Кремнийорганические материалы обеспечивают превосходную защиту кабелей в электромобилях

В спецификациях к кабелям – критически важным компонентам электрических транспортных средств – предъявляются очень строгие технические требования для того, чтобы они могли выдерживать целый ряд потенциальных опасностей, в частности, воздействие высоких температур, создаваемых аккумуляторными батареями и электрическими двигателями в ограниченном пространстве закрытых корпусов электромобилей.

Производители силовых кабелей и комплексных систем для автомобилей должны гарантировать самые высокие уровни термостойкости и огнестойкости своих изделий в каждой части транспортного средства во избежание их отказов и, прежде всего, обеспечить максимальную безопасность для водителей и пассажиров. Для достижения этой цели индустрия электрических транспортных средств всё больше и больше переходит на использование высококачественных вулканизированных горячим способом кремнийорганических компаундов (Heat Cured Rubber - HCR) для изоляции и защиты своих кабелей и проводов, потому что они превосходят традиционные термопластичные материалы и смеси, такие как сшитый полиэтилен и сшитый полиолефин.

Многие производители кабельных изделий изготавливают методом экструзии изоляционные покрытия, используя различные типы термопластичных пластмасс или смесей, в том числе термопластичный каучук, термопластичный полиуретан, поливинилхлоридный пластикат, этиленпропиленовый каучук, хлорированный полиэтилен, сшитый полиэтилен и силиконы. Некоторые производители предпочитают использовать сшитый полиэтилен в качестве материала высшего качества для кабельных оболочек. Действительно, этот материал обладает многими хорошими эксплуатационными характеристиками, но всё же он уступает оптимизированным под требования заказчика специальным силиконовым компаундам с точки зрения термостойкости, износостойкости, гибкости, изоляционных и других свойств. Органический материал, используемый для кабельных оболочек, не способен выдерживать температуры порядка 200°C или выше в течение какого-либо периода времени. Силикон выдерживает температуру до 200°C в течение длительного времени. Кремнийорганические компаунды всё чаще используются производителями электромобилей для таких критически важных компонентов, как кабели и провода. Стандартами LV 216 или ISO 6722-1 установлены два вида требований к испытаниям этих материалов на тепловое старение. Силиконовая оболочка должна продемонстрировать, что она сохраняет целостность при трёх различных температурах и периодах времени, указанных как краткосрочные: класс E 200/205⁰C в течение 240 часов, класс F 225⁰C в течение 2400 часов; и как долгосрочные: класс E 175/200⁰C в течение 3000 часов, класс F 200⁰C в течение 3000 часов.

Стандарты на кабели низкого и высокого напряжения для электромобилей предъявляют особые требования к нераспространению горения и нулевому содержанию галогенов, и они соответствуют требованиям к испытаниям кабелей для легковых автомобилей напряжением 600 В и в будущем - до 800 В.

Эти стандарты испытаний и требования к эксплуатационным характеристикам материалов становятся проблемой для некоторых типов термопластов, используемых для кабельных оболочек, поскольку большинство из них не соответствуют этим требованиям по тепловому старению.

Для электромобилей требуются кабели как высокого, так и низкого напряжения, которые должны отвечать требованиям испытаний на механическую нагрузку и оставаться гибкими при экстремальных отклонениях высоких и низких температур. Композитные материалы, используемые в этих кабелях, должны обеспечивать стойкость к воздействию пламени, а также не содержать галогены и выделять низкий уровень дыма в случае возгорания.

Кабели, используемые в электромобилях (EV) и гибридных электрических транспортных средствах (HEV), обозначаются как кабели низкого напряжения от 0 до 60 В и высокого напряжения, обычно - от 60 В до 800 В. Основным объяснением такой системы обозначения является необходимость обеспечения должным образом адаптированных технических условий по безопасности и характеристикам проводимости. Силиконовые компаунды горячего отвержения соответствуют этому лучше, чем любые другие изоляционные материалы.

Силиконы горячего отвержения также обладают впечатляющими электрическими и диэлектрическими свойствами, которые в сочетании с их гибкостью, термостойкостью и простотой монтажа являются дополнительными преимуществами. Стойкость к воздействию химических веществ, масел, солей, огня и влаги делает силиконы универсальными защитными продуктами, на что могут претендовать лишь немногие другие материалы.

В связи с тем, что в новых электромобилях с более мощными двигателями и увеличенной ёмкостью аккумуляторных батарей повышаются уровни напряжений кабелей, производители должны всё больше учитывать влияние своих транспортных средств на системы, находящиеся в непосредственной близости от них. В электромобилях и гибридных электрических транспортных средствах, оборудованных электродвигателями большой мощности, часто используются оптимизированные по энергопотреблению системы подключения аккумулятора к двигателю с широтно-импульсной модуляцией (PWM), импульсной модуляцией по длительности (PDM) или другие аналогичные системы.

Кабели могут подвергаться особому риску из-за электромагнитного «шума», создаваемого энергией высокого напряжения, который потенциально может действовать как антенна и излучать помехи по всему транспортному средству. Электромагнитные помехи могут нарушать сигналы управления бортовыми двигателями, которые вырабатывают энергию для тяги и других механических или электронных функций.

