大道至簡(jiǎn)，電動(dòng)汽車(chē)的一體化從母排出發(fā)

   新能源汽車(chē)行業(yè)涌現出不少創(chuàng )新，CTC極度簡(jiǎn)化電池結構，800V平臺將電壓提到一個(gè)新高度，多合一集成化系統將車(chē)輛的空間利用和性能最大化。這些創(chuàng )新展現出電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)對集成化和一體化的要求越來(lái)越高，也持續追求著(zhù)高電壓大電流帶來(lái)的功率提升。

結合如今電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)表現出來(lái)的發(fā)展特征和趨勢，高壓連接對靈活性、低電感、大電流、可靠性提出了更高的要求。

疊層母排為什么是高壓連接的理想選擇？

高壓連接貫穿動(dòng)力電池、電驅動(dòng)和其他電子部件，是整車(chē)電氣架構必不可少的組件。

高壓連接的載體通常為電纜、傳統母排和疊層母排。相比前兩種，疊層母排在電氣性能和機械性能兩個(gè)方面具有更強的優(yōu)勢，從而成為了低電感功率傳輸路徑的關(guān)鍵方式。

電氣特性主要體現在載流量、爬電距離、電感。

● 母排相比具有相同橫截面積的線(xiàn)纜多支持15%的功率，被視為配電系統中的高速路，因此在承載高電流的場(chǎng)景里受到重視。疊層母排將多層銅排與絕緣材料層壓成為一個(gè)整體，導電層面積增大，提升了載流量，也增加了散熱面。其可工作的電壓高達幾千伏，電流高達1000A。

● 這種整體性的安裝也可以在爬電距離方面給以更好的控制?？紤]到800V電壓平臺的電動(dòng)汽車(chē)對絕緣的需求，疊層母排的使用變得更有意義。

● 疊層母排的電感遠遠小于銅排，可以大幅降低分布電感，在一定程度上減少電壓尖峰，保護IGBT等電子。尤其SiC半導體器件的開(kāi)關(guān)頻率更高，因此它的雜散電感必須盡可能低，以避免出現過(guò)高的尖峰。

機械特性在于靈活設計和可靠性。

● 與電纜不同的是，疊層母排的設計可以多樣化，比如L型、U型、長(cháng)條形，形成更精確的角度。各種折彎使之更為緊密地貼合車(chē)輛輪廓。剛性的結構又可以更好地適應自動(dòng)化組裝，使安裝變得簡(jiǎn)單、快捷。

● 由于電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中會(huì )不停地振動(dòng)，底部的電能脈絡(luò )往往牽一發(fā)而動(dòng)全身。高壓連接必須經(jīng)久耐用，能夠承受高水平的振動(dòng)，且在極端的溫度環(huán)境中能夠正常工作。疊層母排具備連接高壓部件，保證駕乘人員的安全的剛性。

由此，疊層母排成為電動(dòng)汽車(chē)高壓連接的理想選擇，在逆變器電流輸入、轉換、輸出，動(dòng)力電池內部，以及電能分配各大小環(huán)節中扮演著(zhù)重要角色。

更進(jìn)一步，面對當下和未來(lái)動(dòng)力電池、電驅動(dòng)等關(guān)鍵部件的集成化，疊層母排在與其他元器件的快速互連上發(fā)揮出更高價(jià)值。

綜合考慮性能、成本和安全的逆變器母排設計

三合一及以上電驅動(dòng)系統已經(jīng)占到半壁江山，系統的集成度越來(lái)越高，往六合一、七合一甚至八合一的方向不斷演進(jìn)，而且應用經(jīng)驗越來(lái)越豐富。

在系統集成逐漸深化的過(guò)程中，逆變器被持續地小型化、高功率化、高壓化，需要低電感、可靠的、布局靈活的內部組件，如疊層、集成的母排。

身為電能從動(dòng)力電池向電驅動(dòng)傳輸和轉換的核心部件，逆變器從直流母線(xiàn)接收電池輸出的部分高壓直流電，將其轉換為交流電后驅動(dòng)電動(dòng)機。因而，逆變器對疊層母排的應用基本上圍繞著(zhù)DC輸入、IGBT電路板和AC輸出，提供了幾種綜合考慮性能、成本和安全可靠的一體化設計思路。

為了減少等效串聯(lián)電感，一些企業(yè)要求將DC輸入端的疊層母排與電容集成起來(lái)。該方案可以簡(jiǎn)化母排和電容主體的連接裝配工作，降低裝配成本，而且在外形和布局上更為靈活。

