谈谈高压线束的设计要点

2021年7月22日
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高压电气系统将电机、电池和动力电子元器件等零部件全部连接在一起。其中,高压线束是连接电动车能量源(燃料电池)与动力装置的电气通路,主要起传输能量的作用。本文来简单概括下高压线束的设计要点。

谈谈高压线束的设计要点

1 高压导线选型设计

根据电动车高压电气系统对高压线束的使用要求,所设计的电动乘用车高压线束应满足以下要求:

a、高压大电流的使用性要求。

b、抗电磁干扰、防水、抗振、耐磨、阻燃和接触可靠等安全可靠性要求。

传统汽车是以汽油发动机为动力。传统汽车线缆作用是传输控制信号,承受的电流和电压都很小,故电缆直径较小,结构上也仅是导体外加绝缘,很简单。

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,根据电动车高压电缆的使用要求,高压线束必须满足高压大电流传输。

电动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

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。

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车高压电缆绝缘材料的首选。

谈谈高压线束的设计要点

最终设计的电动车高压电缆的结构如上图所示。

2连接器端子选型

大电流→过高的使用温度→连接器中的绝缘材料受损→降低其绝缘性能,甚至烧毁失效→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→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。电动车高压大电流连接器采用大电流片簧式接触件较好。

谈谈高压线束的设计要点

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。

同时,为提高接触可靠性及载流能力,以及满足大电流接触件的其它指标要求,大电流片簧式接触件可以采用双簧片的两级片簧式插孔。同时,需对大电流接触件进行接触电阻的计算、结构的设计以及样件设计修正。

连接器的耐高压设计

为了满足电动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。

谈谈高压线束的设计要点

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400V以上,经过仔细计算与校核,将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600V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。

高压屏蔽设计

高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆自身、高压电缆与高压连接器结合处、高压连接器自身、高压连接器插合界面处的屏蔽性能设计。

提高高压电缆自身的屏蔽性能:采用屏蔽结构。如果电缆为信号线与电源线组合而成时则更应注意这点。

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(在强烈工作情况下连接处都不会产生松动的情况下)、高压电缆与高压连接器内导体连接后,让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。

谈谈高压线束的设计要点

提高高压连接器自身的屏蔽性能:连接器采用金属壳体设计。

提高连接器插合界面处的屏蔽性能:
a.设计时采用屏蔽簧结构,以保证插头与插座壳体间可靠接触;
b.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;
c.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。

高压线束性能测试

为了验证采用高压大电流接触件技术设计的高压线束的结构合理性、接触面积、接触电阻、抗振性等是否满足高可靠、长寿命及大电流性能等要求,在某电动车高压线束样品研制完成后按照相应的设计要求进行了相关性能测试,测试结果如表1所示。

谈谈高压线束的设计要点

可见,该电动车高压线束的各项性能都满足了标准要求,其接触件结构、连接器结构及整个高压线束的设计具有一定的合理性。

从使用要求和测试结果可以得出,研制的高压线束能够满足电动车的使用要求。

随着电动车产业的发展,高压线束必将进一步发展,能承受更高电压、更大电流,并将用于各种不同车型。同时,在功能方面也会更完善,例如具有自身的测试性,即可实时监测线束的电流、温度等变化。

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