新能源高壓線束設計要點淺析

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、大容量的電池，并且為了減少充電時間，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、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，本文設計了一種高壓大電流（大功率）電動乘用車高壓線束。

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，已有高壓線束的解決方案。例如，最早進入電動及混合動力汽車充電連接器領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導者——安費諾公司（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、用戶認可度高等特點，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；TYCO、Delphi（德爾福）、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。

進入正文，為了彌補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，所設計的電動乘用車高 壓線束應滿足以下要求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。

1.高壓電纜的設計

傳統(tǒng)汽車是以汽油發(fā)動機為動力，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)，因此所設計的電動乘用車高壓線束必須滿足高壓大電流傳輸。電動乘用車高壓電纜承受的電壓較高（額定電壓最高600Ｖ）、電流較大（額定電流最高600A），電磁輻射較強，故電纜的直徑明顯增大，同時為了避免電磁輻射對周圍電子設備產(chǎn)生強烈電磁干擾，影響其他電子設備正常運行，電纜還設計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)導體和外導體（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)導體指向并止于外導體，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）、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、抗電磁干擾的同時還要滿足耐磨和阻燃等要求，因此對這些材料性能進行了對比：

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，但同時也使其在物理機械性能、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，其耐溫等級可達到150℃，并具有優(yōu)良的物理機械性能、抗過載能力及長壽命等特點，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，其同時具有良好的耐高低溫性，耐高溫可達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械性能良好、使用壽命長、價格低廉等優(yōu)點而成為了電動乘用車高壓電纜絕緣材料的首選。最終設計的電動乘用車高壓電纜的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2. 高壓連接器的設計

2.1 大電流接觸件的設計

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)動機周圍，例如傳統(tǒng)汽車發(fā)動機周圍溫度可達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，在設計電動乘用車高壓大電流連接器時尤其需要注意。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，進而加劇使用溫度升高，如此惡性循環(huán)最終導致連接接觸失效，必須合理設計電動乘用車高壓大電流連接器中的大電流接觸件。

在設計大電流接觸件時，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，如圖二所示。

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１～２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；當插孔和插針相配時，每個彈簧片都和插針接觸并且產(chǎn)生擠壓力，保證多點穩(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。安費諾公司獲得專利的RADSOK插孔結(jié)構(gòu)(圖片3)，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，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要求，該大電流片簧式接觸件采用了雙簧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算、結(jié)構(gòu)的設計以及樣件設計修正，成功設計了大電流接觸件。