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電線電（diàn）纜知識

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電動汽車用高（gāo）壓電纜的設計和開（kāi）發

2018年11月09日 09:00:36 瀏覽量：文章來源：汽車線（xiàn）束從業聯（lián）盟（méng）

導讀：電動汽車主要包括三類，即（jí）純（chún）電動汽車，混合動力汽車和燃料電池汽車。
一．概述

國際原油價的（de）不斷上漲，全社會對環境惡（è）化全球變暖的（de）更加關注，加之（zhī）各國（guó）政府稅收的傾斜和政策的扶持，促使在全（quán）世（shì）界範圍內（nèi）替代能源尤（yóu）其是電動汽車的市場份額不斷增長。

電動汽車主要（yào）包括三類，即純電動汽車，混合（hé）動力汽車和燃料電池汽車。純電動汽車和燃料電池汽車是完全由一個（gè）電（diàn）動馬達驅動的（de），而混合動力汽車結合內燃機（jī）與電動機，在加速和低（dī）速條件下內燃機的效率不高時由電動機支持。他們共同的特點是（shì）使用高達600V的或更高的驅動電壓，涉及到布線，他們都有著相同的基本要求（qiú），既是在EMI（電磁幹擾（rǎo））保（bǎo）護（hù）係統下的（de）安（ān）全傳（chuán）輸（shū）高的電流和電壓。作為高壓（yā）電纜是用於連接高電壓電池、逆變器、空調壓縮機、三相發電（diàn）機和電動機，實現動力電能的傳輸。

電（diàn）動汽車的基本原理似乎很簡單。但深入分析，係統的（de）製造商正在麵臨著一（yī）係列的挑戰需要克服。對電動汽車高壓電纜，其（qí）柔韌性（xìng），屏蔽，安（ān）全，尺寸等項（xiàng）目（mù）提出了新的技術要求，因為這些會影響大電流和高電壓的組件（jiàn）的布線。而麵對每一個可能的動力係統不同的技術要（yào）點，對所需的組（zǔ）件也（yě）提出了不同（tóng）的特殊（shū）要求。

需要說明的是電動汽車的高壓係統並不是典型的（de）高壓係統，相關術語如“高（gāo）電壓”和“高電流”必（bì）須（xū）僅限定在汽（qì）車領域範圍內，和常規汽車的低壓係（xì）統相對而言。在其他領域參照係統則采用完全不同的標準，如電力領域高電壓定義起步就是幾（jǐ）千伏水平（píng）。

二．對電動汽車高壓電纜的要求

創新的電動汽車設計對高壓電纜和係統組件提出了新（xīn）的挑戰，這些要求不能完全采用現有的解決方案。具體要求分析如下（xià）。

1．電（diàn）壓

和常規汽（qì）車電纜的基本差異是（shì）結構需要按額定電壓600 V設計，而如（rú）果在商用車和公共汽車上使用，額定電壓可（kě）高達（dá）1000 V。相比之下，甚（shèn）至更高。目（mù）前由內燃機驅動的汽車使用的電纜被設計為額定電壓60 V。

係統（tǒng）在產生的功率（P ＝ U×I）不（bú）變（biàn）的情況下，由於使用較低的電流，高電（diàn）壓可以（yǐ）減少（shǎo）在（zài）傳輸係統的功率（lǜ）損耗（PLOSS＝ I2×R）。

2．電流

由於電纜連接電池，逆變（biàn）器和電動機，高壓電纜需要傳輸高電流。根據係統（tǒng）組件的功率要（yào）求，電流可達到250A到450A。這麽高的電流在（zài）常（cháng）規驅（qū）動的車輛上是很難找（zhǎo）到的。

3．溫度（dù）

高電流傳輸的結果導致高功耗和（hé）組件的加熱。因此高壓電纜設計為承受較高的溫度。目前可以看出對溫（wēn）度要求有進一步增加的趨勢。

相比之下，目前的車輛通常使用電纜的額定溫度到105℃就足夠（gòu）了（le），隻要是（shì）電纜不是用在發動機艙或其它耐較高的溫（wēn）度的區域。電（diàn）動汽車高壓電纜通常（cháng）要高於這個溫度，如125℃或150℃。

