Более пристальный взгляд на провод в электромобиле (EV)


Проволока не самая гламурная из компонентов, но она является стимулом для нашего современного общества - особенно нашего еще более современного вида транспорта, EV - и удивительное количество технологий и техники идет на создание, выбор и использование проводов.

Как производится провод

Современный способ изготовления медной электрической проволоки представляет собой процесс непрерывной разливки, обычно с исходным сырьем, который был очищен электролитически или по меньшей мере до 99,965% чистоты (это стандартная медь электротехнической марки, также называемая "electrolytic tough pitch" или ETP) или до 99,9935% чистоты (что называется ETP1). При электролитической очистке анод представляет собой отливку из сырой или рециркулированной меди, электролит представляет собой раствор сульфата меди в разбавленной серной кислоте, а катод представляет собой пластину из чистой меди. Через электролизную ячейку пропускают ток в диапазоне 200-300 А на квадратный метр при потенциале всего 0,2-0,3 В, который переносит медь с анода на катод, оставляя примеси в отливке анода позади. Один проход через электролизер дает медь чистоты 99,99% что достаточно для почти всех электрических применений; если требуется более высокая чистота, то катод из первой операции по очистке может стать анодом во втором проходе (в свежем резервуаре электролита, так как некоторые примеси могут поступать как от него, так и от анода).
Голая проволока, возможно, была хорошо для телеграфа и телефонных линий еще в конце 1800-х годов, но подавляющее большинство электрических проводов, выполненных сегодня, изолировано, как правило, пластиковым или резиновым покрытием. Магнитный провод - так называемый, потому что он используется в таких устройствах, как двигатели, трансформаторы, катушки индуктивности и, да, электромагниты, имеет очень тонкое изолирующее покрытие, которое обычно представляет собой пластик, такой как полиуретан, полиимид (каптон) и т. д. на голый провод путем погружения (горизонтально) или вытирания (по вертикали), затем он "запекается". Можно использовать до четырех слоев, чтобы сделать более тяжелые "сборки" изоляции, что увеличивает диэлектрическую прочность и лучше защищает от пробития изоляции. Хотя изоляцию магнитных проволок часто называют "эмалью", она не является хрупким стеклянным покрытием, как это характерно для истинной эмали.
Изоляция на большинстве других проводов значительно толще и даже более гибкая, чем тонкие покрытия магнитной проволоки; эта изоляция обычно имеет значительно более низкую температуру. Обычный тип изоляции магнитной проволоки хорош для непрерывной работы при 130 ° C, а изоляция, рассчитанная на 180 ° C, стоит намного дороже. Напротив, большинство типов проводов общего назначения имеют ПВХ-изоляцию, рассчитанную на 85 ° C или 90 ° C, а типы, рассчитанные на 105 ° C, имеют тенденцию стоить значительно дороже. Более толстую изоляцию обычно наносят путем протягивания проволоки через нагретую экструзионную головку, в то время как гранулы из пластмассы или резины (или их комбинации) также подаются в штамп под огромным давлением. Гранулы плавятся в матрице и обтекают оголенный провод, что дает точное, непротиворечивое и относительно толстое покрытие изоляции.
Провод, продаваемый в электрическом отделе или автомобильных магазинах, обычно определяется типом изоляции (например, GPT обычно используется в автомобилях), диаметром. Термин "ampacity" является грубым упрощением, поскольку он является функцией не только диаметра провода (или, более конкретно, его площади поперечного сечения), но также температуры окружающей среды, независимо от того, находится ли провод в свободном воздухе или в канале , будь то отдельно или в комплекте вместе с другими токопроводящими проводниками, длиной провода, температурой изоляции и даже частотой тока, если он является переменным током. Например, в Национальном электрическом кодексе США указывается, что медная проволока № 14 в свободном воздухе при температуре окружающей среды 30 ° С и номинальной изоляции 90 ° С может нести 35 А непрерывно; с изоляцией 150 ° С амплитуда подпрыгивает до 46 А. Ток плавления для оголенного медного провода № 14 находится в диапазоне от 150 А до 200 А, поэтому разница между тем, что голый провод может нести - теоретически, во всяком случае - и что позволяет NEC, в основном благодаря свойствам изоляции. Другим фактором, который следует учитывать, является падение напряжения. Провод № 14 с высокотемпературной изоляцией может выдерживать прохождение 46 А, но нагрузка может не ценить более низкое напряжение; асинхронные двигатели, как известно, не переносят слишком низкое напряжение, поскольку это заставляет их работать с более высоким скольжением, а потери примерно такие же, как процент проскальзывания.
Другими потенциальными источниками нагрева в проводах, которые переносят AC, являются эффекты кожи и близости. Оба этих эффекта являются результатом индуцированных циркулирующих (или вихревых) токов, возникающих всякий раз, когда происходит переток переменного тока. Кожный эффект возникает, когда вихревые токи, индуцированные в проводе, противодействуют потоку электронов в центре провода и добавляют к потоку вокруг его периметра. Эффект близости, как следует из названия, является результатом возникновения вихревых токов в соседних проводниках, которые будут концентрировать основной ток в каждом проводнике ближе друг к другу, если они имеют противоположную полярность, или толкают ток, разлетаясь друг от друга, если они имеют одинаковые полярность. Первая ситуация возникает, например, при прохождении от тяговой батареи к инвертору или от инвертора к двигателю, где прямой и обратный провода находятся близко друг к другу, и существует значительный компонент переменного тока к настоящему моменту; последняя ситуация возникает в многооборотных обмотках, таких как те, которые находятся в трансформаторах, двигателях и т. д., и может быть неприятной проблемой для работы в высокочастотных магнитных компонентах.
Кожный эффект также пропорционален частоте и обычно несущественен на частотах сети переменного тока 50 или 60 Гц; Ток переменного тока будет проникать на глубину 8,5 мм при 60 Гц, поэтому только проводники размером более 17 мм начнут испытывать повышенное сопротивление переменного тока в результате эффекта кожи. Высокие токи в цепях тягового двигателя EV могут очень сильно нуждаться в проводниках такого размера.
Эффект близости является гораздо более сложным механизмом потерь, особенно когда присутствуют более двух проводников и / или проводники намотаны слоями. Он также может усиливать или противодействовать эффекту кожи; если все проводники несут ток в одном и том же направлении (опять же, лучшими примерами являются обмотки в двигателях и трансформаторах), то эффект близости будет иметь тенденцию заставлять основной ток возвращаться в центр каждого провода (по крайней мере, в этих проводах в окружении других проводов - провода на периферии вместо этого будут течь, текущие на их внешние стороны), частично противодействуя скин-эффекту.

