高压线束安全与架构详解

2020年11月4日 评论 242 2236字

高压线束是新能源汽车上的核心组件,本文主要对高压线束的安全设计,及高压线束架构设计进行解读。

1 高压线束的种类

在整车的动力电缆系统中,我们可以将高压线束分成如下表的几个部件。

高压线束安全与架构详解

序号
线束名称
线束名英文对照
1
PDU动力电缆总成
PDU POWER HARNESS ASSYEMBLY
2
高压电源分配单元
HV POWER DISTRIBUTION UNIT
3
MCU动力电缆总成
MCU POWER HARNESS ASSYEMBLY
4
电机三相线束总成
ELECTRIC MOTOR POWER HARNESS ASSEMBLY
5
接线盒动力电缆总成
JUNCTION BOX POWER HARNESS ASSEMBLY
6
慢充线束总成
CHARGING HARNESS ASSEMBLY
7
快充线束总成
FAST CHARGING HARNESS ASSEMBLY

但是,线束的划分和整车的结构和装配工艺有很大的关系,不必拘泥于以上的划分形式。力求达到结构简单、 拆装方便、布局美观、固定保护良好。此外、在线束的设计中,局部的线束需要采用转接线等形式,需要具体车型而定。

2 高压线束特点及安全设计要求

纯电动汽车的运行特点决定了高压线束的特殊性;相比于低压线束,高压线束具有以下特点:

1、高电压。车辆动力电池额定电压通常在300V以上,甚至某些车辆达到600V以上, 要求线束组件的绝缘材料具有更高的耐电压能力。

2、密封性。如母线输出连接器,位置较低,需直面水和灰尘的侵蚀,要求有更高的防护等级。连接器防护等级一般要求IP67,部分特殊部位要求IP6K9K。

3、高耐热。车辆大电流运行时,焦耳效应会产生热量,导致线束自身及周边的温度上 升,要求线束具有更好的耐热性能。高压线束耐热性能通常要达到125℃,甚至更高。

高压线束安全与架构详解

4、抗电磁干扰。电动汽车运行时,反复变化的电器负荷与系统中大量采用的变频技术, 造成线束电压、电流和频率的剧烈波动,产生较大的电磁干扰。通常高压连接器均为 360°屏蔽,高压电缆均选用屏蔽电缆。

高压线束安全与架构详解

5、耐久性能。高压线束应具有耐温、耐候、耐腐蚀、耐振动以及电缆耐刮磨等性能, 并具备较大的安全余量和连接寿命,保证车辆可长期可靠运行。

连接器:线束连接器的作用是保证线缆与用电设备能够便捷可靠的连接与拆卸。纯电动汽车高压连接器的选型通常具有以下要求: 

1)电性能。为了应对高电压、大电流的使用环境,连接器端子通常经特殊结构设计, 以增加接触面积,降低接触阻抗;配合屏蔽电缆的应用,连接器多采用金属材质或在内 部设计屏蔽结构以达到360°屏蔽的结构设计;参考高压安全标准,连接器的耐电压能力需≥2U+1000V(AC),绝缘电阻≥20MΩ。

2)环境性能。连接器工作温度通常要求为-40~125℃;耐腐蚀、耐油、塑胶材质具有 阻燃性能;连接器最低防护等级为IP67,部分特殊要求需达到IP6K9K。

高压线束安全与架构详解

3)机械性能。连接器耐振动和冲击;具备自锁和防呆结构;插拔寿命≥500次;具备环 路互锁结构设计。

安全要求:高压警告标志,B及电压电线标记要求 

高压线束安全与架构详解高压线束安全与架构详解

标准:电缆和线束外皮为橙色,高压连接器可通过与之连接的线束来区分。
标准:黄底、黑框、黑 箭头

高压连接器安全设计要求:

高压连接器在不使用工具的情况下, 应无法打开,但以下三种情况除外:

a) 高压连接器分开后,应满足 IPXXB 的防护等级要求;

b) 高压连接器至少需要两个不同的动作才能将其从相互的对接端分离, 且高压连接器与其它某个 机构有机械锁止关系,在高压连接器打开前,该锁止机构必须要使用工具才能打开;

c) 在高压连接器分开之后,连接器中带电部分的电压能在 1s 内降低到不大于 30 Va.c. (rms) 且不 大于 60 Vd.c.

高压PDU安全设计要求: 

a) 乘客舱内、货舱内应满足IPXXD防护等级要求, 乘客舱外、货舱外应满足IPXXB防护等级要求;

b) 高压警告标志,工具拆解或者揭盖保护设计,外壳打开后1 s内满足下面要求:——电路电压应降到不超过60 Vd.c.

c) PDU壳体与电平台间的连接阻抗应不大于 0.1 Ω

充电插座要求 :插合时满足IP55,盖上防护盖时满足IP54

高压线束安全与架构详解

交流充电插座要求 :断开时绝缘电阻大于1MΩ,有端子与电平台相连。

高压线束安全与架构详解

高压架构

高压架构:是一个以需求为导向,以功能实现方式为主导的平台化技术方案。

▲与系统平台化相互支撑;

▲以平台车型的需求为基础,兼顾成本,质量、性能等因素,综合平衡、优化的结果。

▲包括高压部件高度集成化、电源分配、系统电路原理、功能安全等设计内容。

高压电器系统架构的设计原则

功能需求→高压安全→成本控制→拓展升级→售后维护(优先程度逐渐降低)

高压线束安全与架构详解

分布式架构: 

高压线束安全与架构详解

三合一集成架构:

高压线束安全与架构详解

五合一集成架构: 

名称
高压大电流连接器(150A以上) 高压小电流连接器(150A以下)
使用位置 数量 使用位置 数量
分布式架构 MCU、动力电池、驱动电机、快充、PDU 7对
OBD、DCDC、PTC、EAC、PD
U
10对
三合一集成架构 MCU、动力电池、驱动电机、快充、集成控制模块 7对
PTC、EAC、PD
U
6对
五合一集成架构 动力电池、驱动电机、快充、集成控制模块 5对
PTC、EAC、PD
U
6对

从上表可以看出不同高压架构的连接器数量差别:大电流连接器五合一集成架构相对于分布式架构和三合一集成架构减少了2对,成本上减少约28%;小电流连接器五合一 集成架构和三合一集成架构相对与分布式架构减少了4对,成本上减少约 40%。(来源: 沙文瀚  ATC汽车技术会议 )

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