Produkcja szyn prądowych do infrastruktury ładowania EV

Zakład rozdzielnicowy, który bierze pracę przy ładowaniu EV, zwykle stwierdza, że detale są łatwe, a proces trudny. Szyny są małe, przekroje cienkie, a wymagana siła nacisku znikoma. Zaskakuje natomiast to, że pasmo tolerancji jest ciaśniejsze niż przy rozdzielnicach, partie są mniejsze, rysunki zmieniają się między seriami, a zła krawędź wraca jako uszkodzenie izolacji po osiemnastu miesiącach eksploatacji, a nie jako reklamacja wyglądu przy przyjęciu.

Jak wyglądają te detale

Wyposażenie do ładowania EV dzieli się na dwie całkiem różne populacje szyn prądowych.

Strona AC i rozdziału w szafie ładowarki wygląda znajomo: miedź prostokątna o grubości 6 do 10 mm, wykrawana i gięta, połączenia śrubowe, mniej więcej jak w małej rozdzielnicy. Nie ma w tym nic nietypowego.

Praca zmienia się po stronie DC. Architektury ładowania zbiegły się do zakresów pracy mniej więcej 200 do 920 V DC dla instalacji CCS, przy specyfikacji dopuszczającej nawet 50 do 1000 V DC. Wdrażany obecnie dla pojazdów ciężkich Megawatt Charging System ma parametry znamionowe 1250 V i 3000 A DC. Te liczby oznaczają krótkie, szerokie, cienkie przewody niosące bardzo duży prąd między modułami mocy oraz to, że przewody są upakowane na tyle blisko siebie, że samo powietrze nie pełni już funkcji izolacji.

Typowe prace po stronie DC i przy połączeniach międzymodułowych to grubości 1,5 do 6 mm, często poniżej 300 mm długości, w ilościach od kilkudziesięciu do niewielu setek na konfigurację. Detale są często laminowane albo izolowane folią, a nie gołe. A wersja rysunku się zmienia, bo energoelektronika wewnątrz szafy ładowarki ma cykl życia wyrobu dwu-, trzyletni, a nie dwudziestoletni.

Styki laminowane i izolowane

Dominują trzy podejścia do izolacji i każde stawia metalowi inne wymaganie.

Laminowanie folią łączy poliester albo poliimid z przewodem, czasem z dwoma lub więcej przewodami zabudowanymi w jeden pakiet, żeby obniżyć indukcyjność pętli. Folia jest cienka, często znacznie poniżej milimetra, i musi ułożyć się na krawędzi przewodu bez cienienia i bez mostkowania.

Malowanie proszkowe nakłada proszek epoksydowy elektrostatycznie i utwardza go w piecu. Jest tanie i przetrwa obchodzenie się z materiałem. Jest też bezlitosne dla ostrej geometrii, bo podczas utwardzania powłoka płynie, a napięcie powierzchniowe odciąga ją od krawędzi wypukłych, zostawiając powłokę najcieńszą dokładnie tam, gdzie pole jest największe.

Nakładanie w formie i zalewanie umieszczają przewód w narzędziu i formują wokół niego żywicę albo zalewają cały zespół. Daje to najlepszy wynik mechaniczny i najmniejszą tolerancję dla uwięzionego powietrza, bo pustka powstała podczas formowania zostaje zamknięta w środku i nie da się jej skontrolować inaczej niż próbą wytrzymałości elektrycznej, którą i tak może przejść.

Publikowane wytyczne dotyczące wykończenia krawędzi szyn laminowanych wymieniają cztery podejścia: krawędź otwarta, uszczelnienie zaciskowe, FR4 i krawędź wypełniona żywicą epoksydową. Uszczelnienie zaciskowe wymaga zakładki izolacji sięgającej co najmniej dwie grubości przewodu poza krawędź miedzi, a ta zakładka działa tylko wtedy, gdy krawędź miedzi jest tam, gdzie mówi rysunek. To ograniczenie produkcyjne przebrane za wybór konstrukcyjny.

To na krawędzi zawodzi izolacja

Jakość fazowania dominuje w tym sektorze z przyczyny fizycznej, którą większość specyfikacji podaje jako samą liczbę, nie mówiąc, skąd się bierze.

Zacznij od geometrii. Krawędź cięta albo wykrawana nie jest prostopadła. Ma zaokrąglenie po stronie wejścia do matrycy, pasmo gładzone, strefę przełomu i zadzior po stronie wyjścia. „Narożnik" jest w praktyce promieniem kilkudziesięciu mikrometrów, a miejscami wierzchołkiem zadzioru o promieniu jeszcze mniejszym.