電（diàn）動汽車內如果通過的路由不利，主機廠甚（shèn）至會（huì）提出更高的耐高溫要求。如排氣管附近，電機前麵，電池背麵等。

4．工作壽命（mìng）

汽車行業通常在指定的（de）溫度等級電纜設（shè）計使用壽命為3000 h。在（zài）公認的電纜標準（如ISO 6722、ISO 14572），此值通常用於（yú）長期老化試驗（yàn）。在高壓應用領域的客戶的特殊要求可能超過3000 h，在規定的溫度累計運行時間甚至達到至12000 h。

5．屏蔽（bì）效果

高（gāo）壓電纜的本身並（bìng）不需要（yào）屏蔽，因為不像同軸電纜那樣傳輸數據，但是需要防止或減少係統中的開關電源產生的高頻輻射通過電纜誘導到周（zhōu）邊部（bù）件。

和燃料驅動的車輛不（bú）同，控製電（diàn）動（dòng）汽車的電機的三相交流電成為必須。攜帶（dài）能量的（de）正（zhèng）弦電壓相當於不同頻率（lǜ）的方波脈衝（chōng）信號。由於高頻率的脈衝具有陡峭的沿，所以會產生能量很強的諧波發射到周邊區域。

通過使用適當的屏蔽方法完全可以解決EMI問題。在某些情（qíng）況下為滿足屏蔽（bì）效果的不同要求需要采用不同屏蔽類型的組合。

6．柔韌性（xìng）

混合動力汽車（chē）的開發在許多情況下麵臨的挑戰（zhàn）是，現有的（de）係列平台原來隻設計裝載汽油發動機和它的組件（jiàn）的空間納入了更（gèng）多（duō）的電（diàn）氣組件。即使（shǐ）不考（kǎo）慮布線（xiàn），空間的限製可以預計。此外，電纜和連接器通過路（lù）由也需要空間。通常的後果是導致緊張的彎曲半徑。

由於常規電纜固有的設計，高彎曲力難（nán）以克服。為了解決這個問題，高壓電纜高柔韌性是至關重要的。隻有比較柔韌的（de）設計，通過車（chē）輛的路由才可以容易實現。

7．耐彎曲

如果電動機位於靠近車輛的運動部（bù）位，然後導致連接的高（gāo）壓電纜連續振動，它要（yào）求（qiú）被設計成（chéng）能承受高的循環（huán）彎曲，以確保良好的彎曲（qǔ）耐力。

8．標識

因為高電壓帶來應用風險增加，各種標準均定義高（gāo）壓（yā）電纜必須在視覺上與普通汽車（chē）電纜區分（fèn），指定表麵必（bì）須是鮮豔的（de）橙色。

同時也可以印刷警示內容和（hé）特殊標（biāo）記，如“小心！高壓600V”、高電壓的閃（shǎn）電標（biāo）識等。

三．電動汽車（chē）電纜（lǎn）的標準化現狀

針對（duì）上述的電動汽車應用的高壓電纜（lǎn）的挑戰和要求，有必要建立新的電纜標準，以滿足供應商、線束廠（chǎng）以及主機（jī）廠的需要。

國際標準化（huà）組織道路車輛技術委員會電氣（qì）電子分技術委員會車用電纜工作組（ISO／TC 22／SC 3／WG4）在開展這項工作。

在ISO 6722上可以看到，基於常見的60 V電纜標準進行了修訂，以符合600V電（diàn）纜的需求。因為它的（de）大多要求還是很通用的，但往往不考慮高壓（yā）電纜所（suǒ）需的特殊設計。ISO 14572 也作了類似的修訂。

目前電壓高（gāo）於600V高壓（yā）電纜的標準化是各工作組的一個課題。標準號（hào）是ISO 17195。

SAE將調整目前的高壓（額定600 V）規範（fàn）SAE J1654 對高壓（yā）電（diàn）纜的要求，並涵蓋從600 到1000 V的額定（dìng）電壓，新創建尚未發布的標準SAE J2840將定義為屏（píng）蔽類型的電纜。

LV是德國的（de）五大汽（qì）車公司的共同采購規範，目前推出了（le）額定電壓600 V的電動（dòng）汽車高壓電纜標準（zhǔn）LV 216。其涵蓋單芯和多芯的屏蔽電纜。

