Fabricar barra colectora para equipos de recarga de vehículo eléctrico

Un taller de aparamenta que se mete en trabajo de recarga de vehículo eléctrico suele encontrar las piezas fáciles y el proceso difícil. Las barras son pequeñas, las secciones finas, la exigencia de tonelaje trivial. Lo que pilla desprevenida a la gente es que la banda de tolerancia es más estrecha que en el trabajo de aparamenta, los lotes son más pequeños, los planos cambian entre series de producción, y un canto malo vuelve como un fallo de aislamiento dieciocho meses después de la puesta en servicio y no como una queja estética en recepción.

Qué aspecto tienen las piezas

Los equipos de recarga de vehículo eléctrico se reparten en dos poblaciones de barra bastante distintas.

El lado de corriente alterna y distribución del armario del cargador resulta familiar: cobre rectangular, de 6 a 10 mm de espesor, punzonado y doblado, uniones atornilladas, muy parecido a un cuadro de distribución pequeño. No tiene nada de inusual.

El lado de corriente continua es donde cambia el trabajo. Las arquitecturas de carga han convergido en rangos de funcionamiento de aproximadamente 200 a 920 V CC para instalaciones CCS, con la especificación admitiendo hasta 50 a 1,000 V CC. El Megawatt Charging System que ahora se está desplegando para vehículos pesados está asignado a 1,250 V y 3,000 A CC. Esas cifras significan conductores cortos, anchos y finos que llevan corrientes muy altas entre módulos de potencia, y significan que los conductores van tan juntos que el aire por sí solo no está haciendo de aislante.

El trabajo típico del lado de continua y de interconexión de módulos va de 1.5 a 6 mm de espesor, a menudo con menos de 300 mm de longitud, en cantidades de decenas a unos pocos cientos por configuración. Las piezas van con frecuencia laminadas o aisladas con película, no desnudas. Y la revisión del plano cambia, porque la electrónica de potencia dentro de un armario de carga tiene un ciclo de producto de dos a tres años, no de veinte.

Interfaces laminadas y aisladas

Dominan tres enfoques de aislamiento, y cada uno impone una exigencia distinta al metal.

El laminado de película une poliéster o poliimida al conductor, a veces con dos o más conductores integrados en un mismo paquete para reducir la inductancia de lazo. La película es fina, muchas veces bastante por debajo del milímetro, y tiene que adaptarse al canto del conductor sin adelgazar ni tender un puente.

El recubrimiento en polvo aplica polvo epoxi por vía electrostática y lo cura en horno. Es barato y sobrevive a la manipulación. Es también implacable con la geometría viva, porque durante el curado el recubrimiento fluye y la tensión superficial lo retira de los cantos convexos, dejando la película en su punto más fino justo donde el campo es máximo.

El sobremoldeo y el encapsulado meten el conductor en un molde y moldean resina a su alrededor, o encapsulan el conjunto entero. Eso da el mejor resultado mecánico y la menor tolerancia al aire ocluido, porque un hueco formado durante el moldeo queda sellado dentro y no se puede inspeccionar sin un ensayo dieléctrico que puede resultar apto de todos modos.

La orientación publicada sobre acondicionamiento del canto en barra laminada identifica cuatro enfoques: canto abierto, sellado por pinzado, FR4 y canto relleno de epoxi. El sellado por pinzado exige un solape de aislamiento de al menos el doble del espesor del conductor más allá del canto de cobre, y ese solape solo funciona si el canto de cobre está donde dice el plano. Es una restricción de fabricación disfrazada de decisión de diseño.

El canto es donde falla el aislamiento

La calidad del biselado domina este sector por una razón física que la mayoría de las especificaciones enuncia como una cota escueta sin decir de dónde sale.

