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电动汽车用高压电缆的设计和开发

2018年11月09日 09:00:36 点击量： 文章来源：汽车线束从业联盟

导读： 电动汽车主要包括三类 ，即纯电动汽车 ，混淆动力汽车和燃料电池汽车。
      一． 概述
      国际原油价的不绝上涨 ，全社会对情况恶化全球变暖的越发关注 ，加之各国政府税收的倾斜和政策的帮助 ，促使在全世界规模内替代能源尤其是电动汽车的市场份额不绝增长。
      电动汽车主要包括三类 ，即纯电动汽车 ，混淆动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车和燃料电池汽车是完全由一个电动马达驱动的 ，而混淆动力汽车结合内燃机与电动机 ，在加速和低速条件下内燃机的效率不高时由电动机支持。他们配合的特点是使用高达600V的或更高的驱动电压 ，涉及到布线 ，他们都有着相同的基本要求 ，既是在EMI（电磁滋扰）�；は低诚碌哪泊涓叩牡缌骱偷缪�。作为高压电缆是用于连接高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机 ，实现动力电能的传输。
      电动汽车的基来源理似乎很简单。 但深入剖析 ，系统的制造商正在面临着一系列的挑战需要克服。对电动汽车高压电缆 ，其柔韧性 ，屏蔽 ，宁静 ，尺寸等项目提出了新的技术要求 ，因为这些会影响大电流和高电压的组件的布线。而面对每一个可能的动力系统差别的技术要点 ，对所需的组件也提出了差别的特殊要求。
      需要说明的是电动汽车的高压系统并不是典范的高压系统 ，相关术语如“高电压”和“高电流”必须仅限定在汽车领域规模内 ，和通例汽车的低压系统相对而言。在其他领域参照系统则接纳完全差别的标准 ，如电力领域高电压界说起步就是几千伏水平。
      二． 对电动汽车高压电缆的要求
      立异的电动汽车设计对高压电缆和系统组件提出了新的挑战 ，这些要求不可完全接纳现有的解决计划。具体要求剖析如下。
      1． 电压
      和通例汽车电缆的基本差别是结构需要按额定电压600 V设计 ，而如果在商用车和公共汽车上使用 ，额定电压可高达1000 V。相比之下 ，甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额定电压60 V。
      系统在爆发的功率（P ＝ U×I）稳定的情况下 ，由于使用较低的电流 ，高电压可以减少在传输系统的功率损耗（PLOSS＝ I2×R）。
      2． 电流
      由于电缆连接电池 ，逆变器和电动机 ，高压电缆需要传输高电流。凭据系统组件的功率要求 ，电流可抵达250A到450A。这么高的电流在通例驱动的车辆上是很难找到的。
      3． 温度
      高电流传输的结果导致高功耗和组件的加热。因此高压电缆设计为蒙受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。
      相比之下 ，目前的车辆通常使用电缆的额定温度到105℃就足够了 ，只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高压电缆通常要高于这个温度 ，如125℃或150℃。
      电动汽车内如果通过的路由倒运 ，主机厂甚至会提出更高的耐高温要求。如排气管四周 ，电机前面 ，电池背面等。
      4． 事情寿命
      汽车行业通常在指定的温度品级电缆设计使用寿命为3000 h。在公认的电缆标准（如ISO 6722、ISO 14572） ，此值通常用于恒久老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能凌驾3000 h ，在划定的温度累计运行时间甚至抵达至12000 h。
      5． 屏蔽效果
      高压电缆的自己并不需要屏蔽 ，因为不像同轴电缆那样传输数据 ，可是需要避免或减少系统中的开关电源爆发的高频辐射通过电缆诱导到周边部件。
