Fabriquer des jeux de barres pour équipements de recharge de véhicules électriques

Un atelier d'appareillage qui aborde le travail pour la recharge de véhicules électriques trouve généralement les pièces faciles et le procédé difficile. Les barres sont petites, les sections minces, l'exigence de tonnage dérisoire. Ce qui piège, c'est que la plage de tolérance est plus serrée qu'en appareillage, que les tailles de lots sont plus faibles, que les plans changent entre deux séries, et qu'une mauvaise arête revient sous forme de défaillance d'isolation dix-huit mois après la mise en service, et non comme une réclamation esthétique à la réception.

À quoi ressemblent les pièces

Les équipements de recharge se répartissent en deux populations de jeux de barres bien distinctes.

Le côté AC et distribution d'une armoire de charge a un air familier : cuivre rectangulaire, 6 à 10 mm d'épaisseur, poinçonné et cintré, raccordements boulonnés — assez proche d'un petit tableau de distribution. Rien d'inhabituel.

C'est du côté DC que le travail change. Les architectures de recharge ont convergé vers des plages de fonctionnement d'environ 200 à 920 V DC pour les installations CCS, la spécification autorisant une étendue de 50 à 1 000 V DC. Le Megawatt Charging System aujourd'hui déployé pour les véhicules lourds est assigné à 1 250 V et 3 000 A DC. Ces chiffres impliquent des conducteurs courts, larges et minces transportant des courants très élevés entre modules de puissance, et ils impliquent que les conducteurs sont assez proches les uns des autres pour que l'air ne suffise plus à isoler.

Le travail typique côté DC et sur les interconnexions de modules va de 1,5 à 6 mm d'épaisseur, souvent moins de 300 mm de long, en quantités allant de quelques dizaines à quelques centaines par configuration. Les pièces sont fréquemment stratifiées ou isolées par film plutôt que nues. Et l'indice de plan change, car l'électronique de puissance d'une armoire de charge suit un cycle produit de deux à trois ans, non de vingt.

Interfaces stratifiées et isolées

Trois approches d'isolation dominent, et chacune impose une exigence différente au métal.

La stratification par film colle du polyester ou du polyimide sur le conducteur, parfois avec deux conducteurs ou plus intégrés à un même empilage pour réduire l'inductance de boucle. Le film est mince, souvent bien en deçà du millimètre, et il doit épouser l'arête du conducteur sans s'amincir ni la ponter.

Le thermolaquage applique une poudre époxy par voie électrostatique et la cuit au four. C'est peu coûteux et cela résiste à la manutention. C'est aussi impitoyable envers les géométries vives, car pendant la cuisson le revêtement s'écoule et la tension superficielle l'écarte des arêtes convexes, laissant le film au plus mince exactement là où le champ est le plus élevé.

Le surmoulage et l'enrobage placent le conducteur dans un moule et moulent la résine autour, ou noient tout l'ensemble. Cela donne le meilleur résultat mécanique et la plus faible tolérance à l'air emprisonné, car une cavité formée pendant le moulage est scellée à l'intérieur et ne peut pas être inspectée autrement que par un essai diélectrique, qui peut d'ailleurs être satisfaisant.

Les recommandations publiées sur le traitement d'arête des jeux de barres stratifiés identifient quatre approches : arête ouverte, arête pincée-scellée, FR4 et arête remplie d'époxy. Le scellage par pincement exige un débord d'isolant d'au moins deux fois l'épaisseur du conducteur au-delà de l'arête de cuivre, et ce débord ne fonctionne que si l'arête de cuivre se trouve là où le plan l'indique. C'est une contrainte de fabrication habillée en choix de conception.

C'est à l'arête que l'isolation cède

La qualité du chanfrein domine ce secteur pour une raison physique que la plupart des spécifications énoncent comme une cote nue, sans dire d'où elle vient.

Commencez par la géométrie. Une arête cisaillée ou poinçonnée n'est pas d'équerre. Elle présente un affaissement côté entrée de matrice, une bande brunie, une zone de rupture et une bavure côté sortie. L'« angle » est en réalité un rayon de quelques dizaines de micromètres et, par endroits, une pointe de bavure de rayon plus petit encore.

