新能源线缆的市场、性能及选材要求

2020年10月24日
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燃油汽车的时代终将过去,在政策、能源及环境的三重压力下,新能源汽车已是大势所趋。新能源线缆就是用在新能源汽车上的电线线缆的简称,新能源线缆分为车载(车内线)与非车载(充电桩)两大类。

新能源线缆的市场、性能及选材要求

一、新能源线缆市场趋势

据汽车工业协会发布数据显示,2017年,我国新能源汽车产销为79.4万辆和77.7万辆,同比分别增长53.8%和53.3%,市场占比达到2.7%,比上年提高了0.9个百分点。2018年1-10月,国内新能源汽车销量已达产销分别完成87.9万辆和86万辆,比上年同期分别增长70%和75.6%。依目前走势来看,新能源汽车将继续保持高增长趋势。按国家规划,到2020年全国新能源汽车产量达到200万辆,产销保有量将超过500万辆。

同时,国家颁布的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》明确提出,到2020年新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求,同时提出加大对充电基础设施补贴力度,在产业发展初期给予中央基建投资资金适度支持。

以此来看,未来几年,新能源汽车、充电桩将保持高增长趋势,作为传输电能的线缆,随着新能源汽车的发展,也将迎来爆发。

二、新能源线缆的应用及性能

按照结构,新能源线缆分为单芯和多芯两种。

新能源线缆的市场、性能及选材要求新能源汽车线缆与普通汽车线缆存在一定差别,主要是使用环境发生了很大的变化:

1、高电压高电流(车载)

可达600/300A,而传统燃油车电池电压一般为12V,对应的导线耐压等级小于60V。

2、大线径、线缆数量多(车载)

高压电池逆变器度变压器/低压电池/空调压缩机/电加热/电源分配单元…众多的用电结构使用线缆进行连接,导致在有限的空间内需排布数量庞大的线缆。

3、暴露空间(非车载)

充电枪部分的线缆长时间处于暴露空间,其耐候性、耐磨性、耐弯折、抗撕裂……有着严格要求。

车内高压线束由于具有大电压/大电流、大线径导线数量多等特点,线束的设计面临着布线、安全、屏蔽、重量及成本等挑战。

1、布线

车内高压线束布置有以下要求

(1)静态负载情况下,最小转弯半径4倍导线外径

(2)动态负载情况下,最小转弯半径8倍导线外径

(3)高低压导线间距最小不低于100mm

(4)高压接插件出线端到第一个固定点的距离不大于100mm,相邻固定点之间的距离一般不超过150~200mm

(5)高压线束尽量布置于车底

(6)导线选择韧性导线如硅橡胶导线、柔性交联聚烯烃导线

2、安全

高电压高电流,除了本身的高压对绝缘性能有着严格要求外,大电流导致的高温也是必然要考虑的一点。

(1)导线选材

采用高压导线600V900V(AC)(参考|SO19),采用壁厚高线,壁厚0.6mm-1.1mm。采用耐热导线,耐热150度或以上:可选用硅橡胶导线,交联聚乙烯交联聚烯烃材料,优秀的阻燃效果。

(2)密封

与高压连接器匹配,密封要达到防水防尘(IP67,IP69K)要求导线具有良好的圆整度、尺寸稳定性能、老化性能。

3、屏蔽

高压线束需要电磁屏蔽的原因在于

●高压和大的交流电流产生电磁场干扰

●电器元器件的快速通断电产生电磁干扰

高压线束屏蔽电磁干扰的举措有:

(1)通过选用屏蔽导线

电动汽车超高的电流电压,运转时会产生很大的电磁感应现象,如果不很好的解决电磁屏蔽问题,势必影响汽车电子设备的使用性能,所以选择屏蔽导线作为电动汽车高压线对于电磁屏蔽是不错的选择。

