电动汽车高压线束的设计要求和标准

       一、高压线束简介

  近年来随着国jia的大力支持和推进，中国的新能源汽车的发展取得了长足进步，各式各样的新能源汽车已经陆续走进我们的日常生活。简单来说新能源汽车主要是指采用非常规的车月燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。主要包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。

  但不管新能源汽车的形式是如何的，他们共同的特点是使用高达300V~600V甚至更高的电压平台，涉及到布线，而且他们都有着相同的基本要求，即是在电磁干扰保护系统下的安全传输高的电流和电压。而高压电缆正是用于连接高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机，从而实现动力电能的传输。但是需要说明的是电动汽车的高压线束并不等同于我们日常生活中的高压电力输送电缆，仅是相对于常规汽车的低压系统相对而言的。

  二、电动汽车高压线束的要求

  1. 电压

  和常规汽车电缆的基本差异是结构需要按额定电压600 V设计，而如果在商用车和公共汽车上使用，额定电压可高达1000 V。相比之下，甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额定电压60 V。

  系统在产生的功率(P = U×I)不变的情况下，由于使用较低的电流，高电压可以减少在传输系统的功率损耗(PLOSS= I2×R)。

  2. 电流

  由于电缆连接电池，逆变器和电动机，高压电缆需要传输高电流。根据系统组件的功率要求，电流可达到250A到450A。这么高的电流在常规驱动的车辆上是很难找到的。

  3. 温度

  高电流传输的结果导致高功耗和组件的加热。因此高压电缆设计为承受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。

  相比之下，目前的车辆通常使用电缆的额定温度到105℃就足够了，只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高压电缆通常要高于这个温度，如125℃或150℃。

  电动化汽车内如果通过的路由不利，主机厂甚至会提出更高的耐高温要求。如排气管附近，电机前面，电池背面等。

  4. 工作寿命

  汽车行业通常在指定的温度等级电缆设计使用寿命为3000 h。在公认的电缆标准(如ISO 6722、ISO 14572)，此值通常用于长期老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能超过3000 h，在规定的温度累计运行时间甚至达到至12000 h。

  5. 屏蔽效果

  高压电缆的本身并不需要屏蔽，因为不像同轴电缆那样传输数据，但是需要防止或减少系统中的开关电源产生的高频辐射通过电缆诱导到周边部件。

  和燃料驱动的车辆不同，控制电动汽车的电机的三相交流电成为必须。携带能量的正弦电压相当于不同频率的方波脉冲信号。由于高频率的脉冲具有陡峭的沿，所以会产生能量很强的谐波发射到周边区域。

  通过使用适当的屏蔽方法完全可以解决EMI问题。在某些情况下为满足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽类型的组合。

  6. 柔韧性

  混合动力汽车的开发在许多情况下面临的挑战是，现有的系列平台原来只设计装载汽油发动机和它的组件的空间纳入了更多的电气组件。即使不考虑布线，空间的限制可以预计。此外，电缆和连接器通过路由也需要空间。通常的后果是导致紧张的弯曲半径。

  由于常规电缆固有的设计，高弯曲力难以克服。为了解决这个问题，高压电缆高柔韧性是至关重要的。只有比较柔韧的设计，通过车辆的路由才可以容易实现。

  7. 耐弯曲

  如果电动机位于靠近车辆的运动部位，然后导致连接的高压电缆连续振动，它要求被设计成能承受高的循环弯曲，以确保良好的弯曲耐力。

  8. 标识

  因为高电压带来应用风险增加，各种标准均定义高压电缆必须在视觉上与普通汽车电缆区分，指定表面必须是鲜艳的橙色。

  同时也可以印刷警示内容和特殊标记，如“小心!高压600V”、高电压的闪电标识等。

  三、电动车电缆的标准化现状

  针对上述的电动汽车应用的高压电缆的挑战和要求，有必要建立新的电缆标准，以满足供应商、线束厂以及主机厂的需要。

  国际标准化组织道路车辆技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆工作组(ISO/TC 22/SC 3/WG4)在开展这项工作。

