電動(dòng)汽車(chē)用高壓電纜的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

一． 概述

國(guó)際原油價(jià)的不斷上漲，全社會(huì)對(duì)環(huán)境惡化全球變暖的更加關(guān)注，加之各國(guó)政府稅收的傾斜和政策的扶持，促使在全世界范圍內(nèi)替代能源尤其是電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)份額不斷增長(zhǎng)。

電動(dòng)汽車(chē)主要包括三類(lèi)，即純電動(dòng)汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)是完全由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，而混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)合內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)，在加速和低速條件下內(nèi)燃機(jī)的效率不高時(shí)由電動(dòng)機(jī)支持。他們共同的特點(diǎn)是使用高達(dá)600V的或更高的驅(qū)動(dòng)電壓，涉及到布線，他們都有著相同的基本要求，既是在EMI（電磁干擾）保護(hù)系統(tǒng)下的安全傳輸高的電流和電壓。作為高壓電纜是用于連接高電壓電池、逆變器、空調(diào)壓縮機(jī)、三相發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電能的傳輸。

電動(dòng)汽車(chē)的基本原理似乎很簡(jiǎn)單。 但深入分析，系統(tǒng)的制造商正在面臨著一系列的挑戰(zhàn)需要克服。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜，其柔韌性，屏蔽，安全，尺寸等項(xiàng)目提出了新的技術(shù)要求，因?yàn)檫@些會(huì)影響大電流和高電壓的組件的布線。而面對(duì)每一個(gè)可能的動(dòng)力系統(tǒng)不同的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)所需的組件也提出了不同的特殊要求。

需要說(shuō)明的是電動(dòng)汽車(chē)的高壓系統(tǒng)并不是典型的高壓系統(tǒng)，相關(guān)術(shù)語(yǔ)如“高電壓”和“高電流”必須僅限定在汽車(chē)領(lǐng)域范圍內(nèi)，和常規(guī)汽車(chē)的低壓系統(tǒng)相對(duì)而言。在其他領(lǐng)域參照系統(tǒng)則采用完全不同的標(biāo)準(zhǔn)，如電力領(lǐng)域高電壓定義起步就是幾千伏水平。

二． 對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜的要求

創(chuàng)新的電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)對(duì)高壓電纜和系統(tǒng)組件提出了新的挑戰(zhàn)，這些要求不能完全采用現(xiàn)有的解決方案。具體要求分析如下。

1． 電壓

和常規(guī)汽車(chē)電纜的基本差異是結(jié)構(gòu)需要按額定電壓600 V設(shè)計(jì)，而如果在商用車(chē)和公共汽車(chē)上使用，額定電壓可高達(dá)1000 V。相比之下，甚至更高。目前由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)使用的電纜被設(shè)計(jì)為額定電壓60 V。

系統(tǒng)在產(chǎn)生的功率（P ＝ U×I）不變的情況下，由于使用較低的電流，高電壓可以減少在傳輸系統(tǒng)的功率損耗（PLOSS＝ I2×R）。

2． 電流

由于電纜連接電池，逆變器和電動(dòng)機(jī)，高壓電纜需要傳輸高電流。根據(jù)系統(tǒng)組件的功率要求，電流可達(dá)到250A到450A。這么高的電流在常規(guī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛上是很難找到的。

3． 溫度

高電流傳輸?shù)慕Y(jié)果導(dǎo)致高功耗和組件的加熱。因此高壓電纜設(shè)計(jì)為承受較高的溫度。目前可以看出對(duì)溫度要求有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。

相比之下，目前的車(chē)輛通常使用電纜的額定溫度到105℃就足夠了，只要是電纜不是用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙或其它耐較高的溫度的區(qū)域。電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜通常要高于這個(gè)溫度，如125℃或150℃。

電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)如果通過(guò)的路由不利，主機(jī)廠甚至?xí)岢龈叩哪透邷匾?。如排氣管附近，電機(jī)前面，電池背面等。

4． 工作壽命

汽車(chē)行業(yè)通常在指定的溫度等級(jí)電纜設(shè)計(jì)使用壽命為3000 h。在公認(rèn)的電纜標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 6722、ISO 14572），此值通常用于長(zhǎng)期老化試驗(yàn)。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域的客戶的特殊要求可能超過(guò)3000 h，在規(guī)定的溫度累計(jì)運(yùn)行時(shí)間甚至達(dá)到至12000 h。