我國的高壓屏蔽電纜的國家汽車行（háng）業標準正在製（zhì）定中（zhōng），其額定電壓將達到（dào）1000 V。

四．電動汽（qì）車高壓電纜結構設計

標準的產品和非常具體的（de）要求是很難界定的。本（běn）文的（de）宗旨是（shì）解決基本的設計思（sī）路，通過應用先（xiān）進的高壓電纜結構原理克服上文所述（shù）的挑戰。

1．導體設計

高壓電纜的柔韌性（xìng），大多是由導體的設計所決定。這就是為什麽高壓電（diàn）纜使（shǐ）用具有大量非常小（xiǎo）的直徑的（de）單絲的特殊導體。一定數量的單絲先（xiān）進行束絞，然後再同心的複絞，形（xíng）成高壓（yā）電纜需要的軟導體。

多（duō）的根數另外一個好處是更好的耐彎曲。絞線節距縮短，還可以提高高壓電纜的彎曲壽命。

2．絕（jué）緣材料

絕緣材料的選擇主要（yào）是考慮耐熱要求和機械強度。相比標準的電池電纜，可以（yǐ）合理選擇比較軟的材料，使特殊設計的絞合導體保持柔韌性。

3．成纜（lǎn）

電纜當多芯時通常需要將線（xiàn）芯絞合起來。為了彌補絞合高壓電纜線（xiàn）芯造成的變形，需要采用所謂退扭的專用（yòng）設（shè）備（bèi）。這個（gè）過程中，專用的（de）絞線機配備的放線盤相對絞合方向（xiàng）反向旋轉。這為防止電（diàn）纜的變形（xíng）張力很（hěn）有（yǒu）必（bì）要。

根據電纜的結構，通常使用填充，以保證屏蔽電纜較高的（de）同心（xīn）度，最終取得一個（gè）令人滿意（yì）的高壓電（diàn）纜。在絞合纜芯使用包帶（dài）可以保持電（diàn）纜的柔韌性。

4．屏蔽

由於EMC（電磁兼容性）的要求，使（shǐ）用多根銅絲組成編織屏蔽（bì）。鍍錫銅絲可以使其抵抗（kàng）環境影響如氧化等（děng）變得更加強大。用細的銅（tóng）絲（sī）可以（yǐ）保持設計的柔韌性。

屏蔽（bì）需要有（yǒu）一個90％以上的覆蓋率克服前麵介紹的EMI問題。

屏蔽效果的不同需要（yào），編織屏蔽可以結（jié）合其他各種屏蔽，如鋁塑符合薄膜。屏蔽（bì）外可以繞包一（yī）層無紡布，以確保在裝配過程中輕鬆的剝（bāo）下護套。

5．護套

和線芯的絕緣一樣，護套材料（liào）根據熱和機械性的要求選擇。由於直接（jiē）接觸，像耐液體和耐磨等的環境屬性對護套也尤其重要。這些特性主要（yào）取決於所選護套材料類型，而在（zài）一（yī）定程度也受（shòu）護套結構設計影響。

如果特殊（shū）要求，如克服安裝車輛環境的磨損，要求增加耐磨性，這在選擇材料時就（jiù）需要考（kǎo）慮。通（tōng）常使用測試設備模擬現實情況用於（yú）驗證這些特性。

選擇比較軟的材料，受益的是柔韌性，而這可能（néng）會導致高壓電纜較低的耐磨。

根據相關規範中規定，擠出外套應是一個鮮豔的的橙色，根據規定也可以添加（jiā）特（tè）殊的警示高壓的標記。

五（wǔ）．電（diàn）動（dòng）汽（qì）車高壓電纜的特性（xìng）和優化

完美複雜的設計和使用高品質的材料，結果將導（dǎo）致昂貴的電纜成本。經（jīng）驗表明，針對（duì）具體（tǐ）的高壓（yā）電纜，往往可以通過截麵，溫度要求，柔（róu）韌性以及（jí）屏蔽效（xiào）果的優化而量體裁衣。重量和成本（běn）節省（shěng）可以（yǐ）彰顯，過度尺寸和過度的組件可以避免（miǎn）。

1．截麵積和溫度等（děng）級的優化

電纜的（de）選擇大多是根據環（huán）境溫度和傳送（sòng）電流（liú）的指標。在這方麵，最重（chóng）要的特性是“電纜截麵”和“電纜所用材料的耐熱等級”。

