Kamień milowy w złączach do akumulatorów pojazdów elektrycznych

Bariera zasięgu zaczyna się zmniejszać wraz z rozwojem infrastruktury ładowania i doskonaleniem technologii akumulatorów. Electric Vehicle Database podaje, że średni zasięg samochodu elektrycznego wynosi 331 km, a najwyżej notowane modele osiągają 434 km. Dzięki temu dalsze wyjazdy są już możliwe, zwłaszcza w przypadku tych właścicieli, którzy swoje pojazdy podłączają do prądu w domu.

Wystarczy spojrzeć na ewolucję baterii Chevroleta Bolta, którego oryginalny akumulator z 2017 roku miał 60 kWh i pozwalał przejechać 148 km. Po wymianie w 2022 roku na pakiet 66 kWh, zasięg pojazdu zwiększył się o 13%. Nad nowym projektem baterii o wysokiej gęstości, która zwiększy zasięg o 20% pracuje obecnie Tesla razem z firmą Panasonic. Obecnie Model S może przejechać 585 km na jednym ładowaniu. 

Infrastruktura ładowania EV rozwija się szybko na całym świecie. Europa planuje dodać co najmniej jedną stację szybkiego ładowania co 60 km do 2025 roku. Chiny zbudowały 87 tys. publicznych stacji ładowania tylko w maju 2022 roku. W USA najwięcej, bo aż 14,6 tys. stacji posiada Kalifornia, a słabo zaludniona Dakota Północna ogłosiła niedawno plan dodania stacji ładowania co 80 km wzdłuż dwóch autostrad międzystanowych. 

Integracja baterii i łączność © TE Connectivity

Rozwój technologii pakietów baterii do pojazdów elektrycznych obejmuje nowe chemikalia ogniw, które wykorzystują zwiazki wolfram i litu, tlenki cynku i manganu, elektrolity krzemoorganiczne, elektrolit żelowy z nanorurek złota oraz wodór. Naukowcy współpracujący z producentami samochodów oraz producentami ogniw i pakietów akumulatorowych zwiększają możliwości ogniw w zakresie magazynowania większej ilości energii, szybszego ładowania i działania w niższych temperaturach. Te kompozycje akumulatorów są wspierane w całym elektrycznym układzie napędowym przez udoskonalone kable i złącza, które zmniejszają rozmiar i przewody struktur komponentów, poprawiają zarządzanie termiczne i szybciej przesyłają prąd o wysokim napięciu przez system. TE Connectivity szacuje, że do 40% całkowitego rachunku materiałowego nowego pojazdu elektrycznego można przypisać zawartości pakietu akumulatorów. Koszty akumulatorów spadają, nawet jeśli ich wydajność rośnie.  

— Aby osiągnąć szybkie ładowanie, musimy być w stanie przenieść więcej niż 500 amperów podczas jednego cyklu. Obecnie jesteśmy ograniczeni do 200 amperów. Wszystko w systemie, od układu ładowania, przez wejście, po złącza wysokiego napięcia i ogniwa baterii, musi obsłużyć prąd o dużej mocy. Jednym ze sposobów, aby to osiągnąć jest termiczne zarządzanie całym systemem. Poprzez aktywne systemy chłodzenia, większe rozmiary kabli, nisko odporne złącza i złącza wysokiego napięcia. Każdy komponent musi być odpowiednio zrównoważony i zarządzany termicznie — powiedział Nate Myer, starszy inżynier ds. rozwoju produktu w dziale badań i rozwoju e-Mobility w TE Connectivity, zauważając, że złącza mają bezpośredni wpływ na wydajność systemu w systemach akumulatorów pojazdów elektrycznych. Aby zmaksymalizować jego wydajność, złącza muszą równoważyć właściwości mechaniczne, elektryczne i termiczne. Producenci OEM i producenci pakietów akumulatorów wymagają niskoprofilowego złącza o niskiej rezystancji w poszczególnych punktach styku, co skutkuje zmniejszeniem strat mocy i mniejszą ilością ciepła. 

Zdjęcie po lewej: Systemy zminiaturyzowanych złączy NanoMQS i PicoMQS firmy TE obsługują kable FFC i FPC z wieloma wariantami liczby pinów i skoku bez utraty stabilności wibracji. Złącza te mogą ułatwić połączenia typu board-to-board oraz board-to-device.

Zdjęcie po prawej: Złącza Zero8 PCB firmy ept Connectors posiadają dwustronne ekranowanie EMC, aby zapewnić wysoką kompatybilność elektromagnetyczną.