5． 屏蔽效果

高壓電纜的本身并不需要屏蔽，因?yàn)椴幌裢S電纜那樣傳輸數(shù)據(jù)，但是需要防止或減少系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻輻射通過(guò)電纜誘導(dǎo)到周邊部件。

和燃料驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛不同，控制電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)的三相交流電成為必須。攜帶能量的正弦電壓相當(dāng)于不同頻率的方波脈沖信號(hào)。由于高頻率的脈沖具有陡峭的沿，所以會(huì)產(chǎn)生能量很強(qiáng)的諧波發(fā)射到周邊區(qū)域。

通過(guò)使用適當(dāng)?shù)钠帘畏椒ㄍ耆梢越鉀QEMI問(wèn)題。在某些情況下為滿足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽類(lèi)型的組合。

6． 柔韌性

混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)在許多情況下面臨的挑戰(zhàn)是，現(xiàn)有的系列平臺(tái)原來(lái)只設(shè)計(jì)裝載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和它的組件的空間納入了更多的電氣組件。即使不考慮布線，空間的限制可以預(yù)計(jì)。此外，電纜和連接器通過(guò)路由也需要空間。通常的后果是導(dǎo)致緊張的彎曲半徑。

由于常規(guī)電纜固有的設(shè)計(jì)，高彎曲力難以克服。為了解決這個(gè)問(wèn)題，高壓電纜高柔韌性是至關(guān)重要的。只有比較柔韌的設(shè)計(jì)，通過(guò)車(chē)輛的路由才可以容易實(shí)現(xiàn)。

7． 耐彎曲

如果電動(dòng)機(jī)位于靠近車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)部位，然后導(dǎo)致連接的高壓電纜連續(xù)振動(dòng)，它要求被設(shè)計(jì)成能承受高的循環(huán)彎曲，以確保良好的彎曲耐力。

8． 標(biāo)識(shí)

因?yàn)楦唠妷簬?lái)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)增加，各種標(biāo)準(zhǔn)均定義高壓電纜必須在視覺(jué)上與普通汽車(chē)電纜區(qū)分，指定表面必須是鮮艷的橙色。

同時(shí)也可以印刷警示內(nèi)容和特殊標(biāo)記，如“小心！高壓600V”、高電壓的閃電標(biāo)識(shí)等。

2018中國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)大會(huì)

三． 電動(dòng)汽車(chē)電纜的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

針對(duì)上述的電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的高壓電纜的挑戰(zhàn)和要求，有必要建立新的電纜標(biāo)準(zhǔn)，以滿足供應(yīng)商、線束廠以及主機(jī)廠的需要。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織道路車(chē)輛技術(shù)委員會(huì)電氣電子分技術(shù)委員會(huì)車(chē)用電纜工作組（ISO／TC 22／SC 3／WG4）在開(kāi)展這項(xiàng)工作。

在ISO 6722上可以看到，基于常見(jiàn)的60 V電纜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，以符合600V電纜的需求。因?yàn)樗拇蠖嘁筮€是很通用的，但往往不考慮高壓電纜所需的特殊設(shè)計(jì)。ISO 14572 也作了類(lèi)似的修訂。

目前電壓高于600V高壓電纜的標(biāo)準(zhǔn)化是各工作組的一個(gè)課題。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是ISO 17195。

SAE將調(diào)整目前的高壓（額定600 V）規(guī)范SAE J1654 對(duì)高壓電纜的要求，并涵蓋從600 到1000 V的額定電壓，新創(chuàng)建尚未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)SAE J2840將定義為屏蔽類(lèi)型的電纜。

LV是德國(guó)的五大汽車(chē)公司的共同采購(gòu)規(guī)范，目前推出了額定電壓600 V的電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜標(biāo)準(zhǔn)LV 216。其涵蓋單芯和多芯的屏蔽電纜。

我國(guó)的高壓屏蔽電纜的國(guó)家汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，其額定電壓將達(dá)到1000 V。