Nałóż na to izolację. Niezależnie od procesu materiał musi wykonać wokół tego narożnika obrót o kąt prosty. Folia mostkuje, zamiast się ułożyć. Proszek się cofa. Żywica formowana musi wypełnić narożnik wklęsły wbrew własnemu napięciu powierzchniowemu i wbrew powietrzu, które już tam jest. W każdym z tych przypadków prawdopodobnym wynikiem jest mała kieszeń powietrza uwięziona między przewodem a izolacją, dokładnie w narożniku.

Ta kieszeń jest problemem z dwóch powodów, które się nakładają.

Po pierwsze, pole jest tam największe. Pole elektryczne koncentruje się na wypukłym elemencie przewodu, a dla małych promieni miejscowe wzmocnienie skaluje się mniej więcej z odwrotnością promienia. Wierzchołek zadzioru 20 µm w polu, które na płaskiej powierzchni jest wygodne, nie jest już wygodny.

Po drugie, powietrze jest najsłabszym materiałem w zespole i przenosi więcej pola, niż mu się należy. W pustce otoczonej dielektrykiem stałym pole w pustce jest wyższe niż w ciele stałym mniej więcej w stosunku ich przenikalności względnych. Żywica epoksydowa i poliester mieszczą się w okolicach 3 do 4; powietrze ma 1. Pustka widzi więc trzy- do czterokrotnie większe pole niż otaczająca żywica, mając przy tym mniej więcej dziesiątą część jej wytrzymałości elektrycznej.

Pustka jonizuje się, a gdy raz zjonizuje, nie przestaje. Wyładowania niezupełne erodują izolację od środka, wyerodowana kawerna rośnie, aktywność wyładowań rośnie razem z nią, a detal w końcu ulega uszkodzeniu przy napięciu, które wytrzymał w dniu badania. Literatura badawcza dotycząca szyn laminowanych jest w tym spójna: początek wyładowań niezupełnych w zatopionych wadach następuje przy kilku kilowoltach, czyli wewnątrz zakresu pracy architektury 800 V albo 1000 V DC, gdy uwzględni się przepięcia przejściowe.

Zaokrąglona krawędź obniża współczynnik wzmocnienia pola, a co bardziej użyteczne, daje materiałowi izolacyjnemu geometrię, którą jest w stanie zwilżyć i na której potrafi się ułożyć. Pole nigdy nie staje się jednorodne; staje się możliwe do przeżycia. To cały argument za fazowaniem w tym zastosowaniu i opiera się on na fizyce, a nie na punkcie normy.

Co normy faktycznie o tym mówią

IEC 60664-1 jest normą koordynacji izolacji i jest właściwym odniesieniem dla wartości przerw powietrznych i dróg upływu w projekcie ładowarki. Przerwa powietrzna wynika ze znamionowego napięcia udarowego wytrzymywanego wraz ze stopniem zanieczyszczenia i wysokością nad poziomem morza; droga upływu z napięcia roboczego wraz ze stopniem zanieczyszczenia i porównawczym wskaźnikiem odporności na prądy pełzające materiału izolacyjnego. To są parametry, według których pracuje projektant ładowarki EV.

Czego IEC 60664-1 nie robi, to nie każe fazować. Nie każe też IEC 61439. Trzeba to powiedzieć, bo spora część materiałów dostawców twierdzi, że IEC 61439 nakazuje promień krawędzi szyny, a żaden taki punkt nie istnieje. Promień krawędzi jest inżynierskim sposobem spełnienia postanowień o wytrzymałości elektrycznej, przerwach powietrznych i drogach upływu oraz sposobem uczynienia procesu izolowania wykonalnym. Jeśli specyfikacja klienta wymaga konkretnego promienia, liczba ta wzięła się z jego procesu izolowania — zapytaj więc, z jakiego procesu. Odpowiedź zmienia znaczenie słowa „dobry": promień dobrany pod uszczelnienie zaciskowe to nie jest promień dobrany pod malowanie proszkowe.

Jak wygląda dobra krawędź na hali

Dwie osobne operacje, często mylone.

Gratowanie usuwa zadzior i tlenki. Jest operacją kondycjonowania powierzchni na całej płaszczyźnie i to ją wykonujesz przed powlekaniem galwanicznym albo przed nałożeniem jakiejkolwiek folii samoprzylepnej. Dwustopniowa maszyna do gratowania obsługująca grubości 0,5 do 50 mm przy 5 do 30 m/min doprowadza całą partię do jednorodnego stanu, co dla przyczepności powłoki znaczy więcej niż średnia chropowatość.