以羅杰斯公司研發(fā)出的ROLINX? CapLink解決方案為例，我們可以一探上述一體設計的究竟。與傳統電容器組不同，ROLINX CapLink產(chǎn)品沒(méi)有標準布局，在外形和布局上更為靈活。母排自身的形狀或矩形或為圓形，非常適用于緊湊的動(dòng)力總成，可極大縮小逆變器的整體尺寸。 

羅杰斯在母排上預組裝了AEC-Q200的汽車(chē)級電容，可以通過(guò)設計優(yōu)化保證最優(yōu)的低電感設計。同時(shí)，客戶(hù)無(wú)需投資工裝和模具，省去了單獨采購母排和電容帶來(lái)的組裝和測試成本。這種一體化的母排方案可加快產(chǎn)品入市的速度，降低時(shí)間成本。

將電容和厚度在0.8mm 以上的銅導體集成需要全新的技術(shù)。為了將電容固定到 ROLINX 疊層母線(xiàn)排上，羅杰斯還開(kāi)發(fā)了一系列獨特的焊接工藝，從激光焊接到波峰焊和機器人焊接，都可以處理厚度在0.6到2 mm的銅材，并保證焊接的可靠性。

針對IGBT電路板，羅杰斯提出ROLINX PowerCircuit? 解決方案，這是一種具有PI絕緣層的厚銅電路，用于在更高功率水平下取代PCB。該方案是更經(jīng)濟的厚板替代方案，可以承受最大800V電壓，高達500kW的功率。而且它具有疊層母排靈活折彎的能力，同時(shí)可以預優(yōu)化設計產(chǎn)品的額電感及導通阻抗等相關(guān)技術(shù)指標，更好的支持功率模塊的工作。

對于A(yíng)C-OUT處的疊層母排，羅杰斯提出了一種噴粉母排方案，ROLINX? Compact采用環(huán)氧粉末涂層母線(xiàn)。噴粉的方案免去了熱縮套管的使用，絕緣層更薄，可忍受125℃的高溫，設計更為緊湊。

綜合來(lái)看，三種疊層母排方案的ROLINX CapLink更緊湊、電感極低、成本更低，ROLINX PowerCircuit能夠承受更高功率，ROLINX Compact設計靈活，幫助逆變器實(shí)現小型設計，能夠在更高切換頻率、更高電壓和更高溫度條件下工作，同時(shí)將功耗降至最低。

最長(cháng)距離、集成最復雜的電連接

電動(dòng)汽車(chē)以PDU為中心，將電能從動(dòng)力電池向逆變器、OBC、空調壓縮機等輻射，連接成一個(gè)網(wǎng)狀。這張網(wǎng)對不同位置的連接要求并非總是相似的，也不如想象般簡(jiǎn)單，需要權衡設計決策。

電池輸出主干連接必須能夠承載高壓大電流傳輸，甚至橫跨縱向車(chē)身支持四驅車(chē)輛雙控制器設計方案，或CTP方案的從后端電源向逆變器供電的連接。

現有的在長(cháng)距離范圍內傳輸能量的載體包含電纜、傳統銅排、軟母排。與粗電纜相比，軟母排需要的絕緣空間較小，降低了電路的長(cháng)度，數量和重量。與傳統的銅排設計相比，軟母排有較強的柔韌性，抗震能力強，而且有較大的彎曲度與易成型的特點(diǎn)，節省安裝時(shí)間。

羅杰斯ROLINX? Flex軟母排方案將帶有絕緣的柔性連接端子和硬疊層母排組合，適用于電動(dòng)汽車(chē)內部振動(dòng)與熱膨脹環(huán)境。一體化的設計可以快速交付和裝配，節省空間。 

與一般軟銅排不同的是，羅杰斯對ROLINX Flex的成本和重量進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)獨特的焊接技術(shù)，羅杰斯可以將不同導電性和機械硬度的材料（不同的鋁合金組合，銅和鋁）焊接在一起，在滿(mǎn)足整體系統良好導電性的同時(shí)，降低產(chǎn)品的重量和成本。

母排通常由銅或鋁制成，鋁具有更高的質(zhì)量導電性，成本更低，而銅具有更高的體積導電性，對于空間受限的部件更有利。若能結合兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，對導體的成本和重量將是有利的。

從規格上看，單層銅排的厚度可以達到6mm，是許多母排生產(chǎn)商所不能的厚度，從而能夠承載足夠大的電流，最大可以做到2m長(cháng)。

連接到各個(gè)高壓系統部件的PDU無(wú)疑是核心，外部具有多個(gè)接口，內部的銅排數量多，質(zhì)量重，裝配工藝復雜。因此優(yōu)化PDU至關(guān)重要。

