電動乘用車高壓線束的設(shè)計(jì)

1、電動乘用車高壓線束的設(shè)計(jì)引言電動乘用車， 顧名思義是以電力驅(qū)動， 因此必須使用大功率的電機(jī)、 大容量 的電池， 并且為了減少充電時(shí)間， 利用高壓大電流充電技術(shù)， 這其中就需要 借助于高壓電氣系統(tǒng)。 電動乘用車高壓電氣系統(tǒng)可將電機(jī)、 電池和動力電子 元器件等零部件全部連接在一起，其中電動乘用車高壓線束是連接電動乘 用車能量源 （燃料電池） 與動力裝置的電氣通路。 為了滿足電動乘用車的驅(qū) 動要求以及在各種行駛條件下線束連接可靠性和使用安全性的要求，本文 設(shè)計(jì)了一種高壓大電流（大功率）電動乘用車高壓線束。國內(nèi)外研制情況目前，新能源汽車產(chǎn)業(yè)處于探索與少量試產(chǎn)階段，國內(nèi)乃至國際上都沒有形成 產(chǎn)業(yè)規(guī)模，因

2、此相關(guān)的零部件也處于試制階段。但相較與國內(nèi)主要以線束裝配 為主嚴(yán)重滯后的汽車線束整體技術(shù)水平，國外的汽車線束相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)， 已有高壓線束的解決方案。例如，最早進(jìn)入電動及混合動力汽車充電連接器領(lǐng) 域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者 安費(fèi)諾公司（ Amphenol），其研制的電動車高壓線束具有 結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、用戶認(rèn)可度高等特點(diǎn)，可在超高溫度、振動、有限空間 及其他惡劣環(huán)境下可靠工作，現(xiàn)已被各家國內(nèi)外汽車生產(chǎn)商所廣泛采用；TE、Aptiv（安波福）、 LS等其他國外公司緊隨其后，推出了各自的高壓線束解決方 案和相關(guān)產(chǎn)品。高壓線束的設(shè)計(jì)為了彌補(bǔ)我國在電動乘用車高壓線束領(lǐng)域的研究空白，擺脫我國電動乘用車中 所需的

3、高壓線束基本直接采購國外產(chǎn)品的現(xiàn)狀，展開了一種高壓大電流電動乘 用車高壓線束的自主研發(fā)。根據(jù)電動乘用車高壓電氣系統(tǒng)對高壓線束的使用要 求，所設(shè)計(jì)的電動乘用車高 壓線束應(yīng)滿足以下要求 a、高壓大電流的使用性要 求。 b、抗電磁干擾、防水、抗振、耐 磨、阻燃和接觸可靠等安全可靠性要 求。2.1 高壓電纜的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)汽車是以汽油發(fā)動機(jī)為動力，傳統(tǒng)汽車線纜作用是 傳輸控制信號，承受的電流和電壓都很小，故電纜直徑較小，結(jié)構(gòu)上也僅是導(dǎo) 體外加絕緣，很簡單。但根據(jù)電動乘用車高壓電纜的使用要求，電動乘用車高 壓電纜主要起傳輸能量的作用，需把電池的能量傳輸?shù)礁鱾€子系統(tǒng)，因此所設(shè)計(jì)的電動乘用車高壓線束必須滿足高壓

4、大電流傳輸。電動乘用車高壓電纜承受 的電壓較高（額定電壓最高 600）、電流較大（額定電流最高 600A），電磁 輻射較強(qiáng)，故電纜的直徑明顯增大，同時(shí)為了避免電磁輻射對周圍電子設(shè)備產(chǎn) 生強(qiáng)烈電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)行，電纜還設(shè)計(jì)了抗電磁干擾屏蔽 結(jié)構(gòu) ，即采用同軸結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體（屏蔽）共同作用，電纜內(nèi)的磁 場成同心圓分布，而電場從內(nèi)導(dǎo)體指向并止于外導(dǎo)體，使電纜周圍外部的電磁 場為零，亦即屏蔽了電磁輻射，從而確保電動車正常運(yùn)行。早期汽車線纜用絕 緣材料主要是 PVC（聚氯乙烯），但 PVC中含有鉛，對人體有害，近 些年來逐 漸被 LSZH（低煙無鹵材料）、 TPE（熱塑性彈性體