Fazowanie to kontrolowane usunięcie narożnika do określonego zarysu. Na cienkich detalach EV tu właśnie leży trudność, bo szyna 2 mm ma bardzo mało narożnika do usunięcia, a fazowanie ciężką ręką wgryza się w przekrój dobrany pod prąd. Maszyna CNC do fazowania pracująca na materiale 3 do 15 mm z pozycjonowaniem i powtarzalnością ±0,05 mm oraz wrzecionem BT40 do 6000 rpm daje zarys taki sam na detalu pierwszym i czterechsetnym. Szlifierka warsztatowa nie daje, a na detalu laminowanym, gdzie zakładkę folii określa się względem krawędzi miedzi, faza, która wędruje, jest fazą przesuwającą krawędź.

Kolejność znaczy tyle samo co same operacje. Fazuj przed gratowaniem, żeby przejście gratujące usunęło wtórny zadzior podniesiony przez frez fazujący; gratuj przed jakimkolwiek powlekaniem galwanicznym albo malowaniem, bo tlenek pod powłoką to uszkodzenie połączenia czekające na cykl cieplny; i nie gnij po powlekaniu, chyba że specyfikacja powłoki na to zezwala, bo włókno zewnętrzne zagięcia się rozciąga, a powłoka ciągła przy promieniu 3 mm może nie być ciągła przy 2 mm. Na zespołach laminowanych kształtowanie musi być zakończone przed laminowaniem, kropka.

Dwa praktyczne sprawdzenia, które wychwytują większość problemów przed linią izolowania. Obejrzyj narożnik pod powiększeniem, zamiast przesuwać po nim kciukiem, bo kciuk znajduje zadzior, a nie znajduje zawinięcia wklęsłego. I sprawdź fazę na ostatnim detalu partii, a nie na pierwszym, bo zużycie narzędzia na miedzi jest powolne i kumulatywne, a ujawnia się jako stopniowo malejący promień.

Ograniczeniem produkcyjnym jest przezbrojenie

Pięćdziesiąt detali jednej konfiguracji, potem zmiana wersji, potem osiemdziesiąt następnej. Taki jest rytm pracy przy ładowaniu EV i oznacza on, że maszyna spędza więcej życia na przezbrajaniu niż na pracy. O tym, ile zmiany na tym tracisz, decydują trzy rzeczy.

Pierwszą jest pojemność głowicy rewolwerowej. Rodzina detali o dużej różnorodności potrzebuje wielu wymiarów otworów, a każde narzędzie, którego nie ma w głowicy, to ręczna zmiana narzędzia w trakcie zlecenia. Centrum obróbcze z 24 gniazdami narzędziowymi, rozszerzalnymi do 36, przerobi mieszaną listę zleceń bez dotykania oprzyrządowania przez operatora. To samo zlecenie na maszynie z ośmioma gniazdami staje się ćwiczeniem z kolejkowania, w którym grupujesz detale według narzędzia zamiast według terminu dostawy, a koszt harmonogramowy tego pozostaje niewidoczny, dopóki ktoś go nie zmierzy.

Dalej czas od programu do detalu, czyli największy pojedynczy ukryty koszt przy małych wolumenach. Jeśli zmiana wersji zabiera godzinę ręcznego programowania, rodzina wyrobów o dwuletnim cyklu spala tygodnie pracy inżynierskiej, których nikt nie wycenił. Oprogramowanie, które importuje geometrię i wytwarza program bez przepisywania wymiarów, usuwa i tę godzinę, i błędy przepisywania, które jej towarzyszą.

Trzecią jest rozkrój. Małe detale z cienkiego materiału dają dużo odpadu, a rozkrój całego projektu z magazynem odpadów użytkowych pozwala kolejnemu zleceniu zużyć resztki po poprzednim. W zakładzie prowadzącym pięćdziesiąt numerów detali miesięcznie widać to w uzysku materiałowym, a nie tylko w porządku na regale.

Do lżejszego końca tych prac zwarta maszyna wielofunkcyjna o sile 300 kN, obejmująca 160 × 15 mm, ma zwykle więcej niż dość siły nacisku. Siła nigdy nie była ograniczeniem. Był nim czas przezbrojenia.

Jeśli sprawdzasz, czy cienki przekrój przyjmie zagięcie bez pęknięcia na promieniu podanym na rysunku, kalkulator siły gięcia poda Ci siłę i pozwoli zweryfikować rozwarcie matrycy, zanim potniesz metal.