Analisi dei materiali isolanti per sbarre laminate: selezione e applicazione di isolamenti flessibili e rigidi

Con lo sviluppo di nuovi veicoli energetici, sistemi di stoccaggio dell'energia, trasporto ferroviario e apparecchiature elettriche industriali, le sbarre laminate sono ampiamente utilizzate grazie alla loro bassa induttanza, alta affidabilità e struttura compatta. Che si tratti di una sbarra collettrice per veicoli elettrici, di una batteria per auto o di un sistema di sbarre collettrici di condensatori di tipo industriale-, la scelta del materiale isolante influisce direttamente sulle prestazioni elettriche, sulla durata di servizio e sul livello di sicurezza del prodotto.

 

Per i moderni sistemi di sbarre collettrici automobilistiche, lo strato isolante non serve solo come isolamento del conduttore, ma deve anche soddisfare i requisiti di resistenza al calore, resistenza alla tensione, ritardo di fiamma e funzionamento affidabile a lungo-termine. Pertanto, una conoscenza approfondita delle caratteristiche dei materiali isolanti flessibili e rigidi è fondamentale per la progettazione e la selezione delle sbarre.

 

 

 

Attualmente, la maggior parte delle sbarre collettrici laminate utilizza una struttura isolante a film sottile-flessibile, che lega saldamente il film isolante al conduttore di rame attraverso un processo di laminazione. Questo processo riduce efficacemente la spaziatura dei conduttori, migliora l'integrazione del sistema e garantisce eccellenti prestazioni di isolamento delle sbarre.

 

Materiale isolante in poliestere (PET).

Il PET è uno dei materiali isolanti più utilizzati e detiene una quota di mercato significativa nel settore dell'isolamento PET delle sbarre collettrici automobilistiche. Le sue caratteristiche principali includono:

Temperatura operativa a lungo-termine fino a 105 gradi; Elevato allungamento, tipicamente superiore al 100%, adatto per strutture di flessione complesse; Buona tenacità meccanica e prestazioni di stampaggio; Elevato indice di tracking relativo (CTI); Disponibile in vari spessori per soddisfare diversi livelli di tensione; Eccellenti proprietà ritardanti di fiamma, che soddisfano i requisiti delle applicazioni industriali e automobilistiche.

Nei sistemi di alimentazione dei veicoli a nuova energia, gli strati isolanti in PET sono ampiamente utilizzati nelle sbarre collettrici delle batterie dei veicoli elettrici, nelle sbarre collettrici di terra per autoveicoli e nei prodotti sbarre collettrici per auto.

 

Materiale isolante in poliimmide (PI).

PI è un materiale isolante resistente alle alte-prestazioni-alle alte temperature con una temperatura operativa continua che in genere supera i 200 gradi.

Rispetto al PET il PI presenta le seguenti caratteristiche:

Resistenza superiore alle alte-temperature; Eccellente ritardo di fiamma intrinseco; Maggiore rigidità meccanica; Più adatto per processi di saldatura; Costo relativamente più elevato; CTI inferiore rispetto al PET.

Pertanto, nelle applicazioni che richiedono la saldatura di condensatori, moduli di potenza o connettori, il materiale PI viene spesso utilizzato nelle sbarre collettrici di condensatori a film per veicoli ad energia nuova e in alcune sbarre collettrici per prodotti di condensatori di potenza.

 

Differenze tra isolamento flessibile e rigido

L'isolamento flessibile viene utilizzato principalmente per isolare la superficie dei conduttori in rame, formando una struttura isolante completa attraverso la laminazione.

 

I suoi vantaggi includono:

Permette la completa sigillatura dei lembi dei conduttori;

È adatto per progetti strutturali tri-dimensionali complessi;

Riduce efficacemente le dimensioni del sistema;

Facilita la produzione di massa e la produzione automatizzata.

 

L'isolamento rigido, invece, viene utilizzato principalmente per la spaziatura e il supporto tra i diversi strati conduttori.

Per i sistemi ad alta-tensione, l'isolamento flessibile da solo spesso non è in grado di soddisfare i requisiti di distribuzione del campo elettrico e di controllo delle scariche parziali; pertanto sono necessari materiali isolanti rigidi per aumentare la distanza di isolamento.

 

Tipicamente:

È necessario circa 1 mm di spaziatura dell'isolamento per ogni aumento di 1 kV della tensione operativa;

Maggiore è la tensione operativa, maggiore è lo spessore dell'isolamento rigido;
I sistemi ad alta-tensione utilizzano in genere pannelli in poliestere rinforzato con fibra di vetro come strato isolante strutturale.

Nella progettazione di sbarre collettrici ad alta- tensione, l'isolamento rigido è un componente fondamentale che garantisce un funzionamento stabile a lungo-termine, mentre i sistemi automobilistici con sbarre collettrici a bassa- tensione in genere non richiedono strutture isolanti rigide aggiuntive e pesanti.

 

 

 

Indice di temperatura relativa (RTI)

L'RTI è un indicatore importante della-resistenza al calore a lungo termine dei materiali isolanti.

 

Il Relative Tracking Index (RTI) è definito come:

La temperatura alla quale le proprietà meccaniche ed elettriche di un materiale diminuiscono al 50% dei valori iniziali dopo circa 20.000 ore di funzionamento a lungo termine.

