线束工程师:新能源整车高压线束设计

2020年9月18日 评论 932 3564字
散漫说,相比低压线束,整车高压线束的种类和子部件少了很多,不光是从主机厂的角度还是供应商的角度来说,相比低压线束,其受到的待遇(重视程度)是不一样的,这是因为高压线束是高压系统的核心部件之一,零件利润更高。分享的这篇文章浅要介绍了新能源高压线束的特性及设计要点。

整车高压线束主要的设计方案涉及到线束走向 设计、线径设计、高压连接器选型、充电口的类型和应用、屏蔽设计、高压线束固定卡扣选型、高压线槽设计、高压互锁HVIL设计、GROMMET设计等。

一、高压线束走向布置及划分类型

线束工程师:新能源整车高压线束设计

图1 混合动力高压部件布局图

高压系统在设计方面,考虑到电磁干扰的因素,整个高压系统均由屏蔽层全部包覆。

目前国内车型全部采用屏蔽高压线,曰系车也有应用屏蔽网包覆在高压线外侧,插件处处理实现屏蔽连接。同时由于高压已经超出人体安全电压,车身不可像低压系统一样作为整车搭铁点,因此在高压线束系统的设计上,直流高压电回路必须严格执行双轨制。

根据高压线束的特性,我们一般以高压电器为中心对高压线束进行划分,可分为电机高压线、电池高压线、充电高压线等。电机高压线一般是连接控制器和电机的高压线;电池高压线一般是连接控制器和电池的高压线;充电高压线一般是连接充电机和电池的高压线。

二、高压线束特性

高压线束耐压与耐温等级的性能远高于低压线束等级,国内主机厂通常采用屏蔽高压线,近年来日本主机厂主要采用非屏蔽高压线外包裹屏蔽网工序。屏蔽高压线可减少EMI、RFI对整车系统的影响。整条高压线束回路均实现屏蔽连接,电机、控 制器及电池等接口高压线束屏蔽层,通过插件等压接结构连接到电池电机控制器壳体,再与车身搭铁连接。高压线的屏蔽对于电缆传导数据不是必须的,但是可减少或避免高压线的辐射。

耐压性能:常规汽车耐高压额定600V,商用车及大巴士电压可高达1000V;

耐电流性能:根据 高压系统部件的电流量,可达250~400A;

耐温性能:耐高温等级分为125°C、150°C、200°C不等, 常规选择150°C导线;低温常规-40°C。

三、线径设计

需要综合考虑以下几方面:

①负载回路的额定电流值;

②电线导体的容许温度;

③线束工作时周围环境的温度;

④导线自身通电时温度上升引起的 通电率降低;

⑤成捆线束容许电流的折减系数。

电线容许电流值 x 环境温度引起的通电率降低 x 捆扎引起的折减系数>额定电流值。

鉴于环境温度对通电率降低的影响(驾驶室内 40丈、发动机室80丈),导体阻抗的上升需做考虑。因此:电线的耐热温度>环境温度+导体通电时的温度上升。

导线最大稳态温升应不超过额定温度导线绝缘层、插件材料或其他导线涉及的材料。导线安培容 量很多决定因素变量,如:导体尺寸、绝缘材料、 绝缘层厚度、环境温度、导线捆绑尺寸、导体材料。

四、高压连接器及充电口类型和应用

4.1高压连接器类型和应用

高压连接器按有无屏蔽功能分为非屏蔽型连接器(图2)和屏蔽型连接器(图3)。

线束工程师:新能源整车高压线束设计

图2 非屏蔽连接器

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图3 屏蔽型连接器

非屏蔽型连接器结构相对简单,无屏蔽功能, 成本相对低。使用在无需屏蔽的位置,如充电回路、电池包壳体内部及控制器内部等由金属壳体包覆的电器上。

屏蔽型连接器结构复杂,有屏蔽要求,成本相对高。适用于必须有屏蔽功能的地方,如电器外部 与高压线束的连接。

所有高压连接器都要求防水,根据使用位置不同,防水等级也不一样。目前使用居多的有1P连接 器(图4)、2P连接器(图5)及3P连接器,超过3P 的连接器比较少见,通用性太小而且开发成本高, —般连接器厂家很少开发。

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1P连接器结构相对简单,成本相对低。满足高压系统的屏蔽、防水等要求,但装配工序复杂,维修性差。一般可以应用在电池包甩线、电机甩线 等,也可以使用在高压电器内部电路连接,如高压 电池包内部等。

2P连接器结构复杂,成本相对高。满足高压系 统的屏蔽、防水等要求,维修性好。一般用于直流 电输入输出,如高压电池包上、控制器端、充电机 直流电输出端等。

4.2维修开关类型和应用

维修开关在高压系统中必不可少,在高压系统 需要检查维修时,必须先断开高压电源,主要就是 通过断开维修开关来实现断开高压总电源。

1) 带熔断丝开关(图6)—般安装在高压电 池包上,并要布置在方便插拔的位置。特点:带熔 断丝,结构复杂,成本相对高,体积相对大,适用 于大电流的高压系统上。

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图6 带熔断丝开关

不带熔断丝开关(图7)结构简单,成本 低,体积相对小,适用于布置空间紧张的位置。如 果维修开关内部不带熔断丝,高压电气系统中也应 该要有熔断丝对电路进行保护。

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图7 不带熔断丝开关

4.3充电接口的类型和应用

两种充电接口,一种为车载充电机提供交流电 能的接口,另一种是为电动汽车提供直流电能的接 口,适用于交流额定电压为220V和直流额定电压不 超过750 V的电动汽 车传导式充电接口。