Podczas cyklu ładowania prądem stałym (DC) o dużej mocy, główne połączenia akumulatora muszą przenosić prądy o natężeniu do 600 amperów przez kilka minut, a podczas gwałtownego przyspieszania znacznie wyższe wartości szczytowe. Ponadto, akumulator musi działać niezawodnie przez ponad 288 tys. km, czyli około 10 lat - w temperaturach od -40 °C do +75 °C, a w przypadku większego obciążenia pracować w temperaturze +150 °C lub wyższej.

Oznacza to, że złącza muszą być wykonane z materiałów odpornych na wysokie temperatury, które mogą wytrzymać duże jej wahania przez długi okres czasu. Cykle ładowania i warunki pracy wywierają wpływ na komponenty; każda część systemu musi być zmaksymalizowana pod kątem niskiej wagi, wysokiej wydajności i niezawodności. Nawet takie elementy jak pasta lutownicza odgrywają rolę w utrzymaniu integralności systemów zarządzania bateriami EV.

Zdjęcie po lewej: Gniazda widełkowe firmy Globetech służą do łączenia z płaskimi szynami zbiorczymi. Producent może obsługiwać wszystkie wymiary, od ultracienkich laminowanych zacisków zakładkowych akumulatorów do grubych szyn zbiorczych dla dużych prądów do 5000 A.

Zdjęcie po prawej: Pasta lutownicza Rel-ion firmy Indium Corporation stosowana w systemach zarządzania bateriami, ogniwach akumulatorowych, systemach szybkiej wymiany prądu stałego, magazynach energii i innych systemach samochodowych.

Kolejnym kluczowym zagadnieniem jest ekranowanie. W środowiskach samochodowych o dużej gęstości zaludnienia występują sygnały elektroniczne pochodzące z systemów oświetlenia, autonomii, bezpieczeństwa, komunikacji/inforozrywki oraz układów napędowych. Akumulatory i systemy zarządzania nimi muszą być chronione przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Złącza typu "board-to-board" stosowane pomiędzy akumulatorami a systemami sterowania, komunikacji i diagnostyki muszą być zabezpieczone przed zakłóceniami, aby każdy z systemów mógł działać jak najbardziej efektywnie. 

— Wraz z nowszą technologią akumulatorów, ładowanie o dużej mocy pozwoli pojazdom elektrycznym na długodystansowe podróże, do których jesteśmy przyzwyczajeni w samochodach z silnikami spalinowymi. Na przykład, jeśli akumulator jest na wyczerpaniu, dzięki stacjom HPC ładującym prądem o natężeniu 500A i napięciu 1000V, można uzyskać do około 80% w ciągu trzech do pięciu minut, w zależności od wielkości akumulatora, jego poziomu naładowania i możliwości pojazdu — powiedział Vince Carioti, dyrektor Phoenix Contact E-Mobility, Ameryka Północna, dla Allied Electronics & Automation, dostawcy produktów Phoenix Contact dla e-mobilności. 

Oprócz systemów ładowania o dużej mocy CHARX, Phoenix Contact oferuje również wysokowydajne złącza do ładowania prądem stałym dużych wymiennych jednostek akumulatorowych. Złącza te mogą obsługiwać prądy do 400A, napięcia do 750 V DC i ponad 10 000 cykli włożenia/wyciągnięcia. 

Zdjęcie po lewej: Wlot do systemów ładowania dużej mocy Phoenix Contact CHARX.

Zdjęcie po prawej: Wysokiej klasy złącza Phoenix Contact do ładowania prądem stałym dużych wymiennych jednostek bateryjnych.

Innym sposobem na szybkie ładowanie jest wymiana zużytego akumulatora na w pełni naładowany. Strategia ta jest szeroko stosowana w Chinach, gdzie stacje wymiany akumulatorów, promowane przez producenta samochodów Nio, instalują nowy pakiet w czasie poniżej trzech minut. Na innych rynkach wymienne zestawy akumulatorów są stosowane w pojazdach użytkowych i roboczych, takich jak wózki widłowe, pojazdy transportowe i autobusy pasażerskie. Jednak większość ładowania pojazdów elektrycznych nadal odbywa się za pośrednictwem złącza wbudowanego w dobrze znany, podręczny format. Złącza do ładowania EV oferują właścicielom pojazdów "doświadczenie pompy benzynowej" na stacji ładowania. 

Wraz ze wzrostem popularności pojazdów elektrycznych będziemy obserwować poprawę jakości akumulatorów i spadek ich cen. Technologie połączeń, które ułatwiają transfer energii do i przez te systemy, będą wspierać ten rozwój i przejście na e-mobilność. 

Źródło: ConnectorSupplier