วัสดุสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและกระบวนการเตรียมการ

ยุคใหม่ของอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่มีภารกิจสองประการ คือ การเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรม การยกระดับ และการปกป้องสภาพแวดล้อมในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นแรงผลักดันสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมสายไฟฟ้าแรงสูงและอุปกรณ์เสริมอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับยานยนต์ไฟฟ้า ผู้ผลิตสายเคเบิลและหน่วยงานรับรองได้ทุ่มเทพลังงานอย่างมากในการวิจัยและพัฒนาสายไฟฟ้าแรงสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า สายเคเบิลไฟฟ้าแรงสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้ามีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสูงในทุกด้าน และต้องเป็นไปตามมาตรฐาน RoHSb ข้อกำหนดมาตรฐานสารหน่วงไฟ UL94V-0 และประสิทธิภาพการทำงานที่นุ่มนวล บทความนี้จะแนะนำวัสดุและเทคโนโลยีการเตรียมสายไฟฟ้าแรงสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

1.วัสดุของสายเคเบิลแรงดันสูง
(1) วัสดุตัวนำของสายเคเบิล
ปัจจุบันวัสดุหลักที่ใช้ทำชั้นตัวนำสายเคเบิลมีอยู่สองชนิด ได้แก่ ทองแดงและอะลูมิเนียม มีบริษัทหลายแห่งเชื่อว่าแกนอะลูมิเนียมสามารถลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก โดยการเติมทองแดง เหล็ก แมกนีเซียม ซิลิคอน และองค์ประกอบอื่นๆ ลงไปบนวัสดุอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ผ่านกระบวนการพิเศษ เช่น การสังเคราะห์และการอบอ่อน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติการนำไฟฟ้า ประสิทธิภาพการดัดงอ และความต้านทานการกัดกร่อนของสายเคเบิล เพื่อตอบสนองความต้องการด้านความสามารถในการรับน้ำหนักที่เท่ากัน เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เทียบเท่าหรือดีกว่าตัวนำแกนทองแดง ดังนั้นจึงช่วยประหยัดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม บริษัทส่วนใหญ่ยังคงใช้ทองแดงเป็นวัสดุหลักของชั้นตัวนำ ประการแรก ทองแดงมีความต้านทานต่ำ และประสิทธิภาพส่วนใหญ่ของทองแดงก็ดีกว่าอะลูมิเนียมในระดับเดียวกัน เช่น ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าสูง การสูญเสียแรงดันไฟฟ้าต่ำ การใช้พลังงานต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง ปัจจุบัน การเลือกตัวนำไฟฟ้าโดยทั่วไปจะใช้ตัวนำไฟฟ้าอ่อนมาตรฐานแห่งชาติ 6 (ลวดทองแดงเส้นเดียวต้องมีความยาวมากกว่า 25% และเส้นผ่านศูนย์กลางของโมโนฟิลาเมนต์ต้องน้อยกว่า 0.30) เพื่อให้มั่นใจถึงความนุ่มและความเหนียวของโมโนฟิลาเมนต์ทองแดง ตารางที่ 1 แสดงรายการมาตรฐานที่ต้องปฏิบัติตามสำหรับวัสดุตัวนำไฟฟ้าทองแดงที่ใช้กันทั่วไป

(2) วัสดุชั้นฉนวนของสายเคเบิล
สภาพแวดล้อมภายในของรถยนต์ไฟฟ้ามีความซับซ้อน ในการเลือกวัสดุฉนวน ในด้านหนึ่งต้องมั่นใจว่าชั้นฉนวนนั้นปลอดภัยในการใช้งาน ในขณะเดียวกันก็ต้องเลือกใช้วัสดุที่แปรรูปง่ายและใช้งานได้หลากหลายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปัจจุบันวัสดุฉนวนที่นิยมใช้กันคือโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC)โพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE)ยางซิลิโคน อีลาสโตเมอร์เทอร์โมพลาสติก (TPE) ฯลฯ และคุณสมบัติหลักแสดงอยู่ในตารางที่ 2
ในจำนวนนี้ PVC มีสารตะกั่ว แต่ข้อกำหนด RoHS ห้ามใช้ตะกั่ว ปรอท แคดเมียม โครเมียมเฮกซาวาเลนต์ โพลีโบรมิเนตเต็ดไดฟีนิลอีเทอร์ (PBDE) และโพลีโบรมิเนตเต็ดไบฟีนิล (PBB) และสารอันตรายอื่นๆ ดังนั้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา PVC จึงถูกแทนที่ด้วย XLPE ยางซิลิโคน TPE และวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอื่นๆ