      和燃料驱动的车辆差别 ，控制电动汽车的电机的三相交流电成为必须。携带能量的正弦电压相当于差别频率的方波脉冲信号。由于高频率的脉冲具有险要的沿 ，所以会爆发能量很强的谐波发射到周边区域。
      通过使用适当的屏蔽要领完全可以解决EMI问题。在某些情况下为满足屏蔽效果的差别要求需要接纳差别屏蔽类型的组合。
      6． 柔韧性
      混淆动力汽车的开发在许多情况下面临的挑战是 ，现有的系列平台原来只设计装载汽油发动机和它的组件的空间纳入了更多的电气组件。纵然不考虑布线 ，空间的限制可以预计。别的 ，电缆和连接器通过路由也需要空间。通常的结果是导致紧张的弯曲半径。
      由于通例电缆固有的设计 ，高弯曲力难以克服。为了解决这个问题 ，高压电缆高柔韧性是至关重要的。只有比较柔韧的设计 ，通过车辆的路由才可以容易实现。
      7． 耐弯曲
      如果电动机位于靠近车辆的运动部位 ，然后导致连接的高压电缆连续振动 ，它要求被设计成能蒙受高的循环弯曲 ，以确保良好的弯曲耐力。
      8． 标识
      因为高电压带来应用危害增加 ，种种标准均界说高压电缆必须在视觉上与普通汽车电缆区分 ，指定外貌必须是鲜艳的橙色。
      同时也可以印刷警示内容和特殊标记 ，如“小心！高压600V”、高电压的闪电标识等。
      三． 电动汽车电缆的标准化现状
      针对上述的电动汽车应用的高压电缆的挑战和要求 ，有须要建立新的电缆标准 ，以满足供应商、线束厂以及主机厂的需要。
      国际标准化组织门路车辆技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆事情组（ISO／TC 22／SC 3／WG4）在开展这项事情。
      在ISO 6722上可以看到 ，基于常见的60 V电缆标准进行了修订 ，以切合600V电缆的需求。因为它的大多要求照旧很通用的 ，但往往不考虑高压电缆所需的特殊设计。ISO 14572 也作了类似的修订。
      目前电压高于600V高压电缆的标准化是各事情组的一个课题。标准号是ISO 17195。
      SAE将调解目前的高压（额定600 V）规范SAE J1654 对高压电缆的要求 ，并涵盖从600 到1000 V的额定电压 ，新创立尚未宣布的标准SAE J2840将界说为屏蔽类型的电缆。
      LV是德国的五大汽车公司的配合采购规范 ，目前推出了额定电压600 V的电动汽车高压电缆标准LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。
      我国的高压屏蔽电缆的国家汽车行业标准正在制定中 ，其额定电压将抵达1000 V。
      四．电动汽车高压电缆结构设计
      标准的产品和很是具体的要求是很难界定的。本文的宗旨是解决基本的设计思路 ，通过应用先进的高压电缆结构原理克服上文所述的挑战。
      1． 导体设计
      高压电缆的柔韧性 ，大多是由导体的设计所决定。这就是为什么高压电缆使用具有大宗很是小的直径的单丝的特殊导体。一定命量的单丝先进行束绞 ，然后再同心的复绞 ，形成高压电缆需要的软导体。
      多的根数另外一个利益是更好的耐弯曲。绞线节距缩短 ，还可以提高高压电缆的弯曲寿命。
      2． 绝缘质料
      绝缘质料的选择主要是考虑耐热要求和机械强度。相比标准的电池电缆 ，可以合理选择比较软的质料 ，使特殊设计的绞合导体坚持柔韧性。
      3． 成缆
      电缆当多芯时通常需要将线芯绞合起来。为了弥补绞合高压电缆线芯造成的变形 ，需要接纳所谓退扭的专用设备。这个历程中 ，专用的绞线机配备的放线盘相对绞合偏向反向旋转。这为避免电缆的变形张力很有须要。
      凭据电缆的结构 ，通常使用填充 ，以包管屏蔽电缆较高的同心度 ，最终取得一个令人满意的高压电缆。在绞合缆芯使用包带可以坚持电缆的柔韧性。
      4． 屏蔽
      由于EMC（电磁兼容性）的要求 ，使用多根铜丝组成编织屏蔽。镀锡铜丝可以使其对抗情况影响如氧化等变得越发强大。用细的铜丝可以坚持设计的柔韧性。
      屏蔽需要有一个90％以上的笼罩率克服前面介绍的EMI问题。
