SEM电动汽车高压线束的研发与实验

SEM电动汽车高压线束的研发与实验
电动乘用车采用大功率电机、大容量电池，为了减少充电时间，采用高压大电流充电技术，需要高压电气系统的帮助。电动乘用车高压电气系统可以将电机、电池、动力电子元件等部件连接在一起，其中电动乘用车高压线束是连接电动乘用车能源(燃料电池)和动力装置的电气通道。本文设计了一种高压大电流(大功率)电动乘用车高压线束，以满足电动乘用车的驱动要求和各种驾驶条件下线束连接的可靠性和使用安全性。

1 国内外发展

目前，新能源汽车产业正处于探索和少量试生产阶段，国内外尚未形成产业规模，相关部件也处于试生产阶段。但与以线束装配为主的国内汽车线束整体技术水平相比，国外汽车线束相关技术基础扎实，有高压线束解决方案。例如，最早进入电动及混合动力汽车充电连接器领域的行业领导者——安费诺公司（Amphenol），其开发的电动汽车高压线束具有结构简单、性能优异、用户认可度高的特点，在超高温、振动、空间有限等恶劣环境下可靠工作，已广泛应用于国内外汽车制造商；TYCO、Delphi(德尔福)，LS随后，其他外国公司推出了自己的高压线束解决方案及相关产品。

2 设计高压线束

为了弥补我国在电动乘用车高压线束领域的研究空白，摆脱我国电动乘用车中所需的高压线束基本直接采购国外产品的现状，展开了一种高压大电流电动乘用车高压线束的自主研发。根据电动乘用车高压电气系统对高压线束的使用要求，设计了高压电动乘用车 压线束应满足以下要求a、高压大电流的使用要求。b、抗电磁干扰、防水、抗振 安全可靠性要求，如磨削、阻燃和接触可靠性。

2.1 设计高压电缆
传统汽车由汽油发动机驱动。传统汽车电缆的功能是传输控制信号，承受的电流和电压都很小，所以电缆直径小，结构只是导体加绝缘，很简单。但是，根据电动乘用车高压电缆的使用要求，电动乘用车高压电缆主要起着传输能量的作用，需要将电池的能量传输到各个子系统。因此，设计的电动乘用车高压线束必须满足高压大电流的传输。电动乘用车高压电缆电压高(额定电压最高600V)，电流大(额定电流最高600V)A），电磁辐射强，电缆直径显著增加。同时，为了避免电磁辐射对周围电子设备造成强烈的电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行，电缆还设计了抗电磁干扰屏蔽结构 ，即采用同轴结构，利用内导体和外导体(屏蔽)的共同作用，电缆中的磁场呈同心圆分布，电场从内导体指向并停止在外导体，使电缆周围的外部电磁场为零，即屏蔽电磁辐射，以确保电动汽车的正常运行。

早期汽车电缆的绝缘材料主要是PVC但是PVC含铅，对人体有害，近 逐渐被多年LSZH(低烟无卤材料)，TPE(热塑性弹性体)，XLPE（交联聚乙烯）、硅橡胶等材料替代。由于电动乘用车高压电缆在满足高压大电流、抗电磁干扰的同时还要满足耐磨和阻燃等要求，因此对这些材料性能进行了对比：

a、LSZH可分为PO(聚烯烃)类和EPR(乙丙橡胶)两大类，其中包括PO类电缆材料为主流。PO类LSZH阻燃电缆材料的配方中有大量的AI（OH）3、Mg（OH）2无机阻燃剂使电缆 该材料具有良好的阻燃、低烟、无盐水、低毒性等特点，但也使其在物理机械性能、电气性能和挤压工艺性能方面不同于其他非阻燃材料和含盐水阻燃材料。

b、TPE它是一种聚合物材料，具有橡胶和热塑性塑料的特性，在室温下显示橡胶的高弹性，在高温下化，但材料不耐磨，不能满足电动乘用车高压线束的使用要求。

c、XLPE耐温等级为75℃的普通PE(聚乙烯)材料经辐照交联后，其耐温等级可达150℃，它具有优异的物理机械性能、抗过载性和长寿命，但不阻燃。

d、硅橡胶具有较高的击穿电压，因此具有耐电弧、耐漏电痕迹、耐臭氧性，同时具有良好的耐高低温性，耐高温可达200 ℃，在高温高湿条件下，绝缘性能好，性能稳定，阻燃。与上述材料性能相比，硅橡胶因其物理机械性能好、使用寿命长、价格低廉而成为电动乘用车高压电缆绝缘材料的首选。电动乘用车高压电缆的最终设计如图1所示。