(3) วัสดุชั้นป้องกันสายเคเบิล
ชั้นป้องกันแบ่งออกเป็นสองส่วน ได้แก่ ชั้นป้องกันแบบกึ่งนำไฟฟ้าและชั้นป้องกันแบบถัก ความต้านทานเชิงปริมาตรของวัสดุป้องกันแบบกึ่งนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 20°C และ 90°C และหลังจากผ่านกระบวนการบ่ม ถือเป็นดัชนีทางเทคนิคที่สำคัญในการวัดวัสดุป้องกัน ซึ่งกำหนดอายุการใช้งานของสายเคเบิลแรงดันสูงทางอ้อม วัสดุป้องกันแบบกึ่งนำไฟฟ้าทั่วไป ได้แก่ ยางเอทิลีน-โพรพิลีน (EPR) โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) และโพลีเอทิลีน (PE)วัสดุพื้นฐาน ในกรณีที่วัตถุดิบไม่มีข้อได้เปรียบและไม่สามารถปรับปรุงคุณภาพได้ในระยะสั้น สถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตวัสดุสายเคเบิลจะมุ่งเน้นไปที่การวิจัยเทคโนโลยีการแปรรูปและอัตราส่วนสูตรของวัสดุป้องกัน และแสวงหานวัตกรรมในอัตราส่วนองค์ประกอบของวัสดุป้องกันเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของสายเคเบิล

2.กระบวนการเตรียมสายไฟฟ้าแรงสูง
(1) เทคโนโลยีสายตัวนำ
กระบวนการพื้นฐานของสายเคเบิลได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานาน จึงทำให้มีข้อกำหนดมาตรฐานเฉพาะของตนเองในอุตสาหกรรมและบริษัทต่างๆ ในกระบวนการดึงลวด อุปกรณ์ตีเกลียวสามารถแบ่งตามโหมดการคลายเกลียวของลวดเส้นเดียวได้เป็น เครื่องตีเกลียวแบบคลายเกลียว เครื่องตีเกลียวแบบคลายเกลียว และเครื่องตีเกลียวแบบคลายเกลียว/คลายเกลียว เนื่องจากอุณหภูมิการตกผลึกของตัวนำทองแดงสูง อุณหภูมิและเวลาในการอบอ่อนจึงยาวนานกว่า จึงเหมาะสมที่จะใช้อุปกรณ์เครื่องตีเกลียวแบบคลายเกลียวในการดึงและดึงลวดโมโนอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับปรุงอัตราการยืดตัวและอัตราการแตกหักของลวดดึง ปัจจุบัน สายเคเบิลโพลีเอทิลีนแบบเชื่อมขวาง (XLPE) ได้เข้ามาแทนที่สายเคเบิลกระดาษน้ำมันในระดับแรงดันไฟฟ้า 1 ถึง 500 กิโลโวลต์อย่างสมบูรณ์ กระบวนการขึ้นรูปตัวนำ XLPE ที่นิยมใช้กันมีสองแบบ ได้แก่ การอัดเป็นวงกลมและการบิดลวด ในด้านหนึ่ง แกนลวดสามารถหลีกเลี่ยงอุณหภูมิและแรงดันสูงในท่อที่เชื่อมขวาง ซึ่งกดวัสดุป้องกันและวัสดุฉนวนเข้าไปในช่องว่างของสายเกลียวและก่อให้เกิดการสูญเสีย ในอีกแง่หนึ่ง ยังสามารถป้องกันการซึมของน้ำในทิศทางของตัวนำ เพื่อให้มั่นใจว่าสายเคเบิลจะทำงานได้อย่างปลอดภัย ตัวนำทองแดงมีโครงสร้างแบบเกลียวซ้อนกัน ซึ่งส่วนใหญ่ผลิตโดยเครื่องเกลียวแบบเฟรมทั่วไป เครื่องเกลียวแบบส้อม ฯลฯ เมื่อเทียบกับกระบวนการอัดแบบวงกลมแล้ว สามารถทำให้ตัวนำเกลียวมีรูปร่างกลมได้

