Fabricação de barramento para equipamentos de recarga de veículos elétricos

Uma oficina de conjuntos de manobra que assume trabalho de recarga de veículos elétricos normalmente acha as peças fáceis e o processo difícil. As barras são pequenas, as seções são finas, a exigência de tonelagem é trivial. O que pega as pessoas de surpresa é que a faixa de tolerância é mais apertada que a de conjuntos de manobra, os lotes são menores, os desenhos mudam entre corridas de produção, e uma aresta ruim volta como falha de isolamento dezoito meses depois de entrar em serviço, e não como reclamação estética no recebimento.

Como são as peças

Os equipamentos de recarga de veículos elétricos se dividem em duas populações de barramento bem diferentes.

O lado CA e de distribuição de um gabinete de carregador parece familiar: cobre retangular, de 6 a 10 mm de espessura, puncionado e dobrado, juntas parafusadas, muito parecido com um pequeno quadro de distribuição. Nada nele é incomum.

O lado CC é onde o trabalho muda. As arquiteturas de recarga convergiram para faixas de operação de aproximadamente 200 a 920 V CC em instalações CCS, com a especificação admitindo algo tão amplo quanto 50 a 1000 V CC. O Megawatt Charging System, hoje em implantação para veículos pesados, é classificado em 1250 V e 3000 A CC. Esses números significam condutores curtos, largos e finos conduzindo corrente muito alta entre módulos de potência, e significam que os condutores ficam próximos o bastante para que o ar sozinho não esteja fazendo o isolamento.

O trabalho típico do lado CC e de interligação de módulos fica entre 1.5 e 6 mm de espessura, muitas vezes com menos de 300 mm de comprimento, em quantidades de dezenas a poucas centenas por configuração. As peças são frequentemente laminadas ou isoladas por filme, em vez de nuas. E a revisão de desenho muda, porque a eletrônica de potência dentro de um gabinete de carregador está em um ciclo de produto de dois a três anos, não de vinte.

Interfaces laminadas e isoladas

Três abordagens de isolamento dominam, e cada uma impõe uma exigência diferente ao metal.

A laminação por filme une poliéster ou poliimida ao condutor, às vezes com dois ou mais condutores montados em uma única pilha para reduzir a indutância de laço. O filme é fino, muitas vezes bem abaixo de um milímetro, e tem de se conformar à aresta do condutor sem afinar nem fazer ponte.

O revestimento em pó aplica pó epóxi por via eletrostática e o cura em forno. É barato e sobrevive ao manuseio. É também intolerante a geometria viva, porque durante a cura o revestimento escoa e a tensão superficial o afasta das arestas convexas, deixando o filme mais fino exatamente onde o campo é mais alto.

A sobremoldagem e a encapsulação colocam o condutor em uma ferramenta e moldam resina ao redor, ou embutem o conjunto inteiro. Isso dá o melhor resultado mecânico e a menor tolerância a ar aprisionado, porque um vazio formado durante a moldagem fica selado por dentro e não pode ser inspecionado sem um ensaio dielétrico que pode passar mesmo assim.

A orientação publicada sobre o condicionamento de arestas de barramento laminado identifica quatro abordagens: aresta aberta, selada por pinçamento, com FR4 e com aresta preenchida com epóxi. O selamento por pinçamento exige uma sobreposição de isolamento de pelo menos duas vezes a espessura do condutor além da aresta de cobre, e essa sobreposição só funciona se a aresta de cobre estiver onde o desenho diz. É uma restrição de fabricação vestida de escolha de projeto.

É na aresta que o isolamento falha

A qualidade do chanfro domina este setor por uma razão física que a maioria das especificações declara como uma cota nua, sem dizer de onde ela vem.