5、）、 XLPE（交聯(lián)聚乙烯）、 硅橡膠等材料替代。由于電動乘用車高壓電纜在滿足高壓大電流、抗電磁干擾 的同時(shí)還要滿足耐磨和阻燃等要求，因此對這些材料性能進(jìn)行了對比：a、LSZH可分為 PO（聚烯烴）類和 EPR（乙丙橡膠）類兩大類，其中以 PO 類電纜料為 主流。 PO類 LSZH阻燃電纜料的配方中有大量的 AI（OH）3、Mg（OH）2 無機(jī) 阻燃劑，從而使該電纜 料具有較好的阻燃、低煙、無鹵、低毒等特性，但同時(shí) 也使其在物理機(jī)械性能、電氣性能以及擠出工藝性能等方面與其他非阻燃材料 及含鹵阻燃材料存在差異。 b、TPE是一種兼具橡膠和熱塑性塑料特性的高分子 材料，在常溫下顯示橡膠的高彈性，在

6、高溫下又能塑化成型，但該材料不耐 磨，不能滿足電動乘用車高壓線束的使用要求。 c、 XLPE是由耐溫等級為 75的普通 PE（聚乙烯）材料經(jīng)過輻照交聯(lián)后制得的，其耐溫等級可達(dá)到150，并具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、抗過載能力及長壽命等特點(diǎn)，但不阻燃。 d、硅橡膠的擊穿電壓高，故具有耐電弧性、耐漏電痕跡性、耐臭氧性，其同時(shí)具有 良好的耐高低溫性，耐高溫可達(dá) 200 ，絕緣性能良好，在高溫高濕條件下性能穩(wěn)定、阻燃。在對比上述材料性能后，硅橡膠因具有物理機(jī)械性能良好、使 用壽命長、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為了電動乘用車高壓電纜絕緣材料的首選。最 終設(shè)計(jì)的電動乘用車高壓電纜的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。2.2 高壓連接

7、器的設(shè)計(jì)2.2.1 大電流接觸件的設(shè)計(jì) 通常連接器（主要指其中的接觸件）都有使用溫度限制，一旦使用溫度超過規(guī)定限值，連接器就會因發(fā)熱而降低安全性，甚至失效 損壞。造成連接器使用溫度增高的原因主要有兩方面： a、汽車本身。 汽車上溫 度最高的部位就是發(fā)動機(jī)周圍，例如傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)周圍溫度可達(dá)125以上。 b、連接器本身。 連接器在使用過程中會發(fā)熱，連接器中插合的接觸件存在 接觸電阻，接觸電阻越大，功率損耗越大，接觸件的溫度越高，可靠性越低。 對此，在設(shè)計(jì)電動乘用車高壓大電流連接器時(shí)尤其需要注意。為了避免過高的 使用溫度使連接器中的絕緣材料受損，降低其絕緣性能，甚至燒毀失效，以及 使接觸件受熱后出

8、現(xiàn)彈性下降，或在接觸區(qū)形成絕緣薄膜，降低接觸可靠性， 增大接觸電阻，進(jìn)而加劇使用溫度升高，如此惡性循環(huán)最終導(dǎo)致連接接觸失 效，必須合理設(shè)計(jì)電動乘用車高壓大電流連接器中的大電流接觸件。在設(shè)計(jì)大 電流接觸件時(shí)，選用何種接觸形式將直接決定連接器的質(zhì)量和成本。通常接觸 件的接觸形式主要有片式、片簧式和線簧式三種，如圖 2 所示。片式接觸件的 插孔為圓柱筒開槽并收口，插孔采用鈹青銅絲（棒）加工，原材料價(jià)格較貴， 且后續(xù)收口工序較難控制，產(chǎn)品質(zhì)量一致性較難保證，成本較高。片簧式接觸 件的插孔為冠簧孔，插孔內(nèi)安放有個片簧圈，每個片簧圈由多個彈簧片 組成，所有彈簧片都向里拱，組成具有彈性的彈簧圈；當(dāng)插孔和插針