(2) กระบวนการผลิตฉนวนสายเคเบิล XLPE
ในการผลิตสายเคเบิล XLPE แรงดันสูง การเชื่อมขวางแบบแห้งแบบสายเหนือศีรษะ (CCV) และการเชื่อมขวางแบบแห้งแนวตั้ง (VCV) เป็นกระบวนการขึ้นรูปสองแบบ

(3) กระบวนการอัดรีด
ก่อนหน้านี้ ผู้ผลิตสายเคเบิลใช้กระบวนการอัดรีดทุติยภูมิในการผลิตแกนฉนวนสายเคเบิล โดยขั้นตอนแรกคือการอัดรีดแผ่นหุ้มตัวนำและชั้นฉนวน จากนั้นจึงเชื่อมขวางและพันรอบถาดสายเคเบิล วางทิ้งไว้ระยะหนึ่งแล้วจึงอัดรีดแผ่นหุ้มฉนวน ในช่วงทศวรรษ 1970 ได้มีการผลิตกระบวนการอัดรีดแบบ 1+2 ชั้นสามชั้นในแกนลวดที่หุ้มฉนวน ทำให้สามารถอัดรีดแผ่นหุ้มตัวนำและแผ่นหุ้มฉนวนทั้งภายในและภายนอกได้ในขั้นตอนเดียว กระบวนการนี้จะเริ่มอัดรีดแผ่นหุ้มตัวนำหลังจากระยะทางสั้นๆ (2-5 เมตร) จากนั้นจึงอัดรีดแผ่นหุ้มฉนวนและแผ่นหุ้มฉนวนบนแผ่นหุ้มตัวนำไปพร้อมๆ กัน อย่างไรก็ตาม สองวิธีแรกมีข้อเสียอย่างมาก ดังนั้นในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ผู้จัดจำหน่ายอุปกรณ์ผลิตสายเคเบิลจึงได้นำกระบวนการอัดรีดร่วมสามชั้นมาใช้ ซึ่งอัดรีดแผ่นหุ้มตัวนำ ฉนวน และแผ่นหุ้มฉนวนไปพร้อมๆ กัน เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ต่างประเทศยังได้เปิดตัวหัวกระบอกของเครื่องอัดรีดแบบใหม่และการออกแบบแผ่นตาข่ายโค้ง โดยการปรับสมดุลแรงดันในการไหลของโพรงหัวสกรูเพื่อบรรเทาการสะสมของวัสดุ ขยายเวลาการผลิตต่อเนื่อง แทนที่การเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะของการออกแบบหัวอย่างไม่หยุดหย่อน นอกจากนี้ยังช่วยประหยัดต้นทุนเวลาหยุดทำงานและเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก

3. บทสรุป
รถยนต์พลังงานใหม่มีแนวโน้มการพัฒนาที่ดีและมีตลาดขนาดใหญ่ จำเป็นต้องมีผลิตภัณฑ์สายเคเบิลแรงดันสูงหลายรุ่นที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักสูง ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทนทานต่อการดัดงอ มีความยืดหยุ่น อายุการใช้งานยาวนาน และประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ ในการผลิตและครองตลาด วัสดุและกระบวนการเตรียมสายเคเบิลแรงดันสูงสำหรับยานยนต์ไฟฟ้ามีแนวโน้มการพัฒนาที่กว้างขวาง หากไม่มีสายเคเบิลแรงดันสูง รถยนต์ไฟฟ้าจะไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและรับประกันความปลอดภัยในการใช้งานได้