Eine vollständige Anleitung zum Herstellungsprozess und zu den elektrischen Anwendungen von Kupfersammelschienen mit PVC-Tauchabdeckung

Kupferschienen sind Kernkomponenten in elektrischen Energieverteilungssystemen und führen hohe Ströme. Zu den häufig verwendeten Grundmaterialien gehören T2-Kupfer, 1060-Aluminium und Edelstahl. Unter diesen wird Kupfer mit seiner im Vergleich zu Aluminium überlegenen elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Stabilität am häufigsten in kompletten Stromverteilungssystemen und Hochstromverbindungsszenarien verwendet. Es dient als Kernträger für die Phasen-, Neutralleiter- und Erdverbindungen in Primärkreisen, und Kupfersammelschienen werden fast ausschließlich für Hochstromverbindungen zwischen Primärkomponenten in Schaltschränken verwendet. PVC-tauchvernickelte Kupferschienen für EV-Batterien sind ein typisches Derivat dieser Art von Kupferschienen im Bereich neuer Energiebatterien, angepasst an die besonderen Leistungsanforderungen von Hochstromverbindungen in Fahrzeugen.

Herkömmliche blanke Kupferschienen oder verzinnte Kupferschienen sind im praktischen Einsatz anfällig für unbeabsichtigte Kurzschlüsse und Oberflächenoxidation/Korrosion. Daher verwendet die Industrie üblicherweise PVC-Tauchbeschichtungen zur Isolierung in nicht verbundenen Bereichen. Dies verbessert die Sicherheit und Umweltbeständigkeit des Produkts erheblich, ohne die Leitfähigkeit der Kupferschiene zu beeinträchtigen. Diese tauchbeschichteten Kupfersammelschienen sind zu den am häufigsten verwendeten isolierten leitfähigen Komponenten in aktuellen Stromverteilungssystemen geworden. „Insulated BusBar“ ist der branchenübliche Name für diese Art von isolierten Kupfer-Sammelschienen, wodurch die Kurzschlussgefahr von blanken Kupfer-Sammelschienen in Szenarien mit dichter Verkabelung vollständig beseitigt wird.

Der wichtigste Anhaltspunkt bei der Auswahl von Kupferschienen ist deren Strombelastbarkeit. Designer müssen die geeignete Querschnittsfläche basierend auf dem maximalen Betriebsstrom der Schaltung genau auswählen. Bei der Montage müssen die Schrauben an den Verbindungsstellen mit dem üblichen Drehmoment angezogen werden. Lose Verbindungen führen zu einem starken Anstieg des Kontaktwiderstands und erzeugen örtlich erhebliche Hitze, wenn ein hoher Strom durchfließt, was möglicherweise zum Schmelzen der Kupferschienen und zu Bränden führen kann. Die PVC-Tauchbeschichtungs-Isolierschicht kann auch die Oberflächenoxidation bis zu einem gewissen Grad verzögern und so die langfristige Leitfähigkeitsstabilität der Verbindungspunkte aufrechterhalten. Der tauchisolierte PVC-Sammelschienenverbinder ist eine spezielle, tauchbeschichtete Kupfersammelschiene, die für eine hohe Strombelastbarkeit ausgelegt ist und sich für Hochstrom-Verbindungsszenarien in Leistungsbatteriesätzen eignet.

Das am häufigsten verwendete Tauchbeschichtungsmaterial für Kupferschienen ist Polyvinylchlorid (PVC). Dieses Material verfügt über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften, chemische Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit. Es ist kostengünstig, verfügt über einen ausgereiften Formprozess und die ausgehärtete Isolierschicht weist eine starke Haftung auf und neigt nicht zur Rissbildung. Es kann über längere Zeiträume in einem weiten Temperaturbereich von -40 bis 120 Grad stabil betrieben werden und erfüllt die Anforderungen der meisten industriellen Stromverteilungsszenarien vollständig. Die plattierte, tauchisolierte PVC-Sammelschiene wird vor der Tauchbeschichtung einer Verzinnung und Vernickelung des Kupfersammelschienensubstrats unterzogen, wodurch die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Produkts weiter verbessert wird und es für besondere Betriebsbedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und starkem Salznebel geeignet ist.

Der gesamte Produktionsprozess der PVC-Tauchbeschichtung für Kupfer-Sammelschienen unterliegt strengen Prozesskontrollstandards. Der erste Schritt ist die Substratvorbehandlung, bei der durch Schleifen und Ultraschallreinigung alle Grate, Öl- und Oxidschichten gründlich von der Kupferschienenoberfläche entfernt werden. Dies sorgt für eine saubere und verunreinigungsfreie Oberfläche, eine entscheidende Grundlage für die spätere feste Haftung des Tauchlacks. Rückstände von Öl auf der Oberfläche können leicht zu Ausbeulungen und Abblätterungen in der gebildeten Isolierschicht führen. Die Anforderungen an den Vorbehandlungsprozess sind bei Kupferschienen mit PVC-Tauchbeschichtung besonders hoch, da die Oberflächenreinheit direkt über die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Isolationsschicht entscheidet.

