Fabricar barra colectora para equipos de recarga de vehículo eléctrico

Un taller de cuadros eléctricos que asume trabajo de carga para vehículos eléctricos encuentra que las piezas son fáciles pero el proceso es difícil. Las barras son pequeñas, los perfiles son delgados, la tonelaje requerido es trivial. Lo que genera problemas es la banda de tolerancia más estrecha, los lotes más pequeños, los cambios de plano entre series de producción y la aparición de bordes defectuosos como fallos de aislamiento dieciocho meses después del servicio en lugar de quejas estéticas en la recepción.

Apariencia de las piezas

El equipo de carga para vehículos eléctricos se divide en dos poblaciones de barras colectoras bastante diferentes.

El lado de corriente alterna y distribución de un armario de carga es convencional: cobre rectangular, de 6 a 10 mm de espesor, punzonado y doblado, uniones atornilladas, similar a un pequeño tablero de distribución. Esto no es inusual.

El lado de corriente continua es donde el trabajo cambia. Las arquitecturas de carga se han convergido en rangos de operación de aproximadamente 200 a 920 V de CC para instalaciones CCS, con la especificación permitiendo un rango tan amplio como 50 a 1000 V de CC. El Sistema de Carga de Megavatio que ahora se está desplegando para vehículos pesados está clasificado a 1.250 V y 3.000 A de CC. Esos números implican conductores cortos, anchos y delgados que transportan corriente muy alta entre módulos de potencia, y que están empaquetados lo suficientemente cerca como para que el aire por sí solo no proporcione el aislamiento.

El trabajo típico del lado de CC y de interconexión de módulos suele tener de 1,5 a 6 mm de espesor, frecuentemente menos de 300 mm de longitud, en cantidades de decenas a cientos bajos por configuración. Las piezas son frecuentemente laminadas o aisladas con película en lugar de estar desnudas. La revisión del plano cambia porque la electrónica de potencia dentro de un armario de carga está en un ciclo de producto de dos a tres años, no de veinte.

Interficies laminadas e aisladas

Tres enfoques de aislamiento predominan, cada uno imponiendo una demanda diferente sobre el metal.

La laminación con película une poliéster o poliimida al conductor, a veces con dos o más conductores incorporados en una sola pila para reducir la inductancia de lazo. La película es delgada, a menudo claramente menos de un milímetro, y debe conformarse al borde del conductor sin adelgazarse ni formar puentes.

El recubrimiento en polvo aplica polvo de epoxi electrostáticamente y lo cura en un horno. Es económico y resiste el manejo. También es implacable con la geometría afilada, porque durante la cura el recubrimiento fluye y la tensión superficial lo aleja de los bordes convexos, dejando la película más delgada exactamente donde el campo eléctrico es más alto.

El sobremoldeo y encapsulado colocan el conductor en un utillaje y moldean resina a su alrededor, o incrustan toda la ensambladura. Esto proporciona el mejor resultado mecánico y la menor tolerancia al aire atrapado, porque un vacío formado durante el moldeo queda sellado dentro y no puede ser inspeccionado sin una prueba dieléctrica que podría pasar igualmente.

La orientación publicada sobre el acondicionamiento de bordes para barras colectoras laminadas identifica cuatro enfoques: borde abierto, sellado por compresión, borde relleno con FR4 y epoxi. El sellado por compresión requiere una superposición de aislamiento de al menos dos veces el espesor del conductor más allá del borde del cobre, y esa superposición solo funciona si el borde del cobre está donde indica el plano. Esta es una restricción de fabricación disfrazada de opción de diseño.

El borde es donde falla el aislamiento

La calidad del chaflán domina este sector por una razón física que la mayoría de las especificaciones indican como una dimensión pura, sin explicar su origen.

La geometría parte de los hechos. Un borde cortado por cizalla o punzonado no es cuadrado. Tiene un reborde en el lado de entrada de la matriz, una banda bruñida, una zona de fractura y una rebaba en el lado de salida. La "esquina" es efectivamente un radio de unas pocas decenas de micrómetros, y en lugares es una punta de rebaba con un radio menor que eso.