Posez maintenant de l'isolation dessus. Quel que soit le procédé, le matériau doit tourner à angle droit autour de cet angle. Le film ponte au lieu d'épouser. La poudre se retire. La résine de moulage doit remplir un angle rentrant contre sa propre tension superficielle et contre l'air qui s'y trouve déjà. Dans chaque cas, le résultat probable est une petite poche d'air emprisonnée entre le conducteur et l'isolant, juste à l'angle.

Cette poche est le problème, pour deux raisons qui se cumulent.

D'abord, c'est là que le champ est le plus élevé. Le champ électrique se concentre sur une entité conductrice convexe, et pour les petits rayons le renforcement local varie à peu près comme l'inverse du rayon. Une pointe de bavure de 20 µm dans un champ confortable sur une face plane n'est pas confortable à la pointe.

Ensuite, l'air est le matériau le plus faible de l'assemblage et il porte plus que sa part du champ. Dans une cavité entourée d'un diélectrique solide, le champ dans la cavité est supérieur à celui du solide à peu près dans le rapport de leurs permittivités relatives. L'époxy et le polyester se situent autour de 3 à 4 ; l'air vaut 1. La cavité voit donc trois à quatre fois le champ de la résine environnante, tout en ayant environ le dixième de sa rigidité diélectrique.

La cavité s'ionise, et une fois ionisée elle ne s'arrête plus. La décharge partielle érode l'isolant de l'intérieur, la cavité érodée grandit, l'activité de décharge grandit avec elle, et la pièce finit par céder à une tension qu'elle a tenue le jour de son essai. La littérature de recherche sur les jeux de barres stratifiés est constante sur ce point : l'amorçage des décharges partielles dans les défauts noyés se produit à quelques kilovolts, ce qui se situe dans la plage de fonctionnement d'une architecture 800 V ou 1 000 V DC dès lors que l'on tient compte des surtensions transitoires.

Une arête arrondie réduit le facteur de renforcement et, plus utilement, elle offre au matériau isolant une géométrie qu'il peut mouiller et épouser. Le champ ne devient jamais uniforme ; il devient supportable. C'est là tout l'argument du chanfreinage dans cette application, et il repose sur la physique et non sur un article de norme.

Ce que disent réellement les normes à ce sujet

IEC 60664-1 est la norme de coordination de l'isolement, et c'est la bonne référence pour les valeurs de distance d'isolement et de ligne de fuite d'une conception de borne de recharge. La distance d'isolement se déduit de la tension assignée de tenue aux chocs combinée au degré de pollution et à l'altitude ; la ligne de fuite se déduit de la tension de service combinée au degré de pollution et à l'indice de résistance au cheminement du matériau isolant. Ce sont les paramètres avec lesquels travaille un concepteur de bornes.

Ce qu'IEC 60664-1 ne fait pas, c'est vous dire de chanfreiner. IEC 61439 non plus. Il faut le dire, car nombre de documents de fournisseurs affirment qu'IEC 61439 impose un rayon d'arête sur les jeux de barres, et aucun article de ce type n'existe. Le rayon d'arête est un moyen technique de satisfaire les dispositions diélectriques, de distance d'isolement et de ligne de fuite, et de rendre un procédé d'isolation produisible. Si la spécification d'un client appelle un rayon particulier, cette valeur est issue de son procédé d'isolation : demandez donc lequel. La réponse change ce que « bon » veut dire : un rayon dimensionné pour un scellage par pincement n'est pas celui dimensionné pour un thermolaquage.

À quoi ressemble une bonne arête à l'atelier

Deux opérations distinctes, souvent confondues.

L'ébavurage retire la bavure et l'oxyde. C'est une opération de conditionnement de surface sur toute la face, et c'est ce que l'on fait avant un revêtement ou avant la pose de tout film adhésif. Une machine d'ébavurage en deux étapes traitant les épaisseurs de 0,5 à 50 mm à 5 à 30 m/min amène tout le lot à un état uniforme, ce qui compte davantage pour l'adhérence du revêtement que l'état moyen obtenu.

