摘要：本文旨在理清电动汽车高压电缆的用户(主机厂和线束厂)对用于连接高压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机的高压电缆的各种技术需求

本文旨在理清电动汽车高压电缆的用户(主机厂和线束厂)对用于连接高压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机的高压电缆的各种技术需求;提出了作为汽车零部件供应商和现有的标准的低压汽车电缆设计相比在机械和电气要求方面开发高压电缆面临的挑战。

本文也阐述了采用设计方法、材料和电缆选型克服挑战,同时满足汽车行业的严格要求的途径。

一、概述

国际原油价的不断上涨,全社会对环境恶化全球变暖的更加关注,加之各国政府税收的倾斜和政策的扶持,促使在全世界范围内替代能源尤其是电动汽车的市场份额不断增长。

电动汽车主要包括三类,即纯电动汽车,混合动力汽车和燃料电池汽车。

纯电动汽车和燃料电池汽车是完全由一个电动马达驱动的,而混合动力汽车结合内燃机与电动机,在加速和低速条件下内燃机的效率不高时由电动机支持。

他们共同的特点是使用高达600V的或更高的驱动电压,涉及到布线,他们都有着相同的基本要求,既是在EMI(电磁干扰)保护系统下的安全传输高的电流和电压。

作为高压电缆是用于连接高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机,实现动力电能的传输。

电动汽车的基本原理似乎很简单。但深入分析,系统的制造商正在面临着一系列的挑战需要克服。

对电动汽车高压电缆,其柔韧性,屏蔽,安全,尺寸等项目提出了新的技术要求,因为这些会影响大电流和高电压的组件的布线。而面对每一个可能的动力系统不同的技术要点,对所需的组件也提出了不同的特殊要求。

需要说明的是电动汽车的高压系统并不是典型的高压系统,相关术语如“高电压”和“高电流”必须仅限定在汽车领域范围内,和常规汽车的低压系统相对而言。

在其他领域参照系统则采用完全不同的标准,如电力领域高电压定义起步就是几千伏水平。

二、对电动汽车高压电缆的要求

创新的电动汽车设计对高压电缆和系统组件提出了新的挑战,这些要求不能完全采用现有的解决方案。具体要求分析如下。

1. 电压

和常规汽车电缆的基本差异是结构需要按额定电压600 V设计,而如果在商用车和公共汽车上使用,额定电压可高达1000 V。相比之下,甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额定电压60 V。

系统在产生的功率(P = U×I)不变的情况下,由于使用较低的电流,高电压可以减少在传输系统的功率损耗(PLOSS= I2×R)。

2. 电流

由于电缆连接电池,逆变器和电动机,高压电缆需要传输高电流。根据系统组件的功率要求,电流可达到250A到450A。这么高的电流在常规驱动的车辆上是很难找到的。

3. 温度

高电流传输的结果导致高功耗和组件的加热。因此高压电缆设计为承受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。

相比之下,目前的车辆通常使用电缆的额定温度到105℃就足够了,只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高压电缆通常要高于这个温度,如125℃或150℃。

电动汽车内如果通过的路由不利,主机厂甚至会提出更高的耐高温要求。如排气管附近,电机前面,电池背面等。

4. 工作寿命

汽车行业通常在指定的温度等级电缆设计使用寿命为3000 h。在公认的电缆标准(如ISO 6722、ISO 14572),此值通常用于长期老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能超过3000 h,在规定的温度累计运行时间甚至达到至12000 h。

5. 屏蔽效果

高压电缆的本身并不需要屏蔽,因为不像同轴电缆那样传输数据,但是需要防止或减少系统中的开关电源产生的高频辐射通过电缆诱导到周边部件。

和燃料驱动的车辆不同,控制电动汽车的电机的三相交流电成为必须。携带能量的正弦电压相当于不同频率的方波脉冲信号。由于高频率的脉冲具有陡峭的沿,所以会产生能量很强的谐波发射到周边区域。

通过使用适当的屏蔽方法完全可以解决EMI问题。在某些情况下为满足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽类型的组合。

