De omvormer in de elektrische mobiliteit en de eisen die aan stekkerverbindingen worden gesteld
Energiebeheer en intelligente stroomvoorziening
Batterijbeheersystemen en vermogenselektronica spelen een sleutelrol in de elektromobiliteit, omdat ze de verschillende componenten in de elektrische auto met elkaar verbinden. De verbindingsfunctie binnen de omvormers wordt vervuld door de connectoren. Deze moeten de signalen, gegevens en hoge stromen ondanks de veeleisende gebruiksomstandigheden betrouwbaar, veilig, snel en zonder verliezen aansturen en overdragen. Hiervoor moeten de connectoren aan een aantal eisen voldoen op het gebied van temperatuurbestendigheid, compactheid en flexibiliteit, evenals prestaties en robuustheid.
Achtergrond: de overgang naar e-mobiliteit
De auto-industrie heeft de afgelopen jaren een verschuiving naar e-mobiliteit doorgemaakt.
Deze verschuiving komt tot uiting in een toegenomen productie van elektrische voertuigen (EV’s) en gestegen verkoopcijfers, evenals in de uitbreiding van de laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen. De vraag van consumenten naar duurzamere vervoersopties groeit gestaag. Ook zijn er hoge investeringen gedaan in batterijtechnologie om vooruitgang te boeken op het gebied van actieradius, prestaties en kosten van elektrische voertuigen. Overheidsstimulansen voor de acceptatie van elektrische voertuigen, de toezeggingen van autofabrikanten om de verbrandingsmotor af te schaffen en aangescherpte emissievoorschriften geven de omschakeling naar elektromobiliteit een blijvende impuls.
Als gevolg hiervan breiden de traditionele autofabrikanten de productie van elektrische voertuigen uit.
Deze verschuiving komt tot uiting in een toegenomen productie van elektrische voertuigen (EV’s) en gestegen verkoopcijfers, evenals in de uitbreiding van de laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen. De vraag van consumenten naar duurzamere vervoersopties groeit gestaag. Ook zijn er hoge investeringen gedaan in batterijtechnologie om vooruitgang te boeken op het gebied van actieradius, prestaties en kosten van elektrische voertuigen. Overheidsstimulansen voor de acceptatie van elektrische voertuigen, de toezeggingen van autofabrikanten om de verbrandingsmotor af te schaffen en aangescherpte emissievoorschriften geven de omschakeling naar elektromobiliteit een blijvende impuls.
Als gevolg hiervan breiden de traditionele autofabrikanten de productie van elektrische voertuigen uit.
Omvormer in een elektrische auto
Omvormers zorgen in elektrische voertuigen voor een intelligente stroomvoorziening en energiebeheer. Ze verbinden de accu van het elektrische voertuig met de elektrische verbruikers in het voertuig en, tijdens het opladen, ook met het openbare elektriciteitsnet. Hiervoor zijn verschillende spanningsniveaus nodig.
Er worden voornamelijk twee soorten omvormers in elektrische auto’s gebruikt: DC/DC-omvormers en AC/DC-omvormers. DC/DC-omvormers wijzigen de spanning van gelijkstroom. AC/DC-omvormers (gelijk- of wisselstroomomvormers) zetten gelijkstroom om in wisselstroom of omgekeerd. Omvormers zetten dus de elektrische energie om in het spanningsniveau en de vorm die de verbruiker nodig heeft, om een optimale prestatie te garanderen.
Omvormers zorgen in de elektrische auto dus voor een efficiënte overdracht tussen de accu en de elektromotor, om een zo groot mogelijk bereik te garanderen. Verder moeten omvormers diverse beveiligingsfuncties vervullen om de elektrische auto en zijn componenten te beschermen tegen overbelasting, overspanning en oververhitting. Al met al dragen omvormers ertoe bij dat de elektrische auto veilig, efficiënt en betrouwbaar functioneert en een hoog vermogen bereikt.
