Analyse von Isoliermaterialien für laminierte Stromschienen: Auswahl und Anwendung flexibler und starrer Isolierung

Bei der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge, Energiespeichersysteme, des Schienenverkehrs und industrieller Energieanlagen werden laminierte Stromschienen aufgrund ihrer geringen Induktivität, hohen Zuverlässigkeit und kompakten Struktur häufig verwendet. Ganz gleich, ob es sich um eine Sammelschiene für Elektrofahrzeuge, eine Sammelschiene für Autobatterien oder ein Kondensator-Sammelschienensystem in Industriequalität- handelt, die Wahl des Isoliermaterials wirkt sich direkt auf die elektrische Leistung, die Lebensdauer und das Sicherheitsniveau des Produkts aus.

 

Bei modernen Kfz-Sammelschienensystemen dient die Isolationsschicht nicht nur als Leiterisolierung, sondern muss auch Anforderungen an Hitzebeständigkeit, Spannungsfestigkeit, Flammwidrigkeit und einen langfristig zuverlässigen Betrieb erfüllen. Daher ist ein gründliches Verständnis der Eigenschaften flexibler und starrer Isoliermaterialien für die Gestaltung und Auswahl von Sammelschienen von entscheidender Bedeutung.

 

 

 

Derzeit verwenden die meisten laminierten Stromschienen eine flexible Dünnfilm-Isolierstruktur, die den Isolierfilm durch einen Laminierungsprozess fest mit dem Kupferleiter verbindet. Dieser Prozess reduziert effektiv die Leiterabstände, verbessert die Systemintegration und gewährleistet eine hervorragende Isolationsleistung der Sammelschienen.

 

Isoliermaterial aus Polyester (PET).

PET ist eines der am häufigsten verwendeten Isoliermaterialien und hält einen bedeutenden Marktanteil im Bereich der PET-Isolierung für Sammelschienen in der Automobilindustrie. Zu seinen Hauptmerkmalen gehören:

Langfristige Betriebstemperatur bis zu 105 Grad; Hohe Dehnung, typischerweise über 100 %, geeignet für komplexe Biegestrukturen; Gute mechanische Zähigkeit und Formleistung; Hoher relativer Tracking-Index (CTI); Erhältlich in verschiedenen Stärken für unterschiedliche Spannungsniveaus; Hervorragende Flammschutzeigenschaften, die den Anforderungen von Industrie- und Automobilanwendungen gerecht werden.

In Energiesystemen für neue Energiefahrzeuge werden PET-Isolierschichten häufig in Batteriesammelschienen für Elektrofahrzeuge, Erdungssammelschienen für Kraftfahrzeuge und Auto-Sammelschienenprodukten verwendet.

 

Isoliermaterial aus Polyimid (PI).

PI ist ein leistungsstarkes, hochtemperaturbeständiges Isoliermaterial mit einer Dauerbetriebstemperatur von typischerweise über 200 Grad.

Im Vergleich zu PET weist PI folgende Eigenschaften auf:

Hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit; Ausgezeichnete inhärente Flammhemmung; Höhere mechanische Steifigkeit; Besser geeignet für Schweißprozesse; Relativ höhere Kosten; Niedrigerer CTI als PET.

Daher wird bei Anwendungen, die das Schweißen von Kondensatoren, Leistungsmodulen oder Steckverbindern erfordern, PI-Material häufig in Filmkondensator-Sammelschienen für New Energy Vehicles und einigen Sammelschienen für Leistungskondensatorprodukte verwendet.

 

Unterschiede zwischen flexibler und starrer Isolierung

Flexible Isolierungen werden hauptsächlich zur Isolierung der Oberfläche von Kupferleitern verwendet und bilden durch Laminierung eine vollständige Isolationsstruktur.

 

Zu seinen Vorteilen gehören:

Es ermöglicht die vollständige Abdichtung der Leiterkanten;

Es eignet sich für komplexe dreidimensionale Strukturdesigns;

Es reduziert effektiv die Systemgröße;

Es erleichtert die Massenproduktion und die automatisierte Fertigung.

 

Eine starre Isolierung hingegen dient hauptsächlich der Distanzierung und Unterstützung zwischen verschiedenen Leiterschichten.

Bei Hochspannungssystemen kann eine flexible Isolierung allein oft nicht die Anforderungen an die Verteilung des elektrischen Feldes und die Teilentladungskontrolle erfüllen. Daher sind starre Isoliermaterialien erforderlich, um den Isolationsabstand zu erhöhen.

 

Typischerweise:

Für jede Erhöhung der Betriebsspannung um 1 kV ist ein Isolationsabstand von ca. 1 mm erforderlich.

Je höher die Betriebsspannung, desto dicker ist die starre Isolierung;
Hochspannungssysteme verwenden typischerweise glasfaserverstärkte Polyesterplatten als strukturelle Isolationsschicht.

Bei der Konstruktion von Hochspannungs-Sammelschienen ist die starre Isolierung eine entscheidende Komponente, die einen langfristig stabilen Betrieb gewährleistet, während Niederspannungs-Sammelschienensysteme für Kraftfahrzeuge in der Regel keine zusätzlichen, schweren, starren Isolationsstrukturen erfordern.

 

 

 

Relativer Temperaturindex (RTI)

RTI ist ein wichtiger Indikator für die langfristige Hitzebeständigkeit von Isoliermaterialien.