2.2 设计高压连接器

2.2.1 设计大电流接触器
通常，连接器（主要是指接触器）有使用温度限制。一旦使用温度超过规定的限值，连接器将因加热而降低安全性，甚至故障损坏。连接器温度升高的主要原因有两个：

a、汽车本身。汽车温度最高的部分是发动机周围。例如，传统汽车发动机周围的温度可以达到125℃以上。

b、连接器本身。连接器在使用过程中会发热。插入连接器的接触器有接触电阻。接触电阻越大，功率损耗越大，接触器温度越高，可靠性越低。在设计电动乘用车高压大电流连接器时，应特别注意这一点。为避免使用温度过高损坏连接器中的绝缘材料，降低绝缘性能，甚至燃烧故障，加热后弹性下降，或在接触区形成绝缘膜，降低接触可靠性，增加接触电阻，加剧使用温度升高，恶性循环最终导致接触故障，必须合理设计电动乘用车高压大电流连接器中的大电流接触。

在设计大电流接触器时，选择哪种接触形式将直接决定连接器的质量和成本。接触器的接触形式通常有三种：片状、片状和线状弹簧，如图2所示。

片式接触件的插孔为圆柱筒开槽封闭，插孔采用铍青铜丝(棒)加工。原材料价格昂贵，后续封闭过程难以控制，产品质量一致性难以保证，成本高。

弹簧接触器的插孔为冠状弹簧孔，插孔内有1~2个弹簧圈，每个弹簧圈由多个弹簧片组成，所有弹簧片向内拱，形成弹性弹簧圈；当插孔与插针匹配时，每个弹簧片与插针接触，产生挤压压力，确保多点稳定接触；弹簧插孔由黄铜汽车零件和冠状弹簧冲压件组成，产品一致性好，成本低。图3显示的安费诺公司获得专利RADSOK插孔结构，即采用双曲线冠簧技术，接触面积可增加65%，其表面为高耐磨镀银层。

线簧接触件的插孔为线簧孔，结构与片簧插孔相似，但线簧插孔由弹簧线组成。线簧插孔虽然性能优异，但工艺复杂，成本高。电动乘用车高压大电流连接器采用大电流片触形式的接触件后，采用大电流片弹簧接触件。同时，为了提高接触可靠性和载流能力，满足大电流接触器的其他指标要求，大电流弹簧接触器采用双弹簧两级弹簧插孔。最后，通过计算大电流接触件接触电阻、结构设计和样品设计修正，成功设计了大电流接触件。

2.2.2 耐高压设计
为了满足电动乘用车高压连接器的设计要求，必须通过结构设计和材料选择，使高压连接器的各部分具有足够的介电强度，以确保其耐高压性能。电动乘用车高压连接器的耐高压设计主要包括爬电距离、界面间隙和绝缘材料。

爬电距离是指当工作电压过大时，瞬时过电压会导致电流沿绝缘间隙向外释放电弧，损坏设备甚至操作人员。绝缘间隙为爬电距离，电弧连续工作电压决定爬电距离。考虑到连接器介质耐压400，在设计高压连接器结构时应尽可能增加爬电距离V经过仔细计算和校核，将连接器的爬电距离设计成24mm以上可完全满足高压连接器600V使用要求。

为了提高连接器的耐高压性，连接器的界面部分应与无空气间隙相匹配。连接器的界面主要包括插头连接器和插座连接器的插头界面、连接器接触器和导线的连接部分。这些部件需要完全填充介质，以确保连接器不被击穿。为了消除界面间隙的存在，高压连接器设计采取了以下措施：

a、在插合界面处采用了软绝缘材料，以保证在插合到位的同时将空气间隙填实。
b、插孔接触件外的绝缘采用模塑形式，填充接触件外的间隙。
c、插头与插座的插合面采用锥形结构。
d、接触器连接电缆后，部分电缆绝缘伸入连接器外壳绝缘。