Алюминий

Алюминиевая проводка широко используется, но только для высоковольтных цепей. Однако в 60-х и начале 70-х годов целые дома были соединены алюминием, что привело к резкому увеличению пожаров. Комиссия по безопасности потребительских товаров (CPSC) в конечном итоге определила, что виноваты плохие межсоединения между алюминиевой проводкой и розетками. Фактически, CPSC обнаружил, что риск пожара увеличился в 55 раз, если для проводки проводов использовался сплошной алюминиевый провод, и, следовательно, многие страховщики будут отрицать или аннулировать покрытие, если есть один сплошной алюминиевый провод между панелью выключателя и розетку или другую накладную нагрузку. Поэтому было бы странно, что некоторые автомобильные поставщики снова качают использование алюминиевой проволоки, но теперь в транспортных средствах.
Начнем с негативов алюминия: он имеет более высокий коэффициент теплопередачи, чем медь, которая со временем ослабляет соединения; он ползет или холодный поток, когда он сжат, больше, чем медь, что также приводит к рыхлым соединениям, особенно к тем, которые полагаются на зажим, например, обжимные или винтовые клеммы на выходе; оксид алюминия является хорошим изолятором и образуется почти сразу, когда алюминий подвергается воздействию воздуха, тогда как оксиды меди являются проводящими и не образуются почти так же легко; он довольно электроотрицательный по гальванической серии, поэтому также будет легко корродироваться при контакте с металлами, которые более положительны по меньшей мере на 0,15 В, чем на серии; у него есть предел усталостной жизни, а медь - нет, поэтому алюминий не выдерживает такого же изгибания или вибрации.
И теперь положительные результаты алюминия: он легче меди, и  намного дешевле, чем медь на эквивалентной основе. Вот и все. Однако, будучи дешевле и легче, это два очень привлекательных атрибута, когда речь заходит о транспортных средствах, особенно EV. Недостатки алюминия можно обойти стороной - или, по крайней мере, свести к минимуму - с помощью подходящих методов укладки и соединения. Например, алюминий является хорошим выбором для высоковольтных проводов, таких как между тяговым аккумулятором, инвертором и двигателем, в то время как он является ужасным выбором для проводов с низким током или уровнем сигнала из-за сложности обеспечения хорошего соединения и из-за усталостного растрескивания от вибрации / движения.
Технологией уменьшения недостатков алюминиевой проволоки является сварка, но обычные процессы, такие как GMAW (aka TIG), являются слишком дорогостоящими и / или трудоемкими для использования на автомобильной сборочной линии. Ультразвуковые и другие методы сварки трением могут пробивать оксидную пленку без использования беспорядочного потока или дорогого защитного газа, очень быстро соединяющего алюминиевую проволоку с совместимым наконечником и не нагревая окружающую зону. Фактически, алюминий использовался для кабелей стартера и аккумулятора в транспортных средствах ICE с начала 2000-х годов, главным образом в Европе, но если у Delphi и других поставщиков автомобильных компонентов будет свой путь, большая часть высоковольтной проводки в EV будет в скором времени сделана полностью из алюминия.
Источник: chargedevs.com

Комментариев нет:

Отправка комментария