屏蔽导线由多股镀锡退火铜丝编织,细的铜丝可以保持设计的柔韧性,具有90%以上的覆盖率,需控制合理的绝缘及护套剥离力以满足开线剥线加工要求。

(2)Bundle Shielding——整体屏蔽

是指在线束外用一种轻型编织金属屏蔽层固定作为屏蔽构件情况下,保护导线束以防电磁干扰。目前多为日系OEM使用。

(3)铝管屏蔽一一导线直接套进铝管,目前多为日美系OEM使用。

4、重量与成本

(1)对于新能源汽车来说,轻量化对于续航里程的提升十分重要,那么线束重量可以在材料选用上入手,导体材料可选用新型导线导体,如新型铝导线:绝缘材料可选用低密度材料,同时薄壁化加工。

(2)日前车内高压导线以进口为主,导线门槛较高,前期量产车型产量较少,新能源汽车面临更大的成本压力,需进行更多的国内资源开发。

5、环保

车内高压线束需要采用低挥发、低VOC、低气味材料。

三、新能源线缆选材及要求

因为新能源车内高压大电流且空间有限,充电桩线缆则长期暴露在室外,使用环境的特殊性对线缆材料的性能提出非常严格的要求。新能源汽车线缆需要具备耐高低温、耐油耐水、阻燃、抗撕裂、绝缘、抗UV老化等性能。常用材料有TPE、TPU、XLPO、NBR+PVC、氯丁橡胶、硅橡胶等。

1、TPE

TPE热塑性弹性体,也称热塑性橡胶TPR。

TPE的类别有:苯乙烯类、烯烃类、双烯类、氯乙烯类、聚酯类、酯类、酰胺类、有机氟类、有机硅类和乙烯类等(TPS、TPU、TPO、TPV等)。目前使用的大部分是指SEBS为基材的弹性体。 TPE材料应用于充电枪线缆

优点:加工工艺简单,密度小,价格适中,整体电缆非常柔软,能满足现有各标准要求。

缺点:大多含有不饱和键,温定性差;耐油效果低,特别是汽油;耐气候性较差,长期使用材料热稳定性差,高温条件下材料机械性能下降很多,户外使用开裂风险大;不耐脏,粘手。

工作温度:耐寒-50度;耐温120度以内。

2、TPU

TPU,即热塑性聚氨酯弹性体,分子结构分为聚酯型和聚醚型,由刚性嵌段和柔性链段组成,在加工工艺中注塑成型占到40%以上,挤出成型约为35%左右;弹簧伸缩长度可达原弹簧长度2-6倍。

充电桩电缆聚氨酯护套材料,以TPU树酯为主要材料,加入环保或无卤阻燃剂、抗氧剂等助剂经混炼、塑化、造粒而成,具有柔韧、耐碾压,耐电压,耐高温压力、耐老化、耐酸碱、耐盐雾、防水等特性。

优点:具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化特性,环保材料。

缺点:目前国内加工困难,原料企业较少,成本较高。

工作温度:耐寒-40度;耐温150度以内。

3、聚氯乙烯弹性体

PVC聚氯乙烯线缆,以聚氯乙烯为基础树脂,可通过加入不同量的增塑剂来调节其柔软性,降低其“玻璃化”温度,从而具有良好的柔软性,还可增加塑性,使其易于加工成型。

交联后链段形成网状结构,弹性伸缩长度可达原弹簧长度2-4倍。

优点:阻燃和绝缘、耐酸、耐油、易加工改性、便宜。

缺点:燃烧时会有黑烟和HCl气体。

工作温度:耐寒-40度;耐温105度以内(根据客户要求)。

4、硅橡胶

采用硅胶材料加工而成的AGR硅橡胶电缆,弹性较好,适宜温度范围为-60℃-200℃电压:300/500V导体材质:工艺原理同橡胶类似,通过混炼、高压成型等工艺加工。

优点:耐热性、耐寒性和耐候性,防水,柔软性好,易于安装。

缺点:不耐油,抗撕裂能力差,价格较贵。

工作温度:耐寒-40度;耐温200度以内。

5、XLPE

XLPE交联聚乙烯,是一种利用物理或化学方法,将XLPE绝缘材料的分子结构由线性的分子结构改变为网状的线性结构。PE为基础树脂,硅烷为桥键材料。

优点:较高的交联性,柔性较好,绝缘性好,结构轻便,安装方便,便宜。

缺点:耐热性差,批次间色差难控制。

工作温度:耐寒-50度;耐温100度以内。

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