1)直流快充充 电口(图8)满足国 标 GBT 20234.3—2011。

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图8 直流快充充电口

车辆插头和车辆插座分别包含9对触头,其电 气参数值及功能定义见表1。

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车辆插头和插座的触头布置方式如图9和图10 所示。

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充电口和充电座满足国标要求,直流快充系 统,电流电压较大,整个充电口和充电座的要求更 高,体积比慢充充电口和充电座更大,成本较高。国标规定:快充的额定直流电压为750V (DC),额定直流电流为125 A和 250 A (DC)两 种规格。

2)交流慢充充 电口(图11)满足 国标 GBT 20234.2— 2011。

车辆插头和车 辆插座分别包含7对触头,其电气参数值及功能定 义见表2。

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车辆插头和插座的触头布置方式如图12和图13 所示。

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充电口和充电座满足国标要求,慢充系统与快 充系统相比,工作电压电流较小,整个充电口和充 电座要求比快充的低,体积相对较小,成本稍低。国标规定,慢充额定交流电压为交流250 V和440 V(AC),慢充额定交流电流为16A和32A (AC)。

五、屏蔽及EMC干扰设计

高压线束每个接口均采用屏蔽处理,前后电机 接口处为屏蔽卡环与电气盒导轨压接,控制器及电 池箱插件采用有屏蔽功能的结构件。

EMC是新能源车型面临的一大问题,电机、控 制器等高压部件发出不同频段的电磁波对整车音响 倒车影像及变速器传感器等产生干扰,目前国标没 有详细关于此方面的标准。有些主机厂采用在相关 高压零件(包括设备和线束)均增加磁环(图14), 整车EMC问题得到大大的改善。

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图14 磁环

5.1磁环材质

根据要抑制干扰的频率不同,选择不同磁导率 的铁氧体材料,铁氧体材料的磁导率越高,低频的阻抗越大,高频的阻抗越小。

5.2磁环性能

[1]磁环的效果与电路阻抗有关电路的阻抗 越低,则磁环的滤波效果越好。铁氧体材料的阻抗 越大,滤波效果也越好。电缆两端安装了电容式滤 波连接器时,其阻抗很低,磁环的效果更明显。

[2]磁环的安装位置 _般尽量靠近干扰源。对于高压系统的高压线,磁环尽量靠近电机、控制 器高压线的进出口。

[3]磁环尺寸的确定磁环的内外径差越大, 轴向越长,阻抗越大。内径_定要包紧导线,因 此,要获得大的衰减,在磁环内径包紧导线的前提 下,尽量使用体积较大的磁环。

[4]电缆上磁环的个数增加电缆上磁环的个 数,可以增加低频的阻抗,但高频的阻抗会减小, 这是因为寄生电容增加的缘故。

六、车底板高压线束保护设计

高压线束系统必须满足整车总体布置及人机工 程的要求,对于布置在发动机舱及底盘部分的高压 线束应特别注意线束的保护方式。布置在底盘部分 的高压线束应充分考虑车辆涉水、刮底盘等情况, 在布置设计高压线束的时候充分考虑防水、防泥沙 飞溅、防刮伤等因素,可以采用塑料线槽、金属弯 管设计来保护高压线束。线槽考虑可装配性,分槽 盖导槽将高压线束扣合后固定在车底板上,金属管 为弯折机器加工成型,工艺相对繁琐。本田思域为 线槽结构,丰田普瑞斯为金属管结构。

七、高压互锁HVIL设计

高压部件带有高压互锁人性化安全设计,贯穿 整车所有高压部件,拆卸前必须先断开高压互锁结 构才可执行拆卸操作。由BMS、HCU执行控制反馈。

八、高压线GROMMET方案设计

橡胶圈是固定在线束上的橡胶类部品,和车体 相应部分相配合,起密封、防水等效果,多用于线 束穿过车身钣金的地方。

高压线橡胶件考虑强度问题,采用橡胶与塑料 组合件,对钣金固定匹配、抗拉伸强度都有保证。高压线束一般较粗,弯曲应力相对很大,高压连接器体积较大,在橡胶圈设计上体积会大很多,同时固定强度要求也会很高,结构方面相对较复杂,材料选择方面要求会更高。

九、高压线束固定卡扣选型和包覆物

高压线束由于强度大,选择推拉式螺柱固定卡 扣,便于装配维修。包覆物的作用主要有防磨、降噪、隔热、美观等,特性如表3所示。

十、总结

高压线束线径的合理选择,固定保护的优化布 置,成本控制都成为高压线束设计的要务,新能源 汽车有着广泛的市场前景。(来源:纯电动汽车电气设计)

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