導體的（de）電壓降轉化為熱能加（jiā）熱的高壓電纜的導體。這種熱可部分轉移到環境，使導線運行溫度降低。較低的溫度梯度（dù）可以轉（zhuǎn）移較少的熱量。連續負載電流的電纜（lǎn）可以導致承受最高的額定溫度。該溫度可以造成所（suǒ）用材料的老化。

電纜設計者（zhě）麵臨的挑戰，設計最合適應用的電纜：過（guò）度的（de）導體規（guī）格可能會導致成本（běn）和重量增加，較（jiào）大的（de）外徑。最（zuì）壞的情況，僅考慮可能的最（zuì）高的負（fù）載電流和環境溫度（dù），將導致采用大截麵電纜，耐高溫材料，如（rú）有機氟或（huò）矽材料（liào）。

確定電流和負載環境溫度（dù）的關係從（cóng）技術和經濟（jì）角度看是很有（yǒu）意（yì）義的。應考慮真正的驅動器周期性的動態電流峰值，允（yǔn）許合理的定義最壞情（qíng）況下負載電（diàn）流（liú）和峰值電流。

一個好的設計（jì）的先（xiān）決條件是對（duì）基（jī）本條件的了解，如必須首先確定環境（jìng）溫度和電纜負（fù）載。一般大截麵高壓電纜在溫度變化方麵具有較大慣性，所以車輛加（jiā）速或減速的電流峰值不會導致（zhì）一個大的導體溫度的影響。允許有時短期溫度峰值即使超過在以上定義的電纜溫度等級，高壓電纜處理這些峰（fēng）值的（de）能力通常是由熱過載性能定義。從而電纜不需要設計為較高的工作溫度等級，沒有必要采用（yòng）超過指定工作溫度的電纜。可以綜合考慮常駐負載電（diàn）流以及單脈（mò）衝或係列脈（mò）衝連同各種參數，如環境溫（wēn）度。

理論基礎和現實中獲得的經驗相結合，可以初步確定、選擇和得到優化的滿足應用的高壓電纜。

2．柔韌性的優化

對車輛的電纜布線（xiàn）的可用空間值得仔細考慮。僅在車輛某個具體區域緊張的彎曲半徑需（xū）要會導致整體電纜的（de）柔韌性（xìng）要求提高。如果可（kě）能在整體設計進行小的變更，避（bì）免緊彎曲的問題是非常有意（yì）義的。

電纜沒有必（bì）要必須（xū）具有最高的柔（róu）韌性。確切的定義彎曲力，並結合結構和相（xiàng）應的測試設備，使電纜的設計（jì）者創（chuàng）建最合適（shì）應用的設計。特別是對較大截麵的電纜，用比（bǐ）較柔韌或常規（guī）的結構設計替代高（gāo）柔韌的設（shè）計會顯著降低成本。

3．屏蔽（bì）效（xiào）果（guǒ）的優化

在一定頻率範圍內（nèi）定義的屏蔽效果對電纜的開發是非常必要的。沒有關於頻率信息的屏蔽（bì）效果不是很（hěn）有用，這可（kě）能導致（zhì）解決方案采用過度（dù）的尺寸和使用昂貴的組合屏蔽，從技術角度來看這已經不必要。

通常情況下，電動汽車電纜開發設計階段（duàn）可以用理論計（jì）算給出（chū）一個預期的效果值供考慮。然後用實物通過試驗手段進行高壓（yā）電纜的屏（píng）蔽效果驗（yàn）證。

結（jié）語

電動汽車的高壓線束和傳統的布線係統比仍有很長的路要走。具體規範要求通常沒有（yǒu）明確界定（dìng），這會造成技術上複雜化（huà），從而導致昂貴的解決方案（àn）。

開發階段涉及的所有各方（fāng）必須采用係統（tǒng）為導向的方（fāng）法對高壓電纜技術和成本（běn）合理優化。這些當事方可（kě）能包括電纜，連接器和組（zǔ）件供（gòng）應商商（shāng），線束廠以及主機廠。整個（gè）係統的知識積累和一個（gè）麵向目標要求的高壓電纜（lǎn）的規範是優化（huà）設計的基礎。電纜製（zhì）造的研發部門利用理論計算以及合適的測量設備驗證有能力開發更適合應（yīng）用的電纜。

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電動汽車用高（gāo）壓電纜的設計和開（kāi）發