浅析电动乘用车高压线束的性能要求及设计要点

2019年11月29日 评论 852 2898字

相较与国内主要以线束装配为主严重滞后的汽车线束整体技术水平,国外的汽车线束相关技术基础扎实,已有成熟高压线束的解决方案。例如,行业领导者安费诺公司,其研制的电动车高压线束具有结构简单、性能优异、用户认可度高等特点,现已被各家国内外汽车生产商所广泛采用。本文主要从电动乘用车使用特点、要求和环境入手,分析电动乘用车高压线束的性能要求和设计要点。

1 高压电缆的性能要求及设计要点

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传输能量的作用,需把电池的能量传输到各个子系统,因此所设计的电动乘用车高压线束必须满足高压大电流传输。

电动乘用车高压电缆承受的电压较高(额定电压最高600V)、电流较大(额定电流最高600A),电磁辐射较强,故电缆的直径明显增大.

同时为了避免电磁辐射对周围电子设备产生强烈电磁干扰,影响其他电子设备正常运行,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)共同作用,电缆内的磁场成同心圆分布,而电场从内导体指向并止于外导体,使电缆周围外部的电磁场为零,亦即屏蔽了电磁辐射,从而确保电动车正常运行。

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。硅橡胶的击穿电压高,故具有耐电弧性、耐漏电痕迹性、耐臭氧性,其同时具有良好的耐高低温性,耐高温可达200℃,绝缘性能良好,在高温高湿条件下性能稳定、阻燃。硅橡胶因具有物理机械性能良好、使用寿命长、价格低廉等优点而成为了电动乘用车高压电缆绝缘材料的首选。

 

 

浅析电动乘用车高压线束的性能要求及设计要点

2 高压连接器的性能要求及设计要点

通常连接器(主要指其中的接触件)都有使用温度限制,一旦使用温度超过规定限值,连接器就会因发热而降低安全性,甚至失效损坏。

造成连接器使用温度增高的原因主要有两方面:

a.汽车本身。汽车上温度最高的部位就是发动机周围,例如传统汽车发动机周围温度可达125℃以上。

b.连接器本身。连接器在使用过程中会发热,连接器中插合的接触件存在接触电阻,接触电阻越大,功率损耗越大,接触件的温度越高,可靠性越低。

对此,在设计电动乘用车高压大电流连接器时尤其需要注意。为了避免过高的使用温度使连接器中的绝缘材料受损,降低其绝缘性能,甚至烧毁失效,以及使接触件受热后出现弹性下降,或在接触区形成绝缘薄膜,降低接触可靠性,增大接触电阻,进而加剧使用温度升高,如此恶性循环最终导致连接接触失效,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件。

在设计大电流接触件时,选用何种接触形式将直接决定连接器的质量和成本。通常接触件的接触形式主要有片式、片簧式和线簧式三种,如下图:

浅析电动乘用车高压线束的性能要求及设计要点

片式接触件的插孔为圆柱筒开槽并收口,插孔采用铍青铜丝(棒)加工,原材料价格较贵,且后续收口工序较难控制,产品质量一致性较难保证,成本较高。

片簧式接触件的插孔为冠簧孔,插孔内安放有1~2个片簧圈,每个片簧圈由多个弹簧片组成,所有弹簧片都向里拱,组成具有弹性的弹簧圈;当插孔和插针相配时,每个弹簧片都和插针接触并且产生挤压力,保证多点稳定接触;片簧式插孔由黄铜车制件及冠簧冲压件组成,产品一致性好,成本低。

线簧式接触件的插孔为线簧孔,插孔的结构和片簧式插孔的结构相似,只是线簧式插孔由弹簧线组成,线簧式插孔虽然性能优良,但是工艺复杂,成本也较高。

推荐使用片簧式接触件。

3 耐高压性能设计

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个部分均具有足够的介电强度,确保其耐高压性能。

电动乘用车高压连接器的耐高压性能设计主要包括爬电距离、界面气隙和绝缘材料等方面。

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的间隙向外释放电弧,损害器件甚至操作人员,这个绝缘间隙就是爬电距离,电弧持续的工作电压决定了爬电距离。

在高压连接器结构设计时应尽可能增大爬电距离,考虑到连接器介质耐压4000V以上,经过仔细计算与校核,连接器的爬电距离设计成24mm以上,即可完全满足高压连接器500V的使用要求。

为了提高连接器的耐高压性能,连接器插合时,其界面部位应贴合无空气间隙。连接器的界面主要包括插头连接器和插座连接器的插合界面、连接器接触件和导线的连接部位。

这些部位需要介质全填充无空气才能可靠保证连接器不被击穿。为了杜绝界面气隙的存在,在高压连接器设计时采取了如下措施: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了模塑的形式,将接触件外的间隙填实。c.插头和插座的插合面采用锥面结构。d.接触件连接电缆后部分电缆绝缘伸入连接器壳体绝缘。

为了提高连接器的耐高压性能,电动乘用车高压连接器选用了绝缘性能良好、击穿电压高、绝缘强度高、高温高压下稳定性好、耐电弧、耐漏电痕迹、吸湿性低的PPA(聚邻苯二甲酰胺)塑料

4 屏蔽性能设计

高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆自身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接器结合处的屏蔽性能设计、高压连接器自身的屏蔽性能设计及高压连接器插合界面处的屏蔽性能设计。为了提高高压电缆自身的屏蔽性能,高压电缆采用了屏蔽结构。

浅析电动乘用车高压线束的性能要求及设计要点

为了提高高压电缆与高压连接器结合处的屏蔽性能,在保证两者接触的可靠性,特别是确保在强烈动情况下连接处不会产生松动的情况下,在高压电缆与高压连接器内导体连接后,电缆编织与屏蔽层接触,并在电缆编织与连接器接合处加套一层单独的屏蔽金属编织网,加强屏蔽效果。

为了提高高压连接器自身的屏蔽性能,连接器采用了金属壳体设计。

为了提高连接器插合界面处的屏蔽性能,设计时采用了屏蔽簧结构,以保证插头与插座壳体间可靠接触;连接器头部内导体低于外壳界面,防止内导体接触到手指或其他金属,起到一定的保护作用,增加安全性;插合后,插座连接器与插头连接器的屏蔽层可靠接触,使插合面与外界屏蔽。

5 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,需要进行专门的布线走向,即电动乘用车高压线束布局在车外,因此必须对电动乘用车高压线束进行机械防护和防尘防水设计。

为了提高高压线束的机械防护和防尘防水性能,在接插的连接器间以及连接器连接电缆的位置均采用了密封圈等防护措施,防止水汽和灰尘进入,从而确保连接器的密封环境,避免接触件之间短路的风险,以及防止湿气进入,避免产生火花等安全问题。

6 使用寿命设计

电动乘用车行驶在公路上,会受路面高低不平和车速快慢等因素的影响而产生高振动,导致高压线束与接触的零部件和其他线束间产生摩擦、磨损,以及高压线束本身的疲劳磨损。

为了提高高压线束使用寿命和质量,应对高压电缆和高压连接器间的连接进行加固,对高压连接器之间的连接采用锁紧结构,以及进行布线方案优化,高压线束材料选择耐磨材料,导线采用抗疲劳的铜绞线。

此外,高压连接器间的连接环节是高压线束本身的薄弱点,为了提高高压线束使用寿命,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。

参考:陆才华,王超等,电动乘用车高压线束的设计

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