Comece pela geometria. Uma aresta cortada ou puncionada não é esquadrada. Tem arredondamento de borda no lado de entrada da matriz, uma banda polida, uma zona de fratura e uma rebarba no lado de saída. O "canto" é, na prática, um raio de algumas dezenas de micrometros e, em alguns pontos, é uma ponta de rebarba com raio menor que isso.

Agora coloque isolamento em cima. Seja qual for o processo, o material tem de fazer uma curva de canto reto ao redor daquele canto. O filme faz ponte em vez de se conformar. O pó recua. A resina de moldagem tem de preencher um canto reentrante contra a própria tensão superficial e contra o ar que já está ali. Em cada caso, o resultado provável é uma pequena bolsa de ar aprisionada entre o condutor e o isolamento, bem no canto.

Essa bolsa é o problema, por duas razões que se somam.

Primeiro, o campo é mais alto ali. O campo elétrico se concentra em um detalhe convexo do condutor e, para raios pequenos, a intensificação local escala aproximadamente com o inverso do raio. Uma ponta de rebarba de 20 µm em um campo confortável ao longo de uma face plana não é confortável na ponta.

Segundo, o ar é o material mais fraco do conjunto e está carregando mais do que a sua parcela do campo. Em um vazio cercado por um dielétrico sólido, o campo no vazio é maior que o campo no sólido aproximadamente pela razão entre as permissividades relativas. Epóxi e poliéster ficam em torno de 3 a 4; o ar é 1. Ou seja, o vazio vê de três a quatro vezes o campo da resina ao redor, tendo aproximadamente um décimo da rigidez dielétrica dela.

O vazio ioniza e, uma vez ionizado, não para. A descarga parcial erode o isolamento por dentro, a cavidade erodida cresce, a atividade de descarga cresce com ela, e a peça acaba falhando em uma tensão que ela suportou no dia em que foi ensaiada. A literatura de pesquisa sobre barramentos laminados é consistente nisso: a incepção de descarga parcial em defeitos embutidos ocorre em poucos quilovolts, o que está dentro da faixa de operação de uma arquitetura de 800 V ou 1000 V CC assim que se contam as sobretensões transitórias.

Uma aresta com raio reduz o fator de intensificação e, o que é mais útil, dá ao material isolante uma geometria que ele consegue molhar e à qual consegue se conformar. O campo nunca fica uniforme; ele fica sobrevivível. Esse é o argumento inteiro a favor do chanframento nesta aplicação, e ele se apoia em física, não em uma seção de norma.

O que as normas de fato dizem a respeito

A IEC 60664-1 é a norma de coordenação de isolamento, e é a referência correta para os valores de distância de isolamento e de escoamento no projeto de um carregador. A distância de isolamento vem da tensão suportável de impulso nominal combinada com o grau de poluição e a altitude; a distância de escoamento vem da tensão de trabalho combinada com o grau de poluição e o índice de trilhamento comparativo do material isolante. São esses os parâmetros com que um projetista de recarga de veículos elétricos trabalha.

O que a IEC 60664-1 não faz é mandar chanfrar. A IEC 61439 também não. Isso precisa ser dito, porque boa parte do material de fornecedores afirma que a IEC 61439 obriga a um raio de aresta em barramento, e não existe tal seção. O raio de aresta é um meio de engenharia para atender às prescrições dielétricas, de distância de isolamento e de escoamento, e para tornar um processo de isolamento produzível. Se a especificação de um cliente pede um raio específico, esse número saiu do processo de isolamento dele, então pergunte qual processo. A resposta muda o que "bom" significa: um raio dimensionado para selamento por pinçamento não é o raio dimensionado para revestimento em pó.

Como é uma boa aresta no chão de fábrica

Duas operações distintas, frequentemente confundidas.

A rebarbação remove a rebarba e o óxido. É uma operação de condicionamento de superfície ao longo de toda a face, e é o que se faz antes do revestimento ou antes de qualquer filme com adesivo entrar. Uma máquina de rebarbação em duas etapas que trabalha de 0.5 a 50 mm de espessura a 5 a 30 m/min leva o lote inteiro a uma condição uniforme, o que importa mais para a aderência do revestimento do que o acabamento médio.