6. 柔韧性

混合动力汽车的开发在许多情况下面临的挑战是,现有的系列平台原来只设计装载汽油发动机和它的组件的空间纳入了更多的电气组件。即使不考虑布线,空间的限制可以预计。

此外,电缆和连接器通过路由也需要空间。通常的后果是导致紧张的弯曲半径。

由于常规电缆固有的设计,高弯曲力难以克服。为了解决这个问题,高压电缆高柔韧性是至关重要的。只有比较柔韧的设计,通过车辆的路由才可以容易实现。

7. 耐弯曲

如果电动机位于靠近车辆的运动部位,然后导致连接的高压电缆连续振动,它要求被设计成能承受高的循环弯曲,以确保良好的弯曲耐力。

8. 标识

因为高电压带来应用风险增加,各种标准均定义高压电缆必须在视觉上与普通汽车电缆区分,指定表面必须是鲜艳的橙色。

同时也可以印刷警示内容和特殊标记,如“小心!高压600V”、高电压的闪电标识等。

三、电动车电缆的标准化现状

针对上述的电动汽车应用的高压电缆的挑战和要求,有必要建立新的电缆标准,以满足供应商、线束厂以及主机厂的需要。

国际标准化组织道路车辆技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆工作组(ISO/TC 22/SC 3/WG4)在开展这项工作。

在ISO 6722上可以看到,基于常见的60 V电缆标准进行了修订,以符合600V电缆的需求。因为它的大多要求还是很通用的,但往往不考虑高压电缆所需的特殊设计。ISO 14572 也作了类似的修订。

目前电压高于600V高压电缆的标准化是各工作组的一个课题。标准号是ISO 17195。

SAE将调整目前的高压(额定600 V)规范SAE J1654 对高压电缆的要求,并涵盖从600 到1000 V的额定电压,新创建尚未发布的标准SAE J2840将定义为屏蔽类型的电缆。

LV是德国的五大汽车公司的共同采购规范,目前推出了额定电压600 V的电动汽车高压电缆标准LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。

我国的高压屏蔽电缆的国家汽车行业标准正在制定中,其额定电压将达到1000 V。

四、电动汽车高压电缆结构设计

标准的产品和非常具体的要求是很难界定的。本文的宗旨是解决基本的设计思路,通过应用先进的高压电缆结构原理克服上文所述的挑战。

1. 导体设计

高压电缆的柔韧性,大多是由导体的设计所决定。这就是为什么高压电缆使用具有大量非常小的直径的单丝的特殊导体。一定数量的单丝先进行束绞,然后再同心的复绞,形成高压电缆需要的软导体。

多的根数另外一个好处是更好的耐弯曲。绞线节距缩短,还可以提高高压电缆的弯曲寿命。

2. 绝缘材料

绝缘材料的选择主要是考虑耐热要求和机械强度。相比标准的电池电缆,可以合理选择比较软的材料,使特殊设计的绞合导体保持柔韧性。

3. 成缆

电缆当多芯时通常需要将线芯绞合起来。为了弥补绞合高压电缆线芯造成的变形,需要采用所谓退扭的专用设备。这个过程中,专用的绞线机配备的放线盘相对绞合方向反向旋转。这为防止电缆的变形张力很有必要。

根据电缆的结构,通常使用填充,以保证屏蔽电缆较高的同心度,最终取得一个令人满意的高压电缆。在绞合缆芯使用包带可以保持电缆的柔韧性。

4. 屏蔽

由于EMC(电磁兼容性)的要求,使用多根铜丝组成编织屏蔽。镀锡铜丝可以使其抵抗环境影响如氧化等变得更加强大。用细的铜丝可以保持设计的柔韧性

屏蔽需要有一个90%以上的覆盖率克服前面介绍的EMI问题。

屏蔽效果的不同需要,编织屏蔽可以结合其他各种屏蔽,如铝塑符合薄膜。屏蔽外可以绕包一层无纺布,以确保在装配过程中轻松的剥下护套。

5. 护套

和线芯的绝缘一样,护套材料根据热和机械性的要求选择。由于直接接触,像耐液体和耐磨等的环境属性对护套也尤其重要。这些特性主要取决于所选护套材料类型,而在一定程度也受护套结构设计影响。