      屏蔽效果的差别需要 ，编织屏蔽可以结合其他种种屏蔽 ，如铝塑切合薄膜。屏蔽外可以绕包一层无纺布 ，以确保在装配历程中轻松的剥下护套。
      5． 护套
      和线芯的绝缘一样 ，护套质料凭据热和机械性的要求选择。由于直接接触 ，像耐液体和耐磨等的情况属性对护套也尤其重要。这些特性主要取决于所选护套质料类型 ，而在一定水平也受护套结构设计影响。
      如果特殊要求 ，如克打扮置车辆情况的磨损 ，要求增加耐磨性 ，这在选择质料时就需要考虑。通常使用测试设备模拟现实情况用于验证这些特性。
      选择比较软的质料 ，受益的是柔韧性 ，而这可能会导致高压电缆较低的耐磨。
      凭据相关规范中划定 ，挤出外套应是一个鲜艳的的橙色 ，凭据划定也可以添加特殊的警示高压的标记。
      五． 电动汽车高压电缆的特性和优化
      完美庞大的设计和使用高品质的质料 ，结果将导致腾贵的电缆本钱。经验标明 ，针对具体的高压电缆 ，往往可以通过截面 ，温度要求 ，柔韧性以及屏蔽效果的优化而量体裁衣。重量和本钱节省可以彰显 ，太过尺寸和太过的组件可以制止。
      1． 截面积和温度品级的优化
      电缆的选择大多是凭据情况温度和传送电流的指标。在这方面 ，最重要的特性是“电缆截面”和“电缆所用质料的耐热品级”。
      导体的电压降转化为热能加热的高压电缆的导体。这种热可部分转移到情况 ，使导线运行温度降低。较低的温度梯度可以转移较少的热量。连续负载电流的电缆可以导致蒙受最高的额定温度。该温度可以造成所用质料的老化。
      电缆设计者面临的挑战 ，设计最合适应用的电缆：太过的导体规格可能会导致本钱和重量增加 ，较大的外径。最坏的情况 ，仅考虑可能的最高的负载电流和情况温度 ，将导致接纳大截面电缆 ，耐高温质料 ，如有机氟或硅质料。
      确定电流和负载情况温度的关系从技术和经济角度看是很有意义的。应考虑真正的驱动器周期性的动态电流峰值 ，允许合理的界说最坏情况下负载电流和峰值电流。
      一个好的设计的先决条件是对基本条件的了解 ，如必须首先确定情况温度和电缆负载。一般大截面高压电缆在温度变革方面具有较大惯性 ，所以车辆加速或减速的电流峰值不会导致一个大的导体温度的影响。允许有时短期温度峰值纵然凌驾在以上界说的电缆温度品级 ，高压电缆处理这些峰值的能力通常是由热过载性能界说。从而电缆不需要设计为较高的事情温度品级 ，没有须要接纳凌驾指定事情温度的电缆� ？梢宰酆峡悸浅Ｗじ涸氐缌饕约暗ヂ龀寤蛳盗新龀辶种植问� ，如情况温度。
      理论基础和现实中获得的经验相结合 ，可以开端确定、选择和获得优化的满足应用的高压电缆。
      2． 柔韧性的优化
      对车辆的电缆布线的可用空间值得仔细考虑。仅在车辆某个具体区域紧张的弯曲半径需要会导致整体电缆的柔韧性要求提高。如果可能在整体设计进行小的变换 ，制止紧弯曲的问题是很是有意义的。
      电缆没有须要必须具有最高的柔韧性。确切的界说弯曲力 ，并结合结构和相应的测试设备 ，使电缆的设计者创立最合适应用的设计。特别是对较大截面的电缆 ，用比较柔韧或通例的结构设计替代高柔韧的设计会显着降低本钱。
      3． 屏蔽效果的优化
      在一定频率规模内界说的屏蔽效果对电缆的开发是很是须要的。没有关于频率信息的屏蔽效果不是很有用 ，这可能导致解决计划接纳太过的尺寸和使用腾贵的组合屏蔽 ，从技术角度来看这已经不须要。
      通常情况下 ，电动汽车电缆开发设计阶段可以用理论盘算给出一个预期的效果值供考虑。然后用实物通过试验手段进行高压电缆的屏蔽效果验证。
      结语
      电动汽车的高压线束和古板的布线系统比仍有很长的路要走。具体规范要求通常没有明确界定 ，这会造成技术上庞大化 ，从而导致腾贵的解决计划。
      开发阶段涉及的所有各方必须接纳系统为导向的要领对高压电缆技术和本钱合理优化。这些当事方可能包括电缆 ，连接器和组件供应商商 ，线束厂以及主机厂。整个系统的知识积累和一个面向目标要求的高压电缆的规范是优化设计的基础。电缆制造的研发部分利用理论盘算以及合适的丈量设备验证有能力开发更适合应用的电缆。

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