為電動車次系統打造高功率連接器

作者 : Ajay Bhargava,Interplex產品總監

電動車的動力系統跟電池,成為未來車廠創造差異化的關鍵。為此,如何最大限度地優化連接器,使能量傳導更高效,如今搖身重要的課題之一...

汽車產業目前正處在一個前所未見的轉型期。一個多世紀以來,汽車一直仰賴內燃機(ICE);如今,為符合永續及生態可接受性規範的需求,使得個人化的交通方式轉向使用電動車。根據市場研究調查單位《Research & Markets》的研究數據,從現在起算的未來十年,電動車銷量年複合成長率(CAGR)預計來到近22%,屆時全年銷量將來到3,900萬台左右。

傳統燃油車的差異化,大多集中在引擎效能及車輛操控等區域,車廠能仰賴他們的一級供應商實現新的進步,驅動技術前行。現在到了電動車時代,遊戲規則正在出現變化。絕大多數的差異化,變成在動力系統和電池端,某些時候車廠會選擇自己掌握那些工作。

比如牽引機,如果做得更小,重量的減輕就意味著充電後能行駛的里程數將增加;若藉由提升電池能量密度及從直流轉換器(DC-DC converter)、逆變器(Inverter)和車載充電器(On-borad charger)降低整體系統功耗,同樣可以帶來類似的益處。

圖1:傳統電動車的架構。 (來源:Interplex)

汽車發展的新方法

投入電動車研發的資本現在已超越燃油車,這也將成為未來汽車市場投資的一部分。這顯示出當前電動車銷量的大幅成長,使車廠的焦點出現巨大的轉變。同時,因為電動車市場不同於燃油車,不僅成熟的廠商在推動技術進步,新創產業也能帶來非常大的貢獻。

如果他們想證明其完全有成效,動力系統中的連接器產品就必須具備以下特性:

  • 儘管會遇到非常惡劣的使用環境,也必須提供可維持長時間的可靠度。需要避免進行元件更換或維護,因為那有可能影響到車廠的信譽。更糟的是,由於車輛連接器故障而不得不進行代價高昂的召回,導致成本損失及品牌損害。
  • 為提升效率、減少功率損耗,下一代的電動車動力系統將會以比現在的400V還更高的電壓運行,連接器必須能支持高電壓。
  • 特定的連接器需要夠緊湊,以應對空間上日漸嚴格的限制。當動力系統子系統尺寸越來越小,這件事情就變得更加重要。
  • 車廠正向其供應商施壓,要求為提供其更具有價格競爭力的產品,以將獲利最大化。因此,連接器也需要與需求相對應的低製造成本。
  • 為能在車輛中發揮作用,連接器採用簡單的構造─以少量的元素構成整個系統產品,且要連結到指定的子系統同樣不會有任何困難。

除了技術上的考量,還要考量後勤。最常見的是透過本地製造與建立本地庫存以避免供應鏈中斷。

電動車連接器使用案例

以下幾個案例是在說明當應用不同的連接器到電動車的子系統時,所需考量不同的因素。每個案例都將著眼於車廠必須面對的工程問題,並概述可以採取以克服問題的措施。

馬達定子連接:

模具化的導電條(Busbar)直徑小於100mm,通常使用銅導體和塑料包裝。它們靠近馬達,意味著抗震動的能力非常重要。它們同時還需要能處理高電流及高電壓 (通常為150A、600V) 以及散熱,並維持輕量化的架構。由於快速變化的高電流可能會對鄰近系統產生影響,整合電磁干擾(EMI)濾波器也是必備的。

圖2:強固型的馬達定子導電條在惡劣的車用環境中是被需要的。 (來源:Interplex)

另一個重要的部分是組成材料─包括導體、樹脂及塑料封裝─它們都具有類似的熱膨脹係數(CTE)。這意味著當熱循環時,施加在零件上的壓力更小;由於零件會隨著時間推移導致疲乏,這意味著那樣的現象不會維持太久。因應不同的材料層匹配電感值,也會帶來好處,這將防止不必要的熱量產生。

持續的震動可能使柔性導電條成為適合的選項,柔性導電條由薄且高導電的銅箔組成,它們在安裝區域黏合,因此可以個別滑動,即便導電條受到震動或扭力,也能實現有效的連接。

交流(AC)模具化導電條:

以下是使用模具化流排最大程度減少塑料用量和縮短塑料長度的範例。傳統佈線在導電條元件間留有空間,但塑料的空間,會很難滿足客製化和整合的需求。新的方法就是著眼於最大限度的減少塑料用量,以此減少CTE的不匹配現象。

圖3:傳統導電條(左)跟模具化導電條。 (來源:Interplex)

圖3的傳統組件,為塑料的移動而在導電條間留有2.3mm的空間,一旁則是添加絕緣膜的模具化組件。其將CTE不匹配的程度降到最小,受機械應力的影響也更小。另一個考慮因素是將應力消除和靈活性結合進導電條的設計中。對整體設計來說,要優化靈活性以最大限度的減少溫度及震動因素所帶來的應力,越來越重要。最主要緩解的方式包括建立導電條邊緣緩解結構以分散應力,以及在組件中使用柔性的連接物。

圖4:導電條為一體式的連接器解決方案。 (來源:Interplex)

成本及可靠度的考量

透過減少使用元件的過程,供應商不只可以降低連接器的成本,也能藉由提升可靠度獲得益處。以模組化的方法,可以更經濟高效的製造導電條,同時仍具有足夠的適應性,因此有很大的空間提升差異性。隨著車廠意識動力系統是它們在電動車競爭中脫穎而出的重點,它們需要盡可能多從連接器供應商尋求建議,這也是為何電動車廠需要在產品生命週期早期階段(通常是初始概念階段),就得跟那些供應商接觸。

責編:Ryan Tsai

(參考原文:Developing high-power interconnects for EV subsystems,by Ajay Bhargava)

活動簡介

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