羅杰斯提出將多個(gè)銅排層壓為疊層母排，每層之間壓制絕緣層，每個(gè)銅層設置高壓器連接端。最終PDU通過(guò)該疊層母排向外部不同高壓系統進(jìn)行電能的傳送。該方案將零散母排通過(guò)疊層母線(xiàn)方案整合為一體化方案，從而降低裝配復雜度和分離母排安裝過(guò)程中可能存在的裝配連接隱患。該整合方案同時(shí)可以集成特別元器件的組裝，如NTC溫度傳感器，V-SENSE電壓傳感器。

圓柱電池的最優(yōu)互連方案

電連接同樣是電池包結構的一個(gè)必要元素，導線(xiàn)、電纜或金屬帶等用于數百顆電芯電芯的連接。但這些互連技術(shù)結構復雜，且易受車(chē)輛行駛振動(dòng)影響而移位，從而產(chǎn)生危險。

特別是CTP技術(shù)大規模應用，CTC即將到來(lái)，電芯被加厚或拉長(cháng)，容量增加，開(kāi)始作為獨立的單元承擔起PACK的成型。如何保證大容量電芯集電器的安全、穩固互連成為一個(gè)新的問(wèn)題。

采用圓柱電池或方形電池的主流車(chē)廠(chǎng)基本采用母排作為電極連接方式。而且由于母排的表面積較大，方便集成電壓、溫度傳感線(xiàn)路。

各種傳感器、和柔性線(xiàn)路板以及功率母排一體化的方案為什么得到多家車(chē)企不同電池類(lèi)型的應用呢？一體化方案首先使正負極端子一體成型，易于電芯電極連接，更重要的是保證了電芯與電池管理系統的連接，提高電池包可靠性。從成本上看，一體化設計通過(guò)消除不必要的材料和工藝以降低客戶(hù)綜合成本。

但是這套一體化方案在成型過(guò)程中也面臨著(zhù)一些挑戰。怎么實(shí)現銅排與FPC之間的焊接，這本質(zhì)上是銅與鋁之間的焊接難題。羅杰斯為解決該問(wèn)題研發(fā)出獨特的工藝，并申請了專(zhuān)利。ROLINX? Hybrid運用特殊專(zhuān)利技術(shù)連接外部信號采集板和功率母排，從而實(shí)現各種連接器、傳感器件和柔性線(xiàn)路板以及功率母排集成的一體解決方案。該套方案在美國和歐洲得到頗為廣泛地采用，在圓柱電池領(lǐng)域擁有豐富的應用經(jīng)驗。

隨著(zhù)4680和CTC方案掀起新一輪圓柱電池的裝機熱潮，ROLINX Hybrid類(lèi)疊層母排集成方案的應用空間將更為廣闊。

相較于方形電池，圓柱電池被視為更適應CTC概念。CTC是用電芯直接集成為底盤(pán)的方案，電芯的容量大小、一致性直接關(guān)系到CTC的性能是否穩定。目前最大的圓柱電池是4680，容量只相當于方形大電芯的六分之一。即使發(fā)生爆炸，4680的風(fēng)險也會(huì )更小，更容易達到安全需求。

CTC的電芯構建成底盤(pán)后，填充在底盤(pán)的可用空間中。大圓柱電池標準化后相比方形電芯可以更好地適應這些空間，配置更為靈活。而且大圓柱電池因為殼體強度以及卷芯的結構，整個(gè)生命周期膨脹率非常小。對于以電芯為最大單元的CTC，較小的膨脹可以最大限度地保證電池的形態(tài)，守護電池的安全。

正是因為上述優(yōu)勢，4680大圓柱電池在發(fā)布后備受矚目。短時(shí)間內，除了松下和特斯拉外，LG化學(xué)、三星SDI、億緯鋰能、寶馬等電池廠(chǎng)商、車(chē)企將4680的布局規劃提上日程。圓柱電池由此迎巨大的市場(chǎng)機遇。

能夠將數百顆圓柱電池通過(guò)電極互連為一個(gè)整體的母排集成方案應用前景將隨之增大，成為一種主流方案。

大道至簡(jiǎn)，從動(dòng)力電池、逆變器內部的短連接，高壓部件之間跨越車(chē)身的長(cháng)連接，配電中心層層疊疊的數量龐大的單導體連接，都在集成的道路上越走越深，追求一體化的簡(jiǎn)約。這一切又造就更加效率和可靠的電動(dòng)汽車(chē)。