El aislamiento aplicado a esto debe hacer un giro de ángulo recto alrededor de esa esquina. La lámina hace puente en vez de adaptarse. El polvo se retrae. La resina moldeada debe rellenar una esquina cóncava contra su propia tensión superficial y contra cualquier aire que ya esté ahí. En cada caso, el resultado probable es una pequeña bolsa de aire atrapada entre el conductor y el aislamiento, justo en la esquina.

Esa bolsa es el problema, por dos razones que se combinan.

En primer lugar, el campo es más alto allí. El campo eléctrico se concentra en una protuberancia convexa del conductor, y para radios pequeños, la mejora local escala aproximadamente con el inverso del radio. Una punta de rebaba de 20 µm en un campo que es tolerable a través de una cara plana, no es tolerable en la punta.

En segundo lugar, el aire es el material más débil en el ensamblaje y soporta más de su parte del campo. En un vacío rodeado por un dieléctrico sólido, el campo en el vacío es mayor que el campo en el sólido aproximadamente en la relación de sus permitividades relativas. Los epóxidos y poliésteres se sitúan alrededor de 3 a 4; el aire es 1. Así que el vacío ve entre tres y cuatro veces el campo de la resina circundante, mientras tiene aproximadamente una décima parte de su resistencia dieléctrica.

El vacío se ioniza, y una vez ionizado no se detiene. La descarga parcial erosiona el aislamiento desde dentro, la cavidad erosionada crece, la actividad de descarga crece con ella, y la pieza eventualmente falla a un voltaje que soportó el día en que se probó. La literatura de investigación sobre barras colectoras laminadas es consistente en esto: la iniciación de descarga parcial en defectos embebidos ocurre a unos pocos kilovolts, lo que está dentro del rango de operación de una arquitectura de 800 V o 1000 V DC una vez que se contabilizan los sobretransitorios de voltaje.

Un borde con radio reduce el factor de mejora y ofrece al material aislante una geometría a la que puede humedecerse y adaptarse. El campo nunca se vuelve uniforme; se vuelve soportable. Ese es todo el argumento para el chaflán en esta aplicación, y se basa en la física más que en una cláusula.

Lo que los estándares realmente dicen al respecto

IEC 60664-1 es el estándar de coordinación del aislamiento y la referencia correcta para los números de distancia de soleo y de recorrido en un diseño de cargador. La distancia de soleo proviene del voltaje nominal de resistencia a impulsos combinado con el grado de contaminación y la altitud; el recorrido proviene del voltaje de funcionamiento combinado con el grado de contaminación y el índice de seguimiento comparativo del material aislante. Esos son los parámetros con los que trabaja un diseñador de cargadores para vehículos eléctricos.

IEC 60664-1 no requiere un chaflán. Tampoco lo hace IEC 61439. Esto debe afirmarse, porque gran parte del material de proveedores afirma que IEC 61439 exige un radio de borde en la barra colectora, y no existe tal cláusula. El radio de borde es una solución de ingeniería para cumplir con las disposiciones de dieléctrico, distancia de soleo y recorrido, y para hacer un proceso de aislamiento producible. Una especificación de cliente que exige un radio particular implica que ese número provino de su proceso de aislamiento; el proceso específico debe ser identificado. La respuesta cambia lo que "bueno" significa: un radio dimensionado para sellado por pellizco no es el radio dimensionado para pintura en polvo.

Aspecto de un buen borde en planta

Dos operaciones separadas suelen confundirse.

El desbarbado elimina el rebaba y el óxido. Es una operación de condición superficial en toda la cara, realizada antes del recubrimiento o antes de colocar cualquier película adhesiva. Una máquina de desbarbado de dos etapas que maneja espesores de 0.5 a 50 mm a 5 a 30 m/min lleva todo el lote a una condición uniforme, lo cual es más importante para la adhesión del recubrimiento que el acabado promedio.