如果特殊要求,如克服安装车辆环境的磨损,要求增加耐磨性,这在选择材料时就需要考虑。通常使用测试设备模拟现实情况用于验证这些特性。

选择比较软的材料,受益的是柔韧性,而这可能会导致高压电缆较低的耐磨。

根据相关规范中规定,挤出外套应是一个鲜艳的的橙色,根据规定也可以添加特殊的警示高压的标记。

五、电动汽车高压电缆的特性和优化

完美复杂的设计和使用高品质的材料,结果将导致昂贵的电缆成本。经验表明,针对具体的高压电缆,往往可以通过截面,温度要求,柔韧性以及屏蔽效果的优化而量体裁衣。重量和成本节省可以彰显,过度尺寸和过度的组件可以避免。

1. 截面积和温度等级的优化

电缆的选择大多是根据环境温度和传送电流的指标。在这方面,最重要的特性是“电缆截面”和“电缆所用材料的耐热等级”。

导体的电压降转化为热能加热的高压电缆的导体。这种热可部分转移到环境,使导线运行温度降低。较低的温度梯度可以转移较少的热量。连续负载电流的电缆可以导致承受最高的额定温度。该温度可以造成所用材料的老化。

电缆设计者面临的挑战,设计最合适应用的电缆:过度的导体规格可能会导致成本和重量增加,较大的外径。最坏的情况,仅考虑可能的最高的负载电流和环境温度,将导致采用大截面电缆,耐高温材料,如有机氟或硅材料。

确定电流和负载环境温度的关系从技术和经济角度看是很有意义的。应考虑真正的驱动器周期性的动态电流峰值,允许合理的定义最坏情况下负载电流和峰值电流。

一个好的设计的先决条件是对基本条件的了解,如必须首先确定环境温度和电缆负载。

一般大截面高压电缆在温度变化方面具有较大惯性,所以车辆加速或减速的电流峰值不会导致一个大的导体温度的影响。

允许有时短期温度峰值即使超过在以上定义的电缆温度等级,高压电缆处理这些峰值的能力通常是由热过载性能定义。从而电缆不需要设计为较高的工作温度等级,没有必要采用超过指定工作温度的电缆。

可以综合考虑常驻负载电流以及单脉冲或系列脉冲连同各种参数,如环境温度。

理论基础和现实中获得的经验相结合,可以初步确定、选择和得到优化的满足应用的高压电缆。

图1 耐热150度XLPO电缆交流状态下的载流量和温升

2. 柔韧性的优化

对车辆的电缆布线的可用空间值得仔细考虑。仅在车辆某个具体区域紧张的弯曲半径需要会导致整体电缆的柔韧性要求提高。如果可能在整体设计进行小的变更,避免紧弯曲的问题是非常有意义的。

电缆没有必要必须具有最高的柔韧性。确切的定义弯曲力,并结合结构和相应的测试设备,使电缆的设计者创建最合适应用的设计。特别是对较大截面的电缆,用比较柔韧或常规的结构设计替代高柔韧的设计会显着降低成本。

3. 屏蔽效果的优化

在一定频率范围内定义的屏蔽效果对电缆的开发是非常必要的。没有关于频率信息的屏蔽效果不是很有用,这可能导致解决方案采用过度的尺寸和使用昂贵的组合屏蔽,从技术角度来看这已经不必要。

通常情况下,电动汽车电缆开发设计阶段可以用理论计算给出一个预期的效果值供考虑。然后用实物通过试验手段进行高压电缆的屏蔽效果验证。

六、结束语

电动汽车的高压线束和传统的布线系统比仍有很长的路要走。具体规范要求通常没有明确界定,这会造成技术上复杂化,从而导致昂贵的解决方案。

开发阶段涉及的所有各方必须采用系统为导向的方法对高压电缆技术和成本合理优化。

这些当事方可能包括电缆,连接器和组件供应商商,线束厂以及主机厂。

整个系统的知识积累和一个面向目标要求的高压电缆的规范是优化设计的基础。

电缆制造的研发部门利用理论计算以及合适的测量设备验证有能力开发更适合应用的电缆。