SAMZO подогнала паяные клеммы под условия систем накопления энергии
По отраслевым замерам больше 80% неисправностей накопителей, не связанных с самими элементами, идёт от плохого контакта на плате, перегрева, усталости паяных соединений и коррозии клемм. Компания ответила подбором сплавов по току, дугообразной ножкой и многослойным покрытием.
Накопители энергии годами работают в тяжёлых сочетанных условиях: большие переменные токи заряда и разряда, резкие перепады температуры, постоянная вибрация, высокая влажность и соляной туман, длительное выпадение росы в закрытом объёме. По многочисленным отраслевым замерам, свыше 80% неисправностей накопительного оборудования, не связанных с самими элементами батарей, происходят от плохого контакта на точках подключения к печатной плате, превышения допустимого перегрева, усталостного старения паяных соединений и коррозии клемм.
Паяные клеммы для печатных плат — основной соединительный элемент систем управления батареями, силовых преобразовательных плат и плат сбора данных с элементов, поэтому их пригодность к условиям работы и долговременная надёжность прямо определяют КПД заряда и разряда, безопасность и двадцатилетний срок службы всего накопителя. Обычные универсальные клеммы из-за ограничений конструкции, материалов и технологии к таким условиям не подходят и часто перегреваются, дают непропаи, обрывы, уход сигнала и коррозионные отказы.
Компания SAMZO (三佐) больше десяти лет занимается силовыми соединительными элементами и отдельно переработала изделия под условия работы накопителей — от выбора материалов, конструкции и покрытий до изоляции, стойкости к вибрации и температуре, пригодности к пайке и контроля безопасности.
Почему обычные клеммы не годятся. Накопители работают с частыми циклами заряда и разряда, а промышленные и сетевые установки несут напряжение до 1500 В и длительные токи в сотни ампер при очень высоких мгновенных пиках. У обычных клемм малое сечение, посредственный проводящий материал и тонкое покрытие, поэтому при переменных токах сопротивление контакта со временем уходит, местный перегрев превышает норму, и возникает замкнутый круг «нагрев — окисление — рост сопротивления — ещё больший нагрев», который заканчивается выгоранием контактной площадки и обрывом цепи, а в тяжёлых случаях грозит тепловым разгоном. Изоляция у обычных клемм тоже слабая, так что при высоком напряжении возможны поверхностные разряды и утечки.
Рабочая температура накопителей охватывает диапазон от −40 до 125 °C при резких суточных и сезонных перепадах. У обычных клемм коэффициенты теплового расширения металла, пластмассового основания и материала платы не согласованы, а конструкции для снятия напряжений нет, поэтому при температурных циклах паяные соединения постоянно испытывают растягивающие усилия, а со временем в них появляются микротрещины, непропаи и отрывы — ухудшение заметно уже после нескольких сотен температурных циклов, что никак не отвечает требуемому сроку службы 10–25 лет.
Система охлаждения накопительного шкафа работает круглосуточно и создаёт постоянную мелкую вибрацию, а у автомобильных, переносных и наружных накопителей к ней добавляются тряска при перевозке и наружные удары. У обычных клемм тонкие паяные ножки и нет замка от вибрации, поэтому соединения устают, провода расшатываются, а это приводит к обрывам сигнала и сбоям передачи мощности.
Прибрежные накопительные станции, наружные контейнеры и закрытые батарейные шкафы постоянно сталкиваются с соляным туманом, конденсатом и небольшим испарением электролита. Однослойное оловянное покрытие обычных клемм слабо сопротивляется коррозии и быстро темнеет и ржавеет, а изолирующее основание набирает воду, становится хрупким и трескается.
Что сделала SAMZO. Вместо единого материала для всех изделий введена многоуровневая система выбора под разную нагрузку: для домашних накопителей применяется высокочистая латунь H65 с высокой проводимостью и устойчивым перегревом; для промышленных накопителей средней и большой мощности — фосфористая бронза QSn6.5-0.1, которая гораздо лучше сопротивляется усталости и деформации; для сетевых высоковольтных установок большой мощности — высокочистая медь T2 с заметно большим сечением, что снижает плотность тока и держит перегрев при полной длительной нагрузке строго в пределах 30 К.
Изолирующее основание выполнено по двум системам — модифицированный полиамид PA66 и жидкокристаллический полимер LCP, — и вся линейка имеет наивысший класс огнестойкости UL94-V0 и индекс стойкости к поверхностному пробою не ниже 600 В, выдерживая высокое напряжение, не впитывая воду и не трескаясь.
Под вибрацию, температурные циклы и большие токи компания разработала несколько своих конструктивных решений. Дугообразная паяная ножка R-образной формы снимает растягивающие усилия от температурных циклов и вибрации, уменьшая нагрузку на паяное соединение вдвое: после 2000 сочетанных циклов нагрева, охлаждения и вибрации прочность пайки сохраняется более чем на 85%.
Мощные клеммы несут ток через несколько параллельных ножек, а не через одну точку: ток распределяется равномерно, местных перегрузок и перегрева не возникает, и такая клемма хорошо подходит к накопительным платам с толстой медью 3–6 унций — площадка прилегает плотнее, а несущая способность выше. Встроенная защёлка от расшатывания не допускает ослабления провода и потери контакта при вибрации.
Под разную коррозионную обстановку применяются свои многослойные покрытия вместо дешёвого однослойного олова. Для внутренних районов и обычных промышленных накопителей — двойное покрытие из никелевого подслоя и утолщённого олова, проходящее 500 часов испытаний в нейтральном соляном тумане. Для прибрежных, наружных и сетевых накопителей — составное никель-серебряное покрытие со стойкостью в соляном тумане более 1000 часов, рассчитанное на 25 лет защиты от морского воздуха и паров электролита. Для клемм сбора сигналов систем управления батареями — золочение, стойкое к износу и фреттинг-коррозии, у которого сопротивление контакта не уходит и после десятков тысяч циклов заряда и разряда.
Клеммы изготавливаются точной штамповкой с допуском размеров ±0,02 мм, без заусенцев и искажений формы, и пригодны для автоматической пайки оплавлением и волной. Особая трапециевидная канавка на паяной ножке обеспечивает равномерное смачивание припоем: доля пустот в соединении менее 0,5%, что заметно ниже среднего по отрасли уровня брака.
Под разные применения компания предлагает свои исполнения. Для домашних гибридных установок и бытовых накопительных инверторов, где мало места и велики объёмы выпуска, подходят малогабаритные клеммы: они экономят место на плате, их утолщённое хорошо смачиваемое покрытие годится для серийной пайки с очень малым браком, а модифицированное огнестойкое основание долго выдерживает выпадение росы в помещении, не впитывая воду и не допуская утечек.
Материал предоставлен и разрешён к публикации компанией SAMZO.