Evaluation of thermal expansion in busbars used for battery electric vehicles

Thermal expansion can be an issue in solid busbars, the expansion is caused by several factors and can cause plastic deformation in connection points or structure around it. The expansion occurs due to temperature differences in the busbar as a result of altered ambient temperature and/or joule heating. The environment where a vehicle is used can be harsh and varying in temperatures a lot. For future fast charging systems, a high amount of current will be passed in the conductors. In a stationary installation, this could be solved by increasing the cross-section area. In vehicles, the weight, cost, and space limitations callfor optimization of the conductor. In this thesis, there are several geometrical alterations done to the busbar to investigate the possibility to reduce the amount of stress acting on the connection points. The main geometrical evaluation is to compare a straight busbar to a U-shaped busbar. In the U-shape, the height, bend radius, and cross-section shape are investigated. To investigate this issue a simulation model was developed using Comsol, this software was used to evaluate stress values, max temperature, losses, and displacement. The results from the simulation showed that the U-shape has a large potential to reduce the amount of stress. Also, the cross-section shape tests showed that the steady-state temperature was lower for the more flatter shaped busbar. This is true both for the U-shape and straight busbar. This resulted inreduced amount of thermal expansion causing lower amount of stress, without adding any weight. The weight parameter is extremely important for vehicle implementation. The last test is looking at the busbar material where nickel-plated copper is compared to anodized aluminum. This test is divided into two parts, the first one is looking at an aluminum busbar compared to a copper busbar of the same geometry. This test showed that the losses in the aluminum busbar were much higher, but the steady-state temperature and max stress were lower. The second part of the test investigated the compensated aluminum busbar, this one is modeled by compensating the cross-section area for the higher resistance value of aluminum. The results from this busbar compared to the standard-shaped busbar showed a substantially lower stress, temperature and weight. But the overall dimensions are larger due to the compensated cross-section area. Having this larger Cross section area might hinder the implementation of aluminium busbars in parts of the vehicle where there is a lack of space, like in a battery box.Termisk expansion i solida busbars är ett vanligt problem vid kraftig temperaturvariation. Problemet ökar med längden av busbaren och kan leda till plastisk deformation i infästningen av busbaren. Temperaturvariationen kan ske genom varierad omgivningstemperatur eller genom resistiv uppvärmning. Om en busbar ska användas i ett fordon för kraftöverföring är arbetsmiljön mycket påfrestande. Den termiska uppvärmningen går normalt att motverka genom att öka tvärsnittsarean, men i ett fordon där vikt, kostnad och platsbrist minskar möjligheten för ökad tvärsnittsarea blir optimering av ledaren extra viktig. För att undersöka problemet utvecklades en simuleringsmodell med hjälp av Comsol. Denna programvara använder för att utvärdera spänningskoncentrationer, maxtemperatur, förluster och utböjningar i busbaren. För att undersöka eventuella lösningar togs det fram flera geometriska variationer till busbaren, där möjligheten att använda en “U-form” utgjorde basen i en jämförelse mot en vanlig rakbusbar. För U-formen undersöktes U-höjden, böj-radien samt tvärsnittsformen. Även en jämförelse mellan nickelpläterad koppar och anodiserad aluminiumgenomfördes för att urskilja eventuella för och nackdelar med materialen. Resultaten från simuleringarna visade att U-formen gav klart lägre spänning i kontaktpunkterna. Även tvärsnittsformen påverkade temperaturen och spänningen i busbaren, där den plattare varianten presterade bättre på alla parametrar som undersöktes i simuleringen. För utvärderingen av materialet utfördes två tester, det första testet jämför en busbar i aluminium mot en i koppar med exakt samma geometri, detta testvisade att temperaturen samt spänningen blir lägre i aluminiumvarianten, dock ökar förlusterna kraftigt då aluminium har högre resistans än koppar. I den andra testet användes en kompenserad aluminiumbusbar där tvärsnittsarean har ökats för att ge samma resistans som kopparvarianten. Denna busbar fick en mycket lägre sluttemperatur, spänning och vikt. Förlusterna blev detsamma. Den högre tvärsnittsarean ger dock en fysiskt större busbar