possíveis com condutores sólidos redondos, condutores de fios multifilares (redondos e planos) e contatos planos de cobre (retos e de deslocamento). Os clipes de fixação e as capas protetoras contra abrasão mecânica completam o portfólio.

Graças ao tamanho extremamente compacto, todos os componentes do sistema são perfeitamente combinados. Isso também se aplica aos dois contatos com perfil de anel da interconexão elétrica. Idealmente, os contatos com perfil de anel são integrados ao contato plano de cobre. No entanto, eles também podem ser soldados ao contato plano de cobre como peças separadas, ou simplesmente derrubados no contato plano de cobre. A resistência de contato exigida determina qual método pode ser usado. Assim como as barras de cobre, os anéis de contato são feitos de cobre sólido. A área de contato é galvanizada com prata (Ag) sobre níquel (Ni), com o Ni servindo como barreira de difusão e Ag protegida contra manchas diminuindo a resistência de contato e garantindo a vida útil do componente em até um ano após a produção. Durante a produção, os contatos planos de cobre são solidificados em uma carga definida. As versões de contato plano de cobre deslocado funcionam para saltar obstáculos ou compensar deslocamentos.

A resistência de contato real de <10 μΩ é uma excelente conquista. Resulta principalmente das perdas fisicamente inevitáveis causadas pela resistência elétrica do cobre (aproximadamente 7 μΩ) e, em menor grau, da resistência do contato entre os dois contatos com perfil de anel (aproximadamente
3 μΩ). Requisitos adicionais (por exemplo, proteção contra água de respingo) também podem ser implementados da mesma forma. Além disso, a terminação do parafuso BCON+ pode ser dimensionada para corrente mais alta ou mais baixa.