四．電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品和非常具體的要求是很難界定的。本文的宗旨是解決基本的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的高壓電纜結(jié)構(gòu)原理克服上文所述的挑戰(zhàn)。

1． 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

高壓電纜的柔韌性，大多是由導(dǎo)體的設(shè)計(jì)所決定。這就是為什么高壓電纜使用具有大量非常小的直徑的單絲的特殊導(dǎo)體。一定數(shù)量的單絲先進(jìn)行束絞，然后再同心的復(fù)絞，形成高壓電纜需要的軟導(dǎo)體。

多的根數(shù)另外一個(gè)好處是更好的耐彎曲。絞線節(jié)距縮短，還可以提高高壓電纜的彎曲壽命。

2． 絕緣材料

絕緣材料的選擇主要是考慮耐熱要求和機(jī)械強(qiáng)度。相比標(biāo)準(zhǔn)的電池電纜，可以合理選擇比較軟的材料，使特殊設(shè)計(jì)的絞合導(dǎo)體保持柔韌性。

3． 成纜

電纜當(dāng)多芯時(shí)通常需要將線芯絞合起來(lái)。為了彌補(bǔ)絞合高壓電纜線芯造成的變形，需要采用所謂退扭的專(zhuān)用設(shè)備。這個(gè)過(guò)程中，專(zhuān)用的絞線機(jī)配備的放線盤(pán)相對(duì)絞合方向反向旋轉(zhuǎn)。這為防止電纜的變形張力很有必要。

根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)，通常使用填充，以保證屏蔽電纜較高的同心度，最終取得一個(gè)令人滿意的高壓電纜。在絞合纜芯使用包帶可以保持電纜的柔韌性。

4． 屏蔽

由于EMC（電磁兼容性）的要求，使用多根銅絲組成編織屏蔽。鍍錫銅絲可以使其抵抗環(huán)境影響如氧化等變得更加強(qiáng)大。用細(xì)的銅絲可以保持設(shè)計(jì)的柔韌性。

屏蔽需要有一個(gè)90％以上的覆蓋率克服前面介紹的EMI問(wèn)題。

屏蔽效果的不同需要，編織屏蔽可以結(jié)合其他各種屏蔽，如鋁塑符合薄膜。屏蔽外可以繞包一層無(wú)紡布，以確保在裝配過(guò)程中輕松的剝下護(hù)套。

5． 護(hù)套

和線芯的絕緣一樣，護(hù)套材料根據(jù)熱和機(jī)械性的要求選擇。由于直接接觸，像耐液體和耐磨等的環(huán)境屬性對(duì)護(hù)套也尤其重要。這些特性主要取決于所選護(hù)套材料類(lèi)型，而在一定程度也受護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響。

如果特殊要求，如克服安裝車(chē)輛環(huán)境的磨損，要求增加耐磨性，這在選擇材料時(shí)就需要考慮。通常使用測(cè)試設(shè)備模擬現(xiàn)實(shí)情況用于驗(yàn)證這些特性。

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

根據(jù)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，擠出外套應(yīng)是一個(gè)鮮艷的的橙色，根據(jù)規(guī)定也可以添加特殊的警示高壓的標(biāo)記。

五． 電動(dòng)汽車(chē)高壓電纜的特性和優(yōu)化

完美復(fù)雜的設(shè)計(jì)和使用高品質(zhì)的材料，結(jié)果將導(dǎo)致昂貴的電纜成本。經(jīng)驗(yàn)表明，針對(duì)具體的高壓電纜，往往可以通過(guò)截面，溫度要求，柔韌性以及屏蔽效果的優(yōu)化而量體裁衣。重量和成本節(jié)省可以彰顯，過(guò)度尺寸和過(guò)度的組件可以避免。

1． 截面積和溫度等級(jí)的優(yōu)化

電纜的選擇大多是根據(jù)環(huán)境溫度和傳送電流的指標(biāo)。在這方面，最重要的特性是“電纜截面”和“電纜所用材料的耐熱等級(jí)”。

導(dǎo)體的電壓降轉(zhuǎn)化為熱能加熱的高壓電纜的導(dǎo)體。這種熱可部分轉(zhuǎn)移到環(huán)境，使導(dǎo)線運(yùn)行溫度降低。較低的溫度梯度可以轉(zhuǎn)移較少的熱量。連續(xù)負(fù)載電流的電纜可以導(dǎo)致承受最高的額定溫度。該溫度可以造成所用材料的老化。

