大道至簡，電動汽車的一體化從母排出發(fā)

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

結合如今電動汽車行業(yè)已經(jīng)表現(xiàn)出來的發(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？

高壓連接貫穿動力電池、電驅動和其他電子部件，是整車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(tǒng)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鍵方式。

電氣特性主要體現(xiàn)在載流量、爬電距離、電感。

● 母排相比具有相同橫截面積的線纜多支持15%的功率，被視為配電系統(tǒng)中的高速路，因此在承載高電流的場景里受到重視。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。考慮到800V電壓平臺的電動汽車對絕緣的需求，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半導體器件的開關頻率更高，因此它的雜散電感必須盡可能低，以避免出現(xiàn)過高的尖峰。

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、長條形，形成更精確的角度。各種折彎使之更為緊密地貼合車輛輪廓。剛性的結構又可以更好地適應自動化組裝，使安裝變得簡單、快捷。

● 由于電動汽車在行駛過程中會不停地振動，底部的電能脈絡往往牽一發(fā)而動全身。高壓連接必須經(jīng)久耐用，能夠承受高水平的振動，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，疊層母排成為電動汽車高壓連接的理想選擇，在逆變器電流輸入、轉換、輸出，動力電池內部，以及電能分配各大小環(huán)節(jié)中扮演著重要角色。

更進一步，面對當下和未來動力電池、電驅動等關鍵部件的集成化，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系統(tǒng)已經(jīng)占到半壁江山，系統(tǒng)的集成度越來越高，往六合一、七合一甚至八合一的方向不斷演進，而且應用經(jīng)驗越來越豐富。

在系統(tǒng)集成逐漸深化的過程中，逆變器被持續(xù)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。

身為電能從動力電池向電驅動傳輸和轉換的核心部件，逆變器從直流母線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電動機。因而，逆變器對疊層母排的應用基本上圍繞著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。該方案可以簡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(tǒng)電容器組不同，ROLINX CapLink產(chǎn)品沒有標準布局，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的汽車級電容，可以通過設計優(yōu)化保證最優(yōu)的低電感設計。同時，客戶無需投資工裝和模具，省去了單獨采購母排和電容帶來的組裝和測試成本。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。為了將電容固定到 ROLINX 疊層母線排上，羅杰斯還開發(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，同時可以預優(yōu)化設計產(chǎn)品的額電感及導通阻抗等相關技術指標，更好的支持功率模塊的工作。

對于AC-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。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，幫助逆變器實現(xiàn)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，同時將功耗降至最低。

最長距離、集成最復雜的電連接

電動汽車以PDU為中心，將電能從動力電池向逆變器、OBC、空調壓縮機等輻射，連接成一個網(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，甚至橫跨縱向車身支持四驅車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(xiàn)有的在長距離范圍內傳輸能量的載體包含電纜、傳統(tǒng)銅排、軟母排。與粗電纜相比，軟母排需要的絕緣空間較小，降低了電路的長度，數(shù)量和重量。與傳統(tǒng)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，節(jié)省安裝時間。

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，適用于電動汽車內部振動與熱膨脹環(huán)境。一體化的設計可以快速交付和裝配，節(jié)省空間。 

與一般軟銅排不同的是，羅杰斯對ROLINX Flex的成本和重量進行了優(yōu)化。通過獨特的焊接技術，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，在滿足整體系統(tǒng)良好導電性的同時，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，對導體的成本和重量將是有利的。

從規(guī)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。

連接到各個高壓系統(tǒng)部件的PDU無疑是核心，外部具有多個接口，內部的銅排數(shù)量多，質量重，裝配工藝復雜。因此優(yōu)化PDU至關重要。

羅杰斯提出將多個銅排層壓為疊層母排，每層之間壓制絕緣層，每個銅層設置高壓器連接端。最終PDU通過該疊層母排向外部不同高壓系統(tǒng)進行電能的傳送。該方案將零散母排通過疊層母線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程中可能存在的裝配連接隱患。該整合方案同時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必要元素，導線、電纜或金屬帶等用于數(shù)百顆電芯電芯的連接。但這些互連技術結構復雜，且易受車輛行駛振動影響而移位，從而產(chǎn)生危險。

特別是CTP技術大規(guī)模應用，CTC即將到來，電芯被加厚或拉長，容量增加，開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(wěn)固互連成為一個新的問題。

采用圓柱電池或方形電池的主流車廠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、溫度傳感線路。

各種傳感器、和柔性線路板以及功率母排一體化的方案為什么得到多家車企不同電池類型的應用呢？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(tǒng)的連接，提高電池包可靠性。從成本上看，一體化設計通過消除不必要的材料和工藝以降低客戶綜合成本。

但是這套一體化方案在成型過程中也面臨著一些挑戰(zhàn)。怎么實現(xiàn)銅排與FPC之間的焊接，這本質上是銅與鋁之間的焊接難題。羅杰斯為解決該問題研發(fā)出獨特的工藝，并申請了專利。ROLINX? Hybrid運用特殊專利技術連接外部信號采集板和功率母排，從而實現(xiàn)各種連接器、傳感器件和柔性線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，在圓柱電池領域擁有豐富的應用經(jīng)驗。

隨著4680和CTC方案掀起新一輪圓柱電池的裝機熱潮，ROLINX Hybrid類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的方案，電芯的容量大小、一致性直接關系到CTC的性能是否穩(wěn)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的風險也會更小，更容易達到安全需求。

CTC的電芯構建成底盤后，填充在底盤的可用空間中。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。短時間內，除了松下和特斯拉外，LG化學、三星SDI、億緯鋰能、寶馬等電池廠商、車企將4680的布局規(guī)劃提上日程。圓柱電池由此迎巨大的市場機遇。

能夠將數(shù)百顆圓柱電池通過電極互連為一個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，從動力電池、逆變器內部的短連接，高壓部件之間跨越車身的長連接，配電中心層層疊疊的數(shù)量龐大的單導體連接，都在集成的道路上越走越深，追求一體化的簡約。這一切又造就更加效率和可靠的電動汽車。