9、相配時(shí)， 每個彈簧片都和插針接觸并且產(chǎn)生擠壓力，保證多點(diǎn)穩(wěn)定接觸；片簧式插孔由 黃銅車制件及冠簧沖壓件組成，產(chǎn)品一致性好，成本低。圖 3 示出的安費(fèi)諾公 司獲得專利的 RADSOK插孔結(jié)構(gòu)，即采用了雙曲線冠簧技術(shù)，接觸面積可增加 65%，其表面為高耐磨性的鍍銀層。線簧式接觸件的插孔為線簧孔，插孔的結(jié) 構(gòu)和片簧式插孔的結(jié)構(gòu)相似，只是線簧式插孔由彈簧線組成，線簧式插孔雖然 性能優(yōu)良，但是工藝復(fù)雜，成本也較高。在對上述各接觸形式接觸件比較后， 該電動乘用車高壓大電流連接器采用了大電流片簧式接觸件。同時(shí)，為提高接 觸可靠性及載流能力，以及滿足大電流接觸件的其它指標(biāo)要求，該大電流片簧 式接觸件采用了雙簧

10、片的兩級片簧式插孔。最終通過對大電流接觸件接觸電阻 的計(jì)算、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及樣件設(shè)計(jì)修正，成功設(shè)計(jì)了大電流接觸件。2.2.2 耐高壓性能設(shè)計(jì)為了滿足電動乘用車高壓連接器的設(shè)計(jì)要求，必須通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇使 高壓連接器的各個部分均具有足夠的介電強(qiáng)度，確保其耐高壓性能。電動乘用 車高壓連接器的耐高壓性能設(shè)計(jì)主要包括爬電距離、界面氣隙和絕緣材料等方 面。爬電距離是指當(dāng)工作電壓過大時(shí)，瞬時(shí)過電壓會導(dǎo)致電流沿絕緣間的間隙 向外釋放電弧，損害器件甚至操作人員，這個絕緣間隙就是爬電距離，電弧持 續(xù)的工作電壓決定了爬電距離。在高壓連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能增大爬電距 離，考慮到連接器介質(zhì)耐壓 400V 以上，

11、經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算與校核，將連接器的爬電 距離設(shè)計(jì)成 24mm 以上，即可完全滿足高壓連接器 600V 的使用要求。為了提 高連接器的耐高壓性能，連接器插合時(shí)，其界面部位應(yīng)貼合無空氣間隙。連接 器的界面主要包括插頭連接器和插座連接器的插合界面、連接器接觸件和導(dǎo)線 的連接部位。這些部位需要介質(zhì)全填充無空氣才能可靠保證連接器不被擊穿。為了杜絕界面氣隙的存在，在高壓連接器設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施： a、在插合界 面處采用了軟絕緣材料，以保證在插合到位的同時(shí)將空氣間隙填實(shí)。b、插孔接觸件外的絕緣采用了模塑的形式，將接觸件外的間隙填實(shí)。 c、插頭和插座的插 合面采用錐面結(jié)構(gòu)。 d、接觸件連接電纜后部分電纜絕緣伸入

12、連接器殼體絕緣。 為了提高連接器的耐高壓性能，電動乘用車高壓連接器選用了絕緣性能良好、 擊穿電壓高、絕緣強(qiáng)度高、高溫高壓下穩(wěn)定性好、耐電弧、耐漏電痕跡、吸濕 性低的 PPA（聚鄰苯二甲酰胺）塑料。 2.2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 最終設(shè)計(jì)的電動乘用 車高壓連接器的結(jié)構(gòu)如圖所示。高壓連接器的結(jié)構(gòu)從里到外依次為內(nèi)導(dǎo)體、 絕緣層、屏蔽層、外殼。2.3 高壓線束的整體設(shè)計(jì)2.3.1 屏蔽性能設(shè)計(jì) 為了使所設(shè)計(jì)的高壓線束在滿足基本的可靠電氣連接要求 外，還具有出色的電磁屏蔽性能，展開了高壓線束的屏蔽性能設(shè)計(jì)。高壓線束 的屏蔽性能設(shè)計(jì)主要包括高壓電纜自身的屏蔽性能設(shè)計(jì)、高壓電纜與高壓連接 器結(jié)合處的屏蔽性能設(shè)計(jì)