Er worden voornamelijk twee soorten omvormers in elektrische auto’s gebruikt: DC/DC-omvormers en AC/DC-omvormers. DC/DC-omvormers wijzigen de spanning van gelijkstroom. AC/DC-omvormers (gelijk- of wisselstroomomvormers) zetten gelijkstroom om in wisselstroom of omgekeerd. Omvormers zetten dus de elektrische energie om in het spanningsniveau en de vorm die de verbruiker nodig heeft, om een optimale prestatie te garanderen.
Omvormers zorgen in de elektrische auto dus voor een efficiënte overdracht tussen de accu en de elektromotor, om een zo groot mogelijk bereik te garanderen. Verder moeten omvormers diverse beveiligingsfuncties vervullen om de elektrische auto en zijn componenten te beschermen tegen overbelasting, overspanning en oververhitting. Al met al dragen omvormers ertoe bij dat de elektrische auto veilig, efficiënt en betrouwbaar functioneert en een hoog vermogen bereikt.
Eisen aan omvormers
Omvormers moeten aan tal van eisen voldoen. Hiertoe behoren onder meer compatibiliteit, integreerbaarheid en efficiëntie. Dit betekent dat de omvormers compatibel moeten zijn met andere systemen in de elektrische auto, zoals de accu, de elektromotor en de besturingseenheid. Bovendien moeten omvormers eenvoudig te integreren zijn om de assemblage van de elektrische auto te vereenvoudigen en tijd en kosten te besparen. Daarnaast is een hoge efficiëntie onontbeerlijk om een groot bereik mogelijk te maken.
Ook betrouwbaarheid, kosteneffectiviteit en beveiliging tegen overbelasting moeten aanwezig zijn. Een betrouwbare werking is noodzakelijk om een stabiele functie te kunnen garanderen voor veilig en ononderbroken rijden. Omvormers moeten betaalbaar zijn voor de economische eisen van de elektrische auto. Ook moeten omvormers zijn uitgerust met overbelastingsbeveiliging om overbelasting en overspanning te voorkomen en de elektrische auto en zijn componenten te beschermen.
Wat betreft technische eisen spelen de temperatuurbestendigheid, de compactheid, de prestaties en de robuustheid een centrale rol. Zo moeten de omvormers:
Ook betrouwbaarheid, kosteneffectiviteit en beveiliging tegen overbelasting moeten aanwezig zijn. Een betrouwbare werking is noodzakelijk om een stabiele functie te kunnen garanderen voor veilig en ononderbroken rijden. Omvormers moeten betaalbaar zijn voor de economische eisen van de elektrische auto. Ook moeten omvormers zijn uitgerust met overbelastingsbeveiliging om overbelasting en overspanning te voorkomen en de elektrische auto en zijn componenten te beschermen.
Wat betreft technische eisen spelen de temperatuurbestendigheid, de compactheid, de prestaties en de robuustheid een centrale rol. Zo moeten de omvormers:
- binnen een breed temperatuurbereik moeten functioneren en stabiel zijn om in een voertuig te kunnen worden gebruikt
- ; ruimtebesparend en licht moeten zijn, want elk extra gewicht vermindert de actieradius van een elektrische auto;
- een hoog vermogen bij stroom- en gegevensoverdracht moeten leveren om te voldoen aan de behoeften van de elektromotor
- en andere systemen; bestand moeten zijn tegen omgevingsinvloeden, schokken en trillingen, zowel tijdens het installatie- en montageproces als bij geautomatiseerd assembleren en tijdens het gebruik.
Op zoek naar de juiste stekkerverbinding?
Productlijst
Eisen aan connectoren in de omvormer
Omvormers verbinden de verschillende onderdelen in het voertuig, zoals de accu met de elektromotor. Hierbij moeten de omvormers aan de hierboven genoemde eisen voldoen om de gegevens en stroom in realtime en betrouwbaar over te dragen.
De verbindingsfunctie tussen de printplaten binnen de omvormers wordt verzorgd door de connectoren. De connectoren moeten de signalen, gegevens en stromen ondanks de veeleisende omgevingsomstandigheden betrouwbaar, veilig, snel en zonder verlies overbrengen. Voor de connectoren gelden daarom vergelijkbare kwaliteitseisen.