Empiece por la geometría. Un canto cizallado o punzonado no está a escuadra. Tiene un redondeo del borde de entrada por el lado de la matriz, una banda bruñida, una zona de fractura y una rebaba por el lado de salida. La «esquina» es en realidad un radio de unas pocas decenas de micrómetros y, en algunos puntos, es una punta de rebaba con un radio menor que eso.

Ahora ponga aislamiento encima. Sea cual sea el proceso, el material tiene que dar un giro de noventa grados alrededor de esa esquina. La película tiende un puente en lugar de adaptarse. El polvo se retrae. La resina de moldeo tiene que rellenar una esquina reentrante contra su propia tensión superficial y contra el 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 acumulan.

Primera, el campo es máximo ahí. El campo eléctrico se concentra en un detalle convexo del conductor y, para radios pequeños, el refuerzo local escala aproximadamente con la inversa del radio. Una punta de rebaba de 20 µm en un campo que resulta cómodo a lo largo de una cara plana no es cómoda en la punta.

Segunda, el aire es el material más débil del conjunto y está soportando más campo del que le corresponde. En un hueco rodeado de un dieléctrico sólido, el campo en el hueco es mayor que el campo en el sólido aproximadamente en la relación de sus permitividades relativas. El epoxi y el poliéster están en torno a 3 o 4; el aire está en 1. Así que el hueco ve de tres a cuatro veces el campo de la resina circundante, teniendo aproximadamente la décima parte de su rigidez dieléctrica.

El hueco se ioniza y, una vez que se ioniza, no para. La descarga parcial erosiona el aislamiento desde dentro, la cavidad erosionada crece, la actividad de descarga crece con ella, y la pieza acaba fallando a una tensión que soportó el día que se ensayó. La literatura de investigación sobre barra laminada es coherente en esto: el inicio de descargas parciales en defectos embebidos ocurre a unos pocos kilovoltios, lo que queda dentro del rango de funcionamiento de una arquitectura de 800 V o 1,000 V CC en cuanto se cuentan las sobretensiones transitorias.

Un canto redondeado reduce el factor de refuerzo y, más útil aún, da al material aislante una geometría que puede mojar y a la que puede adaptarse. El campo nunca llega a ser uniforme; llega a ser soportable. Ese es todo el argumento a favor del biselado en esta aplicación, y se apoya en la física y no en un apartado normativo.

Qué dicen realmente las normas al respecto

IEC 60664-1 es la norma de coordinación de aislamiento y es la referencia correcta para las cifras de distancias en el aire y líneas de fuga en el diseño de un cargador. La distancia en el aire sale de la tensión soportada a impulsos asignada combinada con el grado de contaminación y la altitud; la línea de fuga sale de la tensión de trabajo combinada con el grado de contaminación y el índice comparativo de trazado del material aislante. Esos son los parámetros con los que trabaja un diseñador de recarga de vehículo eléctrico.

Lo que IEC 60664-1 no hace es decirle que bisele. Tampoco lo hace IEC 61439. Conviene decirlo, porque bastante material de proveedores afirma que IEC 61439 obliga a un radio de canto en la barra, y no existe tal apartado. El radio de canto es un medio de ingeniería para cumplir las prescripciones dieléctricas, de distancias en el aire y de líneas de fuga, y para hacer producible un proceso de aislamiento. Si la especificación de un cliente pide un radio concreto, esa cifra salió de su proceso de aislamiento, así que pregunte de qué proceso se trata. La respuesta cambia lo que significa «bueno»: un radio dimensionado para sellado por pinzado no es el radio dimensionado para recubrimiento en polvo.

Qué aspecto tiene un buen canto en el taller

Dos operaciones distintas, confundidas a menudo.

El desbarbado elimina la rebaba y el óxido. Es una operación de acondicionamiento superficial en toda la cara, y es lo que se hace antes de recubrir o antes de que se aplique cualquier película con adhesivo. Una máquina de desbarbado en dos etapas que admite de 0.5 a 50 mm de espesor a 5 a 30 m/min deja todo el lote en un estado uniforme, lo que para la adherencia del recubrimiento importa más que el acabado medio.