13、、高壓連接器自身的屏蔽性能設(shè)計(jì)及高壓連接器插合 界面處的屏蔽性能設(shè)計(jì)。為了提高高壓電纜自身的屏蔽 性能，高壓電纜采用了 屏蔽結(jié)構(gòu)，如果電纜為信號線與電源線組合而成時(shí)則更應(yīng)注意這點(diǎn)。為了提高 高壓電纜與高壓連接器結(jié)合處的屏蔽性能，在保證兩者接觸的可靠性，特 別是 確保在強(qiáng)烈動情況下連接處不會產(chǎn)生松動的情況下，在高壓電纜與高壓連接器 內(nèi)導(dǎo)體連接后，電纜編織與屏蔽層接觸，并在電纜編織與連接器接合處加套一 層單獨(dú)的屏蔽金屬編織網(wǎng)，加強(qiáng)屏蔽效果。為了提高高壓連接器自身的屏蔽性 能，連接器采用了金屬殼體設(shè)計(jì)。為了提高連接器插合界面處的屏蔽性能，設(shè) 計(jì)時(shí)采用了屏蔽簧結(jié)構(gòu)，以保證插頭與插座殼體間可靠接觸；連接

14、器頭部內(nèi)導(dǎo) 體低于外殼界面，防止內(nèi)導(dǎo)體接觸到手指或其他金屬，起到一定的保護(hù)作用， 增加安全性；插合后，插座連接器與插頭連接器的屏蔽層可靠接觸，使插合面 與外界屏蔽。 2.3.2 機(jī)械防護(hù)和防塵防水設(shè)計(jì) 由于電動乘用車高壓電纜的直徑較 大，需要進(jìn)行專門的布線走向，即電動乘用車高壓線束布局在車外，因此必須 對電動乘用車高壓線束進(jìn)行機(jī)械防護(hù)和防塵防水設(shè)計(jì)。為了提高高壓線束的機(jī) 械防護(hù)和防塵防水性能，在接插的連接器間以及連接器連接電纜的位置均采用 了密封圈等防護(hù)措施，防止水汽和灰塵進(jìn)入，從而確保連接器的密封環(huán)境，避 免接觸件之間短路的風(fēng)險(xiǎn)，以及防止?jié)駳膺M(jìn)入，避免產(chǎn)生火花等安全問題。2.3.3 使用壽命

15、設(shè)計(jì) 電動乘用車行駛在公路上，會受路面高低不平和車速快慢等 因素的影響而產(chǎn)生高振動，導(dǎo)致高壓線束與接觸的零部件和其他線束間產(chǎn)生摩 擦、磨損，以及高壓線束本身的疲勞磨損。為了提高高壓線束使用壽命和質(zhì) 量，應(yīng)對高壓電纜和高壓連接器間的連接進(jìn)行加固，對高壓連接器之間的連接 采用鎖緊結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行布線方案優(yōu)化，高壓線束材料選擇耐磨材料，導(dǎo)線采 用抗疲勞的銅絞線。此外，高壓連接器間的連接環(huán)節(jié)是高壓線束本身的薄弱 點(diǎn)，為了提高高壓線束使用壽命，同時(shí)滿足高壓電氣系統(tǒng)的使用要求，必須保 證高壓連接器的插拔次數(shù)和連接質(zhì)量。 2.3.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 最終設(shè)計(jì)的電動乘用車高壓線束的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示高壓線束的性能測試為了驗(yàn)證采用高壓大電流接觸件技術(shù)設(shè)計(jì)的高壓線束的結(jié)構(gòu)合理性、接觸面 積、接觸電阻、抗振性等是否滿足高可靠、長壽命及大電流性能等要求，在電動乘用車高壓線束樣品研制完成后按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了相關(guān)性能測試， 測試結(jié)果如表 1 所示?？梢?，該電動乘用車高壓線束的各項(xiàng)性能都滿足了標(biāo)準(zhǔn) 要求，其接觸件結(jié)構(gòu)、連接器結(jié)構(gòu)及整個高壓線束的設(shè)計(jì)具有一定的合理性。結(jié)論本文簡要介紹了電動乘用車高壓線束的功能用途和國內(nèi)外研制情況。 從電動乘用 車的使用特點(diǎn)、要求和環(huán)境入手， 分