Le chanfreinage est un enlèvement maîtrisé de l'angle selon un profil défini. Sur les pièces minces du secteur, c'est là que réside la difficulté, car une barre de 2 mm a très peu d'angle à enlever et un chanfrein appuyé mord dans une section dimensionnée pour le courant. Une machine de chanfreinage CNC travaillant des épaisseurs de 3 à 15 mm à ±0,05 mm de positionnement et de répétabilité, avec une broche BT40 jusqu'à 6000 rpm, produit un profil identique sur la pièce un et sur la pièce quatre cents. Une meuleuse d'établi, non — et sur une pièce stratifiée où le débord de film est spécifié par rapport à l'arête de cuivre, un chanfrein qui dérive est un chanfrein qui déplace l'arête.

La séquence compte autant que les opérations. Chanfreinez avant d'ébavurer, pour que la passe d'ébavurage nettoie la bavure secondaire que soulève l'outil de chanfreinage ; ébavurez avant tout revêtement, car de l'oxyde sous un revêtement est une rupture d'adhérence qui attend son cycle thermique ; et ne cintrez pas après revêtement à moins que la spécification du revêtement ne l'autorise, car la fibre extérieure d'un pli s'allonge et un revêtement continu à 3 mm de rayon peut ne plus l'être à 2 mm. Sur les assemblages stratifiés, le formage doit être achevé avant la stratification, sans exception.

Deux vérifications pratiques attrapent la plupart des problèmes avant la ligne d'isolation. Regardez l'angle sous grossissement plutôt que d'y passer le pouce, car le pouce trouve une bavure et manque un repli rentrant. Et contrôlez le chanfrein sur la dernière pièce d'un lot, pas sur la première, car l'usure d'outil sur le cuivre est lente et cumulative et se traduit par un rayon qui rétrécit progressivement.

Le changement de série est la contrainte de production

Cinquante pièces d'une configuration, puis un changement d'indice, puis quatre-vingts de la suivante. C'est le rythme du travail pour la recharge, et cela signifie que la machine passe plus de temps à être réglée qu'à produire. Trois facteurs décident de la part du poste que vous y perdez.

La capacité de la tourelle d'abord. Une famille de pièces très variée demande beaucoup de diamètres de trous, et tout outil absent de la tourelle est un changement d'outil manuel en cours d'affaire. Un centre d'usinage à 24 postes d'outils, extensibles à 36, enchaînera une liste d'ordres mixtes sans qu'un opérateur touche à l'outillage. La même liste sur une machine à huit postes devient un exercice de séquencement où l'on regroupe les pièces par outil au lieu de le faire par date de livraison, et le coût d'ordonnancement associé reste invisible tant que personne ne le mesure.

Ensuite le temps entre programme et pièce, qui est le plus gros coût caché du travail en petite série. Si un changement d'indice demande une heure de programmation manuelle, une famille de produits sur un cycle de deux ans consomme des semaines de temps d'ingénierie jamais chiffrées. Un logiciel qui importe la géométrie et produit le programme sans ressaisir de cotes supprime à la fois l'heure et les erreurs de recopie qui l'accompagnent.

L'imbrication est le troisième. Des petites pièces issues de matière mince génèrent beaucoup de chutes, et l'imbrication à l'échelle du projet avec bibliothèque de chutes permet à l'affaire suivante de consommer les restes de la précédente. Dans un atelier qui traite cinquante références par mois, cela se voit sur le rendement matière, et pas seulement sur un rack mieux rangé.

Pour le bas du spectre, une machine combinée compacte de 300 kN couvrant 160 × 15 mm apporte normalement bien plus de tonnage qu'il n'en faut. Le tonnage n'a jamais été la contrainte. Le temps de réglage, si.

Si vous vérifiez qu'une section mince acceptera un pli sans fissurer au rayon que votre plan spécifie, le calculateur d'effort de cintrage vous donnera l'effort et vous permettra de contrôler l'ouverture de matrice avant de couper du métal.