为了提高连接器的耐高压性，电动乘用车的高压连接器具有良好的绝缘性能、高穿透电压、高绝缘强度、高温高压稳定性、电弧、泄漏痕迹和低吸湿性PPA塑料(聚邻苯二甲酰胺)。

2.2.3 整体结构设计
电动乘用车高压连接器的最终设计如图4所示。高压连接器的结构是内导体、绝缘层、屏蔽层和外壳。

2.3 高压线束的整体设计

2.3.1 屏蔽性能设计
高压线束的屏蔽性能设计不仅满足了基本可靠电气连接的要求，而且具有优异的电磁屏蔽性能。高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆本身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接器的屏蔽性能设计、高压连接器本身的屏蔽性能设计和高压连接器插入界面的屏蔽性能设计。为了提高高压电缆本身的屏蔽性 性能，高压电缆采用屏蔽结构，如果电缆由信号线和电源线组成，则应更加注意。为提高高压电缆与高压连接器结合处的屏蔽性能，保证两者接触的可靠性 特别是在高压电缆与高压连接器导体连接后，电缆编织与屏蔽层接触，并在电缆编织与连接器连接处增加单独的屏蔽金属编织网，以增强屏蔽效果。为提高高压连接器本身的屏蔽性能，采用金属外壳设计。为提高连接器插入界面的屏蔽性能，采用屏蔽弹簧结构，确保插头与插座外壳之间的可靠接触，防止导体接触手指或其他金属，提高安全性；插入后，插座连接器可靠接触插头连接器的屏蔽层，使插头表面与外部屏蔽。

2.3.2 机械防护和防尘防水设计
由于电动乘用车高压电缆的直径较大，需要进行特殊的布线方向，即电动乘用车高压线束布置在车外，因此电动乘用车高压线束必须进行机械保护和防尘防水设计。为提高高压线束的机械保护和防尘防水性能，采取密封圈等保护措施，防止水蒸气和灰尘进入，保证连接器的密封环境，避免接触件之间短路的风险，防止水分进入，避免火花等安全问题。

2.3.3 使用寿命设计
电动乘用车在道路上行驶时，会受到道路不均匀、速度快等因素的影响，导致高压线束与接触部件和其他线束之间的摩擦和磨损，以及高压线束本身的疲劳磨损。为了提高高压线束的使用寿命和质量，应加强高压电缆与高压连接器之间的连接，优化高压连接器之间的连接和布线方案。高压线束材料选用耐磨材料，质量检验报告导线采用抗疲劳铜绞线。此外，高压连接器之间的连接环节是高压线束本身的弱点，以改善压线束使用寿命，同时满足高压电气系统的使用要求，必须保 证高压连接器的插拔次数和连接质量。

2.3.4 整体结构设计
最终设计的电动乘用车高压线束的结构如图5所示。

3 高压线束的性能试验

为了验证采用高压大电流接触件技术设计的高压线束的结构合理性、接触面积、接触电阻、抗振性等是否满足高可靠、长寿命及大电流性能等要求，在电动乘用车高压线束样品研制完成后按照相应的设计要求进行了相关性能测试，测试结果如表1所示。可见，该电动乘用车高压线束的各项性能都满足了标准要求，其接触件结构、连接器结构及整个高压线束的设计具有一定的合理性。

４ 结论

本文简要介绍了电动乘用车高压线束的功能用途和国内外研制情况。从电动乘用车的使用特点、要求和环境入手，分析了电动乘用车用的高压线束的性能要求和设计要点（耐高压、耐大电流、耐环境、屏蔽性和安全可靠等），并分别详细论述了电缆的主要设计，连接器及其接触件的主要设计方案，并给出了线束总体方案，最后介绍了研制样品的测试情况。从使用要求和测试结果可以得出，研制的高压线束能够满足电动乘用车的使用要求。随着电动汽车产业的发展，高压线束必将进一步发展，能承受更高电压、更大电流，并将用于各种不同车型，同时在功能方面也会更完善，例如具有自身的测试性，即可实时监测线束的电流、温度等变化。