De verbindingsfunctie tussen de printplaten binnen de omvormers wordt verzorgd door de connectoren. De connectoren moeten de signalen, gegevens en stromen ondanks de veeleisende omgevingsomstandigheden betrouwbaar, veilig, snel en zonder verlies overbrengen. Voor de connectoren gelden daarom vergelijkbare kwaliteitseisen.
Temperatuurbestendigheid
De materialen van de stekkers moeten bestand zijn tegen hoge temperaturen, aangezien de gebruiksomstandigheden in de auto dit vereisen. Bij de keuze van de juiste stekker is er voor het isolatielichaam een groot aantal kunststofmaterialen beschikbaar. Het materiaal LCP (Liquid Crystal Polymers) vertoont hier echter zeer goede eigenschappen. Een LCP-isolatiebehuizing onderscheidt zich door een buitengewone maat- en warmtestabiliteit, een hoge stijfheid, ook bij dunwandige componenten, en een lage lineaire warmte-uitzettingscoëfficiënt. De brandbaarheidsklasse UL 94 V-0 resulteert in bedrijfstemperaturen voor connectoren met LCP-isolatie van -55 °C tot +125 °C.
Compactheid en flexibiliteit
Connectoren met een kleine pitch zijn zeer geschikt voor gebruik in omvormers, omdat ze ruimtebesparend zijn, weinig inbouwruimte op de printplaat innemen en daarmee voldoen aan de eis van compactheid. Hiervoor worden bijvoorbeeld systemen met een pitch van 1,27 mm, 0,8 mm of 0,5 mm gebruikt. Maar de connectoren moeten niet alleen klein zijn, maar zich ook aanpassen aan de meest uiteenlopende eisen. Dit betreft bijvoorbeeld de benodigde bouwhoogtes, het aantal polen of de opstelling van de printplaten. Bij connectoren zoals de One27 van ept maken de vele verschillende uitvoeringen het mogelijk om printplaten parallel, horizontaal of haaks op elkaar aan te sluiten, evenals de aansluiting van platte bandkabels op de printplaat.
Het juiste contactsysteem:
de One27 van ept maakt het mogelijk om horizontale printplaatafstanden traploos in te stellen van 8 mm tot 20 mm. Dit wordt mogelijk gemaakt door het ontwerp van het steekvlak met een contactoverlapping van 2,4 mm. Door het gebruik van een kabelverbinding kunnen, afhankelijk van de toepassing, toleranties in alle richtingen worden gecompenseerd en kunnen de individueel vereiste printplaatafstanden worden gerealiseerd.
Meer informatie over het product vindt u hier:
One27 »
de One27 van ept maakt het mogelijk om horizontale printplaatafstanden traploos in te stellen van 8 mm tot 20 mm. Dit wordt mogelijk gemaakt door het ontwerp van het steekvlak met een contactoverlapping van 2,4 mm. Door het gebruik van een kabelverbinding kunnen, afhankelijk van de toepassing, toleranties in alle richtingen worden gecompenseerd en kunnen de individueel vereiste printplaatafstanden worden gerealiseerd.
Meer informatie over het product vindt u hier:
One27 »
Prestaties
Goede signaalintegriteit, die bepalend is voor de kwaliteit van de gegevensoverdracht van zender naar ontvanger, en de bescherming van de signalen zijn een basisvoorwaarde voor het gebruik in omvormers. De gegevens die via de connector worden overgedragen, zorgen er namelijk voor dat de omvormer op een intelligente manier en in realtime gegevens kan doorgeven aan de aangesloten verbruikers. De kwaliteit van de gegevensoverdracht hangt af van drie criteria:
- Het impedantieverloop: zodra de impedantie in het transmissiepad verandert, wordt het signaal gereflecteerd, wat de kwaliteit van de gegevensoverdracht verslechtert. Zelfs een verandering in materiaal of geometrie kan ervoor zorgen dat de impedantie schommelt.
- De invoegdemping, ook wel insertion loss genoemd: deze parameter helpt bij het beoordelen of de ontvanger een signaal over het gehele transmissietraject eenduidig kan identificeren. Als men voor de datasnelheid bij de Zero8-connector van ept (SMT-connector met een raster van 0,8 mm en ScaleX-technologie) een typische waarde voor de insertieverlies van -3 dB als criterium hanteert, resulteert dit bij 8 GHz in een overdrachtssnelheid van minimaal 16 Gbit/s.