O chanframento é uma remoção controlada do canto até um perfil definido. Em peças finas de recarga é aí que está a dificuldade, porque uma barra de 2 mm tem muito pouco canto a remover e um chanfro pesado come uma seção que foi dimensionada para corrente. Uma máquina CNC de chanframento trabalhando material de 3 a 15 mm de espessura com ±0.05 mm de posicionamento e repetibilidade, com fuso BT40 até 6000 rpm, produz um perfil igual na peça um e na peça quatrocentos. Uma esmerilhadeira de bancada não, e em uma peça laminada, em que a sobreposição do filme é especificada em relação à aresta de cobre, um chanfro que vagueia é um chanfro que move a aresta.

A sequência importa tanto quanto as operações. Chanfre antes de rebarbar, para que a passada de rebarbação limpe a rebarba secundária que a fresa de chanfro levanta; rebarbe antes de qualquer revestimento ou pintura, porque óxido sob um revestimento é uma falha de aderência esperando um ciclo térmico; e não dobre depois de revestir, a menos que a especificação do revestimento permita, porque a fibra externa de uma dobra estica e um revestimento que era contínuo em raio de 3 mm pode não ser em 2 mm. Em conjuntos laminados, a conformação tem de estar concluída antes da laminação, ponto.

Duas verificações práticas que pegam a maior parte dos problemas antes de chegarem à linha de isolamento. Olhe o canto sob ampliação, em vez de passar o polegar nele, porque o polegar encontra uma rebarba e não encontra uma dobra reentrante. E confira o chanfro na última peça do lote, não na primeira, porque o desgaste de ferramenta em cobre é lento e cumulativo e se manifesta como um raio que encolhe aos poucos.

A troca é a restrição de produção

Cinquenta peças de uma configuração, depois uma revisão, depois oitenta da seguinte. É esse o ritmo do trabalho de recarga de veículos elétricos, e significa que a máquina passa mais tempo da vida sendo preparada do que rodando. Três coisas decidem quanto do turno você perde nisso.

A capacidade da torre vem primeiro. Uma família de peças de alto mix precisa de muitos tamanhos de furo, e toda ferramenta que não está na torre é uma troca manual no meio do serviço. Um centro de processamento com 24 estações de ferramenta, ampliáveis para 36, roda uma lista mista de serviços sem o operador tocar no ferramental. O mesmo serviço em uma máquina com oito estações vira um exercício de sequenciamento em que você agrupa peças por ferramenta em vez de por data de entrega, e o custo de programação disso fica invisível até alguém medi-lo.

Depois o tempo entre o programa e a peça, que é o maior custo oculto isolado em trabalho de baixo volume. Se uma revisão consome uma hora de programação manual, uma família de produtos em ciclo de dois anos queima semanas de tempo de engenharia que nunca foram cotadas. Software que importa a geometria e produz o programa sem redigitar cotas elimina tanto a hora quanto os erros de transcrição que vêm com a redigitação.

O nesting é o terceiro. Peças pequenas em material fino geram muito retalho, e o nesting de projeto inteiro com biblioteca de sobras permite que o serviço seguinte consuma as sobras do anterior. Em uma oficina que roda cinquenta códigos de peça por mês, isso aparece no número de aproveitamento de material, e não apenas em um rack mais arrumado.

Para a parte mais leve do trabalho, uma máquina multifuncional compacta de 300 kN cobrindo 160 × 15 mm normalmente é tonelagem mais que suficiente. A tonelagem nunca foi a restrição. O tempo de setup era.

Se você está conferindo se uma seção fina aceita uma dobra sem trincar no raio que o seu desenho especifica, a calculadora de força de dobra dá a força e permite conferir a abertura da matriz antes de cortar metal.