  在ISO 6722上可以看到，基于常见的600 V电缆标准进行了修订，以符合600V电缆的需求。因为它的大多要求还是很通用的，但往往不考虑高压电缆所需的特殊设计。ISO 14572也作了类似的修订。

  目前电压高于600V高压电缆的标准化是各工作组的一个课题。标准号是ISO 17195。

  SAE将调整目前的高压(额定600 V)规范SAE J1654对高压电缆的要求，并涵盖从600到1000 V的额定电压，新创建尚未发布的标准SAE J2840将定义为屏蔽类型的电缆。

  LV是德国的五大汽车公司的共同采购规范，目前推出了额定电压600 V的电动汽车高压电缆标准LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。

  我国的高压屏蔽电缆的国jia汽车行业标准正在制定中，其额定电压将达到1000 V。

  四、电动汽车高压电缆结构设计

  标准的产品和非常具体的要求是很难界定的。本文的宗旨是解决基本的设计思路，通过应用先进的高压电缆结构原理克服上文所述的挑战。

  1. 导体设计

  高压电缆的柔韧性，大多是由导体的设计所决定。这就是为什么高压电缆使用具有大量非常小的直径的单丝的特殊导体。一定数量的单丝先进行束绞，然后再同心的复绞，形成高压电缆需要的软导体。

  多的根数另外一个好处是更好的耐弯曲。绞线节距缩短，还可以提高高压电缆的弯曲寿命。

  2. 绝缘材料

  绝缘材料的选择主要是考虑耐热要求和机械强度。相比标准的电池电缆，可以合理选择比较软的材料，使特殊设计的绞合导体保持柔韧性。

  3.成缆

  电缆当多芯时通常需要将线芯绞合起来。为了弥补绞合高压电缆线芯造成的变形，需要采用所谓退扭的专用设备。这个过程中，专用的绞线机配备的放线盘相对绞合方向反向旋转。这为防止电缆的变形张力很有必要。

  根据电缆的结构，通常使用填充，以保证屏蔽电缆较高的同心度，zui终取得一个令人满意的高压电缆。在绞合缆芯使用包带可以保持电缆的柔韧性。

  4. 屏蔽 ­

  由于EMC(电磁兼容性)的要求，使用多根铜丝组成编织屏蔽。镀锡铜丝可以使其抵抗环境影响如氧化等变得更加强大。用细的铜丝可以保持设计的柔韧性

  屏蔽需要有一个90%以上的覆盖率克服前面介绍的EMI问题。

  屏蔽效果的不同需要，编织屏蔽可以结合其他各种屏蔽，如铝塑符合薄膜。屏蔽外可以绕包一层无纺布，以确保在装配过程中轻松的剥下护套。

  5. 护套

  和线芯的绝缘一样，护套材料根据热和机械性的要求选择。由于直接接触，像耐液体和耐磨等的环境属性对护套也尤其重要。这些特性主要取决于所选护套材料类型，而在一定程度也受护套结构设计影响。

  如果特殊要求，如克服安装车辆环境的磨损，要求增加耐磨性，这在选择材料时就需要考虑。通常使用测试设备模拟用于验证这些特性。

  选择比较软的材料，受益的是柔韧性，而这可能会导致高压电缆较低的耐磨。

  根据相关规范中规定，挤出外套应是一个鲜艳的的橙色，根据规定也可以添加特殊的警示高压的标记。

  五、总结

  高压线束作为电动汽车上动力输出的主要载体，是整车性能和安全的关键零部件之一。高压线束的研发和设计不仅要从整车的角度考虑，还要从原材料、连接器、组件供应商等各个环节的角度出发，在行业标准还不太规范的情况下，共同努力制定既符合当前实际使用环境，又具有行业前瞻性的统一标准。这样，才能进一步提高电动汽车的安全性，同时也利于高压线束降低设计和制造成本，为推广电动汽车的发展作出应有的贡献。