Nach der Vorbehandlung beginnt der Aufhängevorgang. Basierend auf den Abmessungen der Kupferschiene und der geplanten Tauchbeschichtungsfläche werden geeignete Drähte verwendet, um die Kupferschiene an einer speziellen Tauchbeschichtungshalterung aufzuhängen. Die Aufhängepunkte müssen den gesamten Tauchbeschichtungsbereich umspannen, um Lücken in der Beschichtungsschicht zu vermeiden. Gleichzeitig muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Kupferschiene während des Tauchbeschichtungsprozesses nicht wackelt oder stößt, um Kratzer und ungleichmäßige Dicken in der ungehärteten Beschichtungsschicht zu vermeiden. Isolierte Sammelschienen aus reinem Kupfer verwenden meist kundenspezifische Aufhängehalterungen, um den Einfluss der Aufhängepunkte auf die Integrität der Isolationsschicht zu minimieren.

Nachdem die Kupferschienen abgelegt wurden, beginnen sie mit dem Vorwärmprozess. Die aufgehängten Kupfer-Sammelschienensubstrate werden in einen Ofen mit konstanter-Temperatur gelegt. Die Vorheiztemperatur und die Haltezeit werden entsprechend der Gesamtgröße und Wandstärke der Kupfersammelschiene präzise gesteuert, um sicherzustellen, dass die gesamte Sammelschiene ausreichend Wärme gleichmäßig aufnimmt. Dieser Schritt ist entscheidend für die schnelle und gleichmäßige Adsorption des Tauchbeschichtungsmaterials auf der Oberfläche der Kupferschiene, nachdem diese in die Tauchbeschichtungslösung gelangt ist. Eine unzureichende Vorwärmtemperatur führt zu einer dünnen Tauchbeschichtungsschicht und unzureichender Haftung, während eine zu hohe Temperatur zu einer vorzeitigen Zersetzung der Tauchbeschichtungslösung führt, was die Leistung der Isolierschicht beeinträchtigt. Große-große, dick-kupferförmige Sammelschienen, wie die der Custom Solid Power Sammelschiene mit isoliertem Tauchrohr, erfordern eine längere Vorheiz- und Haltezeit, um eine gleichmäßige Temperatur im gesamten Bereich sicherzustellen.

Nach dem Vorwärmen beginnt der Kerntauchbeschichtungsprozess. Nachdem die Kupferschiene die voreingestellte Temperatur erreicht hat, wird sie schnell in einen speziellen Behälter mit der PVC-Tauchbeschichtungslösung getaucht. Die Eintauchzeit wird entsprechend der erforderlichen Schichtdicke des Tauchlacks genau gesteuert. Je länger die Eintauchzeit, desto größer ist die endgültige Dämmschichtdicke. Dies kann flexibel an die Isolationsspannungsanforderungen verschiedener Szenarien angepasst werden. Beim Tauchbeschichtungsprozess ist darauf zu achten, dass die Kupferschiene gleichmäßig eingetaucht wird, um die Bildung von Luftblasen im Inneren zu vermeiden, die die Dichte der Isolationsschicht beeinträchtigen würden. Da es sich um die am häufigsten verwendete flache Kupfersammelschiene handelt, erfordert die isolierte flache Kupfersammelschiene während des Tauchbeschichtungsprozesses eine gleichmäßig dicke PVC-Beschichtung über ihre breite Oberfläche, um örtliche Bereiche mit unzureichender Dicke zu vermeiden.

Nach der Tauchbeschichtung wird die Kupferschiene mit der PVC-Beschichtung wieder in einen Ofen gegeben und in einem Temperaturbereich von 180 bis 300 Grad ausgehärtet. Die Härtungstemperatur und -dauer müssen genau auf die Größe der Kupferschiene und die erforderliche Dicke und Härte der PVC-Beschichtung abgestimmt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das PVC-Material vollständig schmilzt und fließt, eine kontinuierliche und dichte Isolierschicht bildet, alle verbleibenden Mikro-luftblasen gründlich entfernt werden und sichergestellt wird, dass die elektrische Spannungsfestigkeit der Isolierschicht den Standards entspricht. Nach diesem standardmäßigen Aushärtungsprozess kann die PVC-isolierte Kupfer-Sammelschienen-Isolierschicht eine Durchbruchspannung von mehreren Kilovolt erreichen und erfüllt damit vollständig die Sicherheitsanforderungen von Niederspannungs-Stromverteilungssystemen.

Nach dem Plastifizieren beginnt der abschließende Abkühlprozess. Die Hochtemperatur-Kupferschiene wird aus dem Ofen genommen und mit sauberer Druckluft abgekühlt, bis sie Raumtemperatur erreicht. Dies führt zu einem vollständig PVC-isolierten Kupfer-Sammelschienenprodukt. Nachdem alle Prozesstests bestanden wurden, ist es einsatzbereit. Derzeit wird dieser Produkttyp häufig in Verteilerschränken, neuen Energiespeichern und im Schienenverkehr eingesetzt. Als standardisierte Hochstromverbindungskomponente vereinfacht die PVC-isolierte Kupfersammelschiene für elektrische Verbindungen den Verkabelungsprozess elektrischer Systeme erheblich und verbessert die allgemeine Betriebssicherheit von Stromverteilungssystemen.