El biselado es una eliminación controlada de la esquina hasta un perfil definido. En piezas finas de vehículo eléctrico es donde está la dificultad, porque una barra de 2 mm tiene muy poca esquina que quitar y un bisel de mano pesada se come una sección que se dimensionó para una corriente. Una biseladora CNC que trabaja material de 3 a 15 mm de espesor con ±0.05 mm de posicionamiento y repetibilidad, y husillo BT40 hasta 6,000 rpm, produce un perfil idéntico en la pieza uno y en la cuatrocientos. Una esmeriladora de banco no, y en una pieza laminada donde el solape de la película se especifica contra el canto de cobre, un bisel que deriva es un bisel que mueve el canto.

La secuencia importa tanto como las operaciones. Bisele antes de desbarbar, para que la pasada de desbarbado limpie la rebaba secundaria que levanta la fresa de biselado; desbarbe antes de cualquier recubrimiento, porque el óxido bajo un recubrimiento es un fallo de adherencia esperando a un ciclo térmico; y no doble después de recubrir salvo que la especificación del recubrimiento lo permita, porque la fibra exterior de un doblez se estira y un recubrimiento que era continuo con radio de 3 mm puede no serlo con 2 mm. En conjuntos laminados, el conformado tiene que estar terminado antes del laminado, y punto.

Dos comprobaciones prácticas que atajan la mayoría de los problemas antes de que lleguen a la línea de aislamiento. Mire la esquina con aumento en lugar de pasar el pulgar, porque el pulgar encuentra una rebaba y se pierde un pliegue reentrante. Y compruebe el bisel en la última pieza de un lote, no en la primera, porque el desgaste de herramienta en cobre es lento y acumulativo y se manifiesta como un radio que va menguando.

El cambio de serie es la limitación de producción

Cincuenta piezas de una configuración, después una revisión, después ochenta de la siguiente. Ese es el ritmo del trabajo de recarga de vehículo eléctrico, y significa que la máquina pasa más vida preparándose que produciendo. Tres cosas deciden cuánto turno se pierde en ello.

La capacidad de la torreta, lo primero. Una familia de piezas de mucha variedad necesita muchos tamaños de agujero, y toda herramienta que no esté en la torreta es un cambio manual a mitad de trabajo. Un centro de procesamiento con 24 estaciones de herramienta, ampliables a 36, ejecutará una lista de trabajos mixta sin que el operario toque el utillaje. El mismo trabajo en una máquina de ocho estaciones se convierte en un ejercicio de secuenciación donde usted agrupa piezas por herramienta en lugar de por fecha de entrega, y el coste de planificación de eso permanece invisible hasta que alguien lo mide.

Después el tiempo de programa a pieza, que es el mayor coste oculto del trabajo de bajo volumen. Si una revisión cuesta una hora de programación manual, una familia de producto con ciclo de dos años quema semanas de horas de ingeniería que nunca se presupuestaron. Un software que importa la geometría y produce el programa sin volver a teclear cotas elimina a la vez la hora y los errores de transcripción que trae el teclear de nuevo.

El anidado es lo tercero. Las piezas pequeñas a partir de material fino generan muchos recortes, y el anidado de proyecto completo con almacén de sobrantes permite que el siguiente trabajo consuma los restos del anterior. En un taller que maneja cincuenta referencias al mes eso aparece en la cifra de aprovechamiento de material, no solo en una estantería más ordenada.

Para el extremo más ligero del trabajo, una máquina multifunción compacta de 300 kN que cubre 160 × 15 mm suele ser tonelaje más que de sobra. El tonelaje nunca fue la limitación. Lo fue el tiempo de preparación.

Si está comprobando si una sección fina admitirá un doblez sin agrietarse al radio que especifica su plano, la calculadora de fuerza de doblado le dará la fuerza y le permitirá contrastar la abertura de matriz antes de cortar metal.