電纜設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)最合適應(yīng)用的電纜：過(guò)度的導(dǎo)體規(guī)格可能會(huì)導(dǎo)致成本和重量增加，較大的外徑。最壞的情況，僅考慮可能的最高的負(fù)載電流和環(huán)境溫度，將導(dǎo)致采用大截面電纜，耐高溫材料，如有機(jī)氟或硅材料。

確定電流和負(fù)載環(huán)境溫度的關(guān)系從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看是很有意義的。應(yīng)考慮真正的驅(qū)動(dòng)器周期性的動(dòng)態(tài)電流峰值，允許合理的定義最壞情況下負(fù)載電流和峰值電流。

一個(gè)好的設(shè)計(jì)的先決條件是對(duì)基本條件的了解，如必須首先確定環(huán)境溫度和電纜負(fù)載。一般大截面高壓電纜在溫度變化方面具有較大慣性，所以車(chē)輛加速或減速的電流峰值不會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的導(dǎo)體溫度的影響。允許有時(shí)短期溫度峰值即使超過(guò)在以上定義的電纜溫度等級(jí)，高壓電纜處理這些峰值的能力通常是由熱過(guò)載性能定義。從而電纜不需要設(shè)計(jì)為較高的工作溫度等級(jí)，沒(méi)有必要采用超過(guò)指定工作溫度的電纜?？梢跃C合考慮常駐負(fù)載電流以及單脈沖或系列脈沖連同各種參數(shù)，如環(huán)境溫度。

理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)中獲得的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，可以初步確定、選擇和得到優(yōu)化的滿足應(yīng)用的高壓電纜。

2． 柔韌性的優(yōu)化

對(duì)車(chē)輛的電纜布線的可用空間值得仔細(xì)考慮。僅在車(chē)輛某個(gè)具體區(qū)域緊張的彎曲半徑需要會(huì)導(dǎo)致整體電纜的柔韌性要求提高。如果可能在整體設(shè)計(jì)進(jìn)行小的變更，避免緊彎曲的問(wèn)題是非常有意義的。

電纜沒(méi)有必要必須具有最高的柔韌性。確切的定義彎曲力，并結(jié)合結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備，使電纜的設(shè)計(jì)者創(chuàng)建最合適應(yīng)用的設(shè)計(jì)。特別是對(duì)較大截面的電纜，用比較柔韌或常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)替代高柔韌的設(shè)計(jì)會(huì)顯著降低成本。

3． 屏蔽效果的優(yōu)化

在一定頻率范圍內(nèi)定義的屏蔽效果對(duì)電纜的開(kāi)發(fā)是非常必要的。沒(méi)有關(guān)于頻率信息的屏蔽效果不是很有用，這可能導(dǎo)致解決方案采用過(guò)度的尺寸和使用昂貴的組合屏蔽，從技術(shù)角度來(lái)看這已經(jīng)不必要。

通常情況下，電動(dòng)汽車(chē)電纜開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段可以用理論計(jì)算給出一個(gè)預(yù)期的效果值供考慮。然后用實(shí)物通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行高壓電纜的屏蔽效果驗(yàn)證。

結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)的高壓線束和傳統(tǒng)的布線系統(tǒng)比仍有很長(zhǎng)的路要走。具體規(guī)范要求通常沒(méi)有明確界定，這會(huì)造成技術(shù)上復(fù)雜化，從而導(dǎo)致昂貴的解決方案。

開(kāi)發(fā)階段涉及的所有各方必須采用系統(tǒng)為導(dǎo)向的方法對(duì)高壓電纜技術(shù)和成本合理優(yōu)化。這些當(dāng)事方可能包括電纜，連接器和組件供應(yīng)商商，線束廠以及主機(jī)廠。整個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)積累和一個(gè)面向目標(biāo)要求的高壓電纜的規(guī)范是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。電纜制造的研發(fā)部門(mén)利用理論計(jì)算以及合適的測(cè)量設(shè)備驗(yàn)證有能力開(kāi)發(fā)更適合應(yīng)用的電纜。