- Overkruising bij signaaloverdracht: Overkruising is de ongewenste beïnvloeding van een signaal door een signaal op een andere leiding, waarbij, afhankelijk van de aard van de beïnvloeding, onderscheid wordt gemaakt tussen nabije en verre overkruising. De sterkte van de overkruising hangt in belangrijke mate af van de signaal- en aardingsbezetting.
De signaalintegriteitseigenschappen van een connector kunnen aanzienlijk worden verbeterd door middel van EMC-bescherming (elektromagnetische compatibiliteit). Elektromagnetische compatibiliteit verwijst naar het vermogen van een technisch apparaat om niet te worden verstoord door gewenste en ongewenste elektrische of elektromagnetische effecten, of om andere apparaten niet te verstoren. Elektromagnetische storingen bij connectoren kunnen worden verminderd door middel van een afschermingsconcept. De koppelingsinductiviteit simuleert de connector zowel als storingsbron als storingsput. Aan de hand van de kleurverloop en de waarden van de koppelingsinductiviteit is het effect van het afschermingsconcept duidelijk te zien in de volgende afbeelding.
Door het gebruik van de afgeschermde Zero8-connector kunnen storingsbronnen en storingsafleiders op de printplaat dichter bij elkaar worden geplaatst en kunnen hogere vermogensklassen van het elektrische apparaat worden bereikt bij de voorgeschreven burst- en surge-tests.
Naast de signaalintegriteitseigenschappen vormt ook de stroomdraagkracht van een connector voor de overdracht van vermogen een belangrijke kerncompetentie. Aan de hand van stroombelastbaarheidscurves kan worden bepaald hoeveel stroom bij een bepaalde omgevingstemperatuur door een contact mag worden geleid, om de maximaal toegestane grenswaarde van de component niet te overschrijden. De volgende derating-curve laat als voorbeeld zien hoe bij de Zero8-connector, afhankelijk van het aantal polen en het aantal stroomvoerende contacten, verschillende stroomwaarden per contact ontstaan.
Zoals in de afbeelding te zien is, bereikt een connector met 12 pinnen (blauwe curve) een betere stroomcapaciteit in vergelijking met een connector met 80 pinnen (groene curve). De reden hiervoor is dat er minder hotspots ontstaan in de connectoren met een kleiner aantal polen: hier ontstaat minder warmte en deze kan beter worden verdeeld. De warmte wordt nog beter afgevoerd als de stroom slechts via een klein deel van de contacten loopt (rode curve).
Zoals in de afbeelding te zien is, bereikt een connector met 12 pinnen (blauwe curve) een betere stroomcapaciteit in vergelijking met een connector met 80 pinnen (groene curve). De reden hiervoor is dat er minder hotspots ontstaan in de connectoren met een kleiner aantal polen: hier ontstaat minder warmte en deze kan beter worden verdeeld. De warmte wordt nog beter afgevoerd als de stroom slechts via een klein deel van de contacten loopt (rode curve).
robuustheid
Bij SMT-connectoren komt de robuustheid van een connector bijvoorbeeld tot uiting in de uitvoering van het contactprincipe tussen de stekker- en de stekkerbus met dubbele contacten, de kwaliteit van de contactcoating voor minimale oppervlakte-slijtage of de soldeervoeten, die moeten zijn ontworpen voor een optimale meniscusvorming. Ook bij de verwerking en hantering van SMT-connectoren kan het van belang zijn dat deze zo robuust mogelijk zijn. Bij het aansluiten zelf zorgen insteekschuine vlakken en een ruim bemeten vanggebied voor een hoge tolerantiecompensatie en dienen ze om de hantering van connectoren zo eenvoudig mogelijk te maken.