 

Der Relative Tracking Index (RTI) ist definiert als:

Die Temperatur, bei der die mechanischen und elektrischen Eigenschaften eines Materials nach etwa 20.000 Stunden Langzeitbetrieb auf 50 % ihrer Anfangswerte sinken.

 

Bei langfristig betriebenen Stromschienensystemen für Elektrofahrzeuge wirkt sich RTI direkt auf die Produktlebensdauer aus.

Allgemein:

 

Mit jedem Temperaturabfall um 10 Grad verdoppelt sich die Lebensdauer der Isolierung ungefähr.

Bei jedem Temperaturanstieg um 10 Grad kann sich die Lebensdauer der Isolierung um etwa die Hälfte verkürzen.

 

Daher müssen beim Entwurf einer Sammelschiene aus verzinntem Kupfer für Elektrofahrzeuge sowohl Wärmemanagementlösungen als auch die Qualität des Isoliermaterials umfassend berücksichtigt werden.

 

 

CTI spiegelt den Oberflächenwiderstand des Materials gegenüber Kriechstrom wider.

 

Wenn Geräte über einen längeren Zeitraum feuchten, verschmutzten oder Hochspannungsumgebungen ausgesetzt sind, verringert ein höherer CTI-Wert effektiv das Risiko von Oberflächenkriechströmen.

 

Für industrielle Energiespeichersysteme, DC-Kondensator-Sammelschienen und große Kondensator-Laminier-Sammelschienen ist CTI ein entscheidender Parameter, der sich auf das Sicherheitsdesign auswirkt.

 

PET-Materialien haben typischerweise höhere CTI-Werte und werden daher häufiger in Hochspannungsanwendungen eingesetzt.

 

Die Dehnung stellt die Fähigkeit eines Materials dar, seine Isolationseigenschaften unter Spannung aufrechtzuerhalten.

Dieser Parameter wirkt sich direkt auf Folgendes aus:

Biegeleistung;
Qualität der Leiterkantenumwicklung;
Stabilität des Siegelprozesses;
Langfristige mechanische Zuverlässigkeit.

PET-Materialien weisen typischerweise eine Dehnung von über 100 % auf, während PI-Materialien bei etwa 70 % liegen. Daher eignet sich PET besser für komplexe Kupferleiter-Laminierprozesse.

 

 

Industrielle Energiesysteme

Die Anforderungen von Industrieanlagen an Stromschienen konzentrieren sich in erster Linie auf Hochspannung und lange Lebensdauer.

 

Typische Merkmale sind:

Betriebsspannung typischerweise zwischen 1000 V und 6000 V;
Strenge Anforderungen an die Teilentladungskontrolle;
Bedarf an steiferen Dämmkonstruktionen;
Hohe Kriechstreckenanforderungen;
Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren oder mehr.

 

Daher verwenden Hochspannungs-Energiespeicheranlagen, Schienentransporte und große Stromverteilungssysteme tendenziell Materialien mit hohem CTI und dickere Isolationsstrukturen für Verteilungssammelschienen.

 

 

 

Neue Energiefahrzeuganwendungen legen größeren Wert auf Leichtbau, Raumnutzung und Kostenkontrolle.

Typische Merkmale sind:

 

Die Spannungspegel liegen im Allgemeinen unter 800 V;
Geringere Anforderungen an Teilentladung;
In der Regel werden flexible, laminierte Isolierstrukturen verwendet;
Empfindlicher gegenüber Gewicht und Volumen;
Die Lebensdauer beträgt im Allgemeinen 5 bis 10 Jahre.

 

Daher nutzen Produkte wie BusBar Cars, Automotive Power Connectors und Weißblech-Busbar Automotives zunehmend PET- oder PI-Isolierungslösungen, um kompakte Designanforderungen zu erfüllen.

 

 

Neben der laminierten Isoliertechnik ist auch die Pulverbeschichtungsdämmung eine gängige Lösung.

 

Dieses Verfahren erreicht einen umfassenden Isolationsschutz durch die Bildung einer Epoxidharzbeschichtung auf der Leiteroberfläche und eignet sich besonders für strukturell komplexe Einzelleiter.

 

Zu seinen Vorteilen gehören:

Kann komplexe Geometrien abdecken;
Geeignet für nicht-laminierte Leiter;
Gute Korrosionsbeständigkeit;
Kann einige Anforderungen von Niederspannungsanwendungen erfüllen.

 

Für Automotive-Sammelschienen- und Sammelschienen-Elektrofahrzeuganwendungen, die eine niedrige Induktivität und eine hohe Leistungsdichte erfordern, bleibt die laminierte Isolationstechnologie jedoch weiterhin die gängige Lösung.

 

 

 

Isoliermaterialien sind ein entscheidender Faktor für die Leistung laminierter Stromschienen. PET und PI haben als gängigste flexible Isolationsmaterialien jeweils ihre Vorteile in unterschiedlichen Anwendungsszenarien. Für industrielle Hochspannungssysteme müssen RTI, CTI und starre Isolationsstrukturen umfassend berücksichtigt werden, während für den Sektor der neuen Energiefahrzeuge der Schwerpunkt eher auf Leichtbau, Raumnutzung und Produktionseffizienz liegt.

 

Mit der Entwicklung vonEV-Sammelschienen, Kondensator-Sammelschienen und neue leistungselektronische Geräte, die Isoliermaterialtechnologie wird sich weiter verbessern und sicherere und effizientere Lösungen für zukünftige elektrische Verbindungssysteme mit hoher{0}Leistung und hoher{1}}Zuverlässigkeit bieten.