По мере того как транспортные средства становятся «умнее», оснащаются всё большим количеством датчиков, IT-процессоров, радиочастотных систем и соединений, необходимость экранирования высоковольтных кабелей становится критически важной для обеспечения надёжности и безопасности. Это может быть достигнуто при помощи оплётки или интегрированного экрана для уменьшения электромагнитных излучений, а также с помощью оболочки, которая существенно повышает защиту, но увеличивает сложность конструкции кабеля и его толщину. Оплётки и оболочки могут уменьшить механическую гибкость и повысить необходимость в дополнительном пространстве внутри транспортного средства, что приводит к вопросам по поводу расходов, связанных с поставкой и сборкой, проектом трассировки кабелей и целесообразности их использования внутри транспортного средства. Однако при работе с высоковольтными кабелями в чувствительных зонах транспортного средства необходимо во что бы то ни стало избегать случайных электромагнитных излучений или образования дуг, поскольку это может оказаться деструктивным для жизненно важных функций системы.

Защита от электромагнитных помех, однако, требуется не во всех частях транспортного средства, таких как, например, простые кабели, доставляющие стабильное питание двигателя постоянным током от батарей. Тем не менее, на начальном «плече» некоторых цепей с индуктивной обратной связью и изменяющейся частотой, а также для высоковольтных кабелей, расположенных поблизости от критически важных цепей обеспечения безопасности (таких как датчики близости объекта), устройства должны быть экранированы для предотвращения искажения информации о безопасности. Такая дополнительная защита необходима даже ещё больше для беспилотных или оборудованных системой автономного управления транспортных средств, использующих сигналы глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) для коррекции местоположения, где необходима полная защита приёмников спутниковой связи и соответствующих кабелей.

Необходимый характер защиты от электромагнитных помех может варьироваться в зависимости от характера, уровня мощности и критичности кабелей и окружающей их среды. Оплётка, например, представляет собой наиболее распространённый способ и изготавливается путём переплетения металлических проволок из олова или меди вокруг изоляционного слоя. Слой металлической фольги, обычно изготовленный из алюминия, может использоваться вместо оплётки, обеспечивая 100% физическое экранирование всего кабеля от электромагнитных помех, когда это допустимо в его окружении. Таким образом, покрытие оплёткой, обычно используемое для 70-80% длины кабеля, подходит для кабелей, частично проложенных возле второстепенных электронных устройств, но некоторые стандарты всё чаще требуют минимальной плотности оплётки свыше 80% или даже до 95% для подтверждения целостности систем транспортного средства. Это означает, что при 95% плотности экранирующей оплётки имеется меньше зазоров и требуется больше металлического материала, чем при 70-80% плотности оплётки. Более высокие уровни плотности оплётки добавляют объём и повышают стоимость кабеля, а также способствуют снижению гибкости, не обязательно повышая общую эффективность экранирования. Производителям следует тщательно анализировать сертификационные требования к системам защиты своих автомобилей, прежде чем определять их оптимальную конфигурацию для своих потребностей. Другое ключевое различие между оплёткой и фольгой состоит в том, что они работают в разных частотных диапазонах. Таким образом, в транспортных средствах с широким диапазоном частот или несколькими электронными системами, работающими на различных полосах частот, часто используются кабели, в которых интегрированы и фольга, и оплётка, или они наложены между слоями изоляции. Это может быть особенно важно в тех частях транспортного средства, которые регулярно подвергаются высоким скачкам тока. В этих конфигурациях разработчики транспортных средств должны обеспечить целостность подсистемы для гарантии способности автомобиля работать, не подвергаясь воздействию электромагнитных помех.

Специально разработанные компанией ELKEM силиконовые компаунды горячего отвержения, которые изготавливаются по тщательно составленной рецептуре, адаптированной к конкретным потребностям, с использованием высококачественных добавок, способны решить проблемы экранирования от электромагнитных помех и защитить целостность электроники.

С самого начала создания электромобилей компания ELKEM в сотрудничестве с несколькими международными производителями кабельных изделий разрабатывала высококачественные кремнийорганические компаунды для удовлетворения потребностей в надёжных и специализированных кабелях для развивающейся отрасли электрических и гибридных транспортных средств. Компания заслуженно завоевала свою репутацию поставщика глобальных решений в области силиконовых компаундов для изоляции кабелей, используемых в электрических транспортных средствах. Эти материалы отвечают требованиям стандарта LV 216: класс E (3000 ч при180°C и предел прочности на разрыв >15 Н/мм) и класс F (3000 ч при 200°C и предел прочности на разрыв >15 Н/мм) для обеспечения стабильной работы в течение длительных периодов времени и при воздействии высоких температур. Эти продукты также обладают превосходными диэлектрическими и электропроводящими свойствами для обеспечения непрерывной целостности и высокой надёжности цепи. Их гибкость также способствует быстрому монтажу в условиях ограниченного пространства и в корпусах двигателей.

Специалисты компании ELKEM разрабатывают конкретные решения в соответствии с требованиями производителей кабельных изделий, в том числе пероксидные или платиновые катализаторы и специальные системы катализаторов для изготовления оболочек одножильных или многожильных кабелей.

Норвежский концерн ELKEM AS является одним из крупнейших производителей кремния, силиконов, сплавов для литейной промышленности, углерода и микрокремнезёма и имеет более 30 торговых представительств по всему миру.

Глобальное присутствие компании ELKEM с 29 производственными площадками и научно-исследовательскими центрами, а также полностью интегрированные возможности по переработке кремния в силикон являются ключевыми факторами в удовлетворении потребностей развивающейся электромобильной промышленности. Клиентам обеспечена гарантированная надёжность цепочки поставок благодаря производству этих материалов на нескольких площадках в основных центрах по производству автомобилей по всему миру.

По материалам статьи в журнале Wire & Cable Technology International/May 2022
автор: Allen Johnson, Elkem Silicones Corp.