Connectoren worden in een omvormer blootgesteld aan hevige schokken en trillingen, aangezien ze doorgaans dicht bij de motor worden gemonteerd. Schokken en trillingen brengen het constante en storingsvrije contact tussen de printplaat en de connector, evenals tussen de connectoren onderling, in gevaar. Een betrouwbare en duurzame verbinding tussen een connector en de printplaat wordt bijvoorbeeld bereikt door middel van de inperstechniek. Met de inperstechniek wordt gestreefd naar zo groot mogelijke houdkrachten tussen de connector en de printplaat. De houdkrachten zijn namelijk bepalend voor de mechanische verbinding, die op haar beurt schokken en trillingen moet weerstaan. Deze aansluittechniek is een beproefde methode waarbij een inperspen in een gat in de printplaat wordt geperst en door mechanische vervorming van de pen een gasdichte, corrosievrije, laagohmige en elektrisch veilig geleidende mechanische verbinding ontstaat, die ook geschikt is voor het inlijmen. ept GmbH biedt zowel catalogusproducten als klantspecifieke oplossingen met deze verwerkingstechniek aan.
Bij deze methode heeft de inperspen een grotere diagonaal dan de gatdiameter van de printplaat. De pen van de connector is flexibel in de inperszone, zodat de printplaat niet wordt vervormd of beschadigd door de fysieke krachten tijdens het inpersproces. De vervorming blijft dus beperkt tot de inperszone. Tijdens het inpersproces ontstaat een koudlasverbinding tussen de contactpen en het gemetalliseerde gat in de printplaat, waardoor de verbinding mechanisch zeer belastbaar is, zonder dat de printplaat thermisch wordt belast door een soldeerproces. Bovendien is deze gespecificeerd in DIN EN 60352-5 en blijft hij ook bij zeer hoge mechanische en thermische belastingen, zoals trillingen, buiging en sterke temperatuurschommelingen, contactveilig en is hij bestand tegen schokbelastingen tot 200 g. Door de inperstechniek onderscheidt de Flexilink-connector van ept zich door bijzondere kwaliteitskenmerken:
Bij deze methode heeft de inperspen een grotere diagonaal dan de gatdiameter van de printplaat. De pen van de connector is flexibel in de inperszone, zodat de printplaat niet wordt vervormd of beschadigd door de fysieke krachten tijdens het inpersproces. De vervorming blijft dus beperkt tot de inperszone. Tijdens het inpersproces ontstaat een koudlasverbinding tussen de contactpen en het gemetalliseerde gat in de printplaat, waardoor de verbinding mechanisch zeer belastbaar is, zonder dat de printplaat thermisch wordt belast door een soldeerproces. Bovendien is deze gespecificeerd in DIN EN 60352-5 en blijft hij ook bij zeer hoge mechanische en thermische belastingen, zoals trillingen, buiging en sterke temperatuurschommelingen, contactveilig en is hij bestand tegen schokbelastingen tot 200 g. Door de inperstechniek onderscheidt de Flexilink-connector van ept zich door bijzondere kwaliteitskenmerken:
- Geringe spuitmondeffect (d.w.z. vervorming van het geleiderpad)
- Voorkoming van koude soldeerpunten en kortsluitingen door soldeerbruggen
- Hoge sterkte en robuustheid in combinatie met uitstekende veereigenschappen
- Procesveilige verwerkbaarheid door optimale afstemming op de verwerkingstechniek
- Betrouwbare reproduceerbaarheid in de productie door gestanste vormgeving
- Voldoet aan de hoogste eisen van toonaangevende fabrikanten in de auto-elektronica
- Hoogste betrouwbaarheid en storingsvrijheid, miljarden keren bewezen
Wilt u nog meer gedetailleerde vakkennis over de inperstechniek opdoen?
Voor uitgebreide informatie over de basisprincipes van de inperstechniek sturen wij u graag onze gratis whitepaper toe:
Whitepaper aanvragen »
Voor uitgebreide informatie over de basisprincipes van de inperstechniek sturen wij u graag onze gratis whitepaper toe:
Whitepaper aanvragen »
Heeft u nog vragen?
Neem dan gerust contact met ons op!
Aanvraag via het formulier
+49 8861 2501 0
sales@ept.de
Neem dan gerust contact met ons op!
Aanvraag via het formulier
+49 8861 2501 0
sales@ept.de