 

Per i sistemi di veicoli elettrici a sbarre collettrici con funzionamento a lungo termine-, l'RTI ha un impatto diretto sulla durata del prodotto.

Generalmente:

 

Per ogni diminuzione di 10 gradi della temperatura, la durata dell'isolamento raddoppia circa;

Per ogni aumento di 10 gradi della temperatura, la durata dell'isolamento può ridursi di circa la metà.

 

Pertanto, quando si progetta una sbarra collettrice in rame stagnato per veicoli elettrici, è necessario considerare in modo completo sia le soluzioni di gestione termica che i tipi di materiali isolanti.

 

 

CTI riflette la resistenza superficiale del materiale al tracciamento.

 

Quando l'apparecchiatura è esposta ad ambienti umidi, inquinati o ad alta-tensione per periodi prolungati, un valore CTI più elevato riduce efficacemente il rischio di dispersione superficiale.

 

Per i sistemi di accumulo di energia industriale, le sbarre di condensatori CC e le sbarre di laminazione di condensatori di grandi dimensioni, il CTI è un parametro cruciale che influisce sulla progettazione della sicurezza.

 

I materiali PET in genere hanno rating CTI più elevati e sono quindi più ampiamente utilizzati nelle applicazioni ad alta-tensione.

 

L'allungamento rappresenta la capacità di un materiale di mantenere le sue proprietà isolanti sotto tensione.

Questo parametro influenza direttamente:

Prestazione di flessione;
Qualità dell'avvolgimento dei bordi del conduttore;
Stabilità del processo di sigillatura;
Affidabilità meccanica-a lungo termine.

I materiali PET tipicamente hanno un allungamento superiore al 100%, mentre i materiali PI si aggirano intorno al 70%. Pertanto, il PET è più adatto per complessi processi di laminazione di conduttori in rame.

 

 

Sistemi energetici industriali

I requisiti delle apparecchiature industriali per le sbarre collettrici si concentrano principalmente sull'alta tensione e sulla lunga durata.

 

Le caratteristiche tipiche includono:

Tensione operativa tipicamente compresa tra 1000 V e 6000 V;
Requisiti rigorosi per il controllo delle scariche parziali;
Requisito per maggiori strutture di isolamento rigido;
Requisiti di distanza superficiale elevata;
Durata di servizio da 20 a 25 anni o più.

 

Pertanto, le apparecchiature di stoccaggio dell'energia ad alta-tensione, il trasporto ferroviario e i sistemi di distribuzione dell'energia su larga-scala tendono a utilizzare materiali ad alto CTI e strutture isolanti più spesse per le sbarre di distribuzione.

 

 

 

Le applicazioni dei veicoli a nuova energia pongono maggiore enfasi sull’alleggerimento, sull’utilizzo dello spazio e sul controllo dei costi.

Le caratteristiche tipiche includono:

 

I livelli di tensione sono generalmente inferiori a 800 V;
Requisiti inferiori per le scariche parziali;
Tipicamente impiegando strutture isolanti laminate flessibili;
Più sensibile al peso e al volume;
La durata della vita è generalmente dai 5 ai 10 anni.

 

Pertanto, prodotti come carrelli per sbarre collettrici, connettori di alimentazione per automobili e automobili con sbarre collettrici in banda stagnata- utilizzano sempre più soluzioni di isolamento in PET o PI per soddisfare i requisiti di progettazione compatta.

 

 

Oltre alla tecnologia dell'isolamento laminato, anche l'isolamento tramite verniciatura a polvere è una soluzione comune.

 

Questo processo consente di ottenere una protezione totale dell'isolamento formando un rivestimento di resina epossidica sulla superficie del conduttore ed è particolarmente adatto per conduttori singoli strutturalmente complessi.

 

I suoi vantaggi includono:

Può coprire geometrie complesse;
Adatto per conduttori non-laminati;
Buona resistenza alla corrosione;
Può soddisfare alcuni requisiti delle applicazioni a bassa-tensione.

 

Tuttavia, per le sbarre automobilistiche e le applicazioni per veicoli elettrici a sbarre collettrici che richiedono bassa induttanza ed elevata densità di potenza, la tecnologia di isolamento laminato rimane la soluzione principale.

 

 

 

I materiali isolanti sono un componente cruciale che determina le prestazioni delle sbarre laminate. PET e PI, essendo i materiali isolanti flessibili più comuni, presentano ciascuno i propri vantaggi in diversi scenari applicativi. Per i sistemi industriali ad alta-tensione, RTI, CTI e strutture di isolamento rigido devono essere considerati in modo completo, mentre per il settore dei veicoli a nuova energia, l'attenzione si concentra maggiormente sulla progettazione leggera, sull'utilizzo dello spazio e sull'efficienza produttiva.

 

Con lo sviluppo diSbarre EV, sbarre collettrici di condensatori e nuovi dispositivi elettronici di potenza, la tecnologia dei materiali isolanti continuerà ad aggiornarsi, fornendo soluzioni più sicure ed efficienti per i futuri sistemi di connessione elettrica ad alta-potenza e alta-affidabilità.