El chaflanado es una eliminación controlada de la esquina hasta un perfil definido. En piezas EV delgadas aquí radica la dificultad, porque una barra colectora de 2 mm tiene muy poca esquina para eliminar y un chaflanado agresivo recorta una sección que se dimensionó para la corriente. Una máquina chaflanadora CNC que trabaja con material de 3 a 15 mm de espesor con posicionamiento y repetibilidad de ±0.05 mm, con husillo BT40 hasta 6,000 rpm, produce un perfil idéntico en la pieza uno y la pieza cuatrocientas. Un esmeril de banco no lo logra, y en una pieza laminada donde el solapamiento de la película se especifica contra el borde de cobre, un chaflanado irregular desplaza el borde.

El orden importa tanto como las operaciones. Chaflanar antes de desbarbar, de modo que el paso de desbarbado limpie la rebaba secundaria que levanta el cortador de chaflanado; desbarbar antes de cualquier recubrimiento o galvanizado, porque el óxido bajo un recubrimiento es una falta de adherencia esperando un ciclo térmico; y el doblado después del recubrimiento no debe realizarse a menos que la especificación del recubrimiento lo permita, porque la fibra externa de un doblez se estira y un recubrimiento que era continuo a un radio de 3 mm puede no serlo a 2 mm. En ensambles laminados, la conformación debe finalizar antes de la laminación.

Dos verificaciones prácticas detectan la mayoría de los problemas antes de llegar a la línea de aislamiento. El examen con aumento, en lugar de pasar el pulgar, revela un pliegue retrantrante que el pulgar pasaría por alto. El chaflanado de la última pieza de un lote, no de la primera, debe verificarse, porque el desgaste de herramienta en cobre es lento y acumulativo y se manifiesta como un radio que disminuye gradualmente.

El cambio de modelo es la limitación de producción

Cincuenta piezas de una configuración, luego una revisión, luego ochenta de la siguiente. Ese es el ritmo del trabajo de carga EV, y significa que la máquina pasa más tiempo siendo configurada que en funcionamiento. Tres factores determinan la magnitud del tiempo de producción perdido en la puesta a punto.

La capacidad del torreta es lo primero. Una familia de piezas de alta variación necesita muchos tamaños de taladro, y cada herramienta que no está en la torreta es un cambio manual de herramienta a mitad del trabajo. Un centro de procesamiento con 24 estaciones de herramientas, ampliables a 36, ejecutará una lista de trabajos mixta sin que un operador toque la herramientería. El mismo trabajo en una máquina con ocho estaciones se convierte en un ejercicio de secuenciación donde las piezas se agrupan por herramienta en lugar de por fecha de entrega, y el costo de planificación de eso permanece invisible hasta que se mide.

El tiempo de programa a pieza es el mayor costo oculto en trabajos de bajo volumen. Una revisión que toma una hora de programación manual significa que una familia de productos en un ciclo de dos años consume semanas de tiempo de ingeniería que nunca se cotizó. Un software que importa la geometría y genera el programa sin reinscribir dimensiones elimina tanto la hora como los errores de transcripción que surgen de reinscribir.

El anidamiento es el tercero. Piezas pequeñas de material delgado generan mucho recorte, y un anidamiento de proyecto completo con biblioteca de restos permite que el siguiente trabajo consuma los remanentes del anterior. En una planta que maneja cincuenta números de pieza al mes esto se refleja en la cifra de rendimiento de material, no solo en un estante más ordenado.

Para el extremo más ligero del trabajo, una máquina compacta todo en uno de 300 kN cubriendo 160 × 15 mm es normalmente más que suficiente en tonelaje. El tonelaje nunca fue la limitación. El tiempo de puesta a punto sí lo era.

La verificación de que una sección delgada resistirá una flexión sin presentar grietas en el radio especificado en el plano se realiza con la calculadora de fuerza de doblado, que proporciona la fuerza y permite verificar la apertura del troquel antes de cortar el material.