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    電動汽車用高壓電纜的設計和開發

    國際原油價的不斷上漲,全社會對環境惡化全球變暖的更加關注,加之各國政府稅收的傾斜和政策的扶持,促使在全世界范圍內替代能源尤其是電動汽車的市場份額不斷增長。

    電動汽車主要包括三類,即純電動汽車,混合動力汽車和燃料電池汽車。純電動汽車和燃料電池汽車是完全由一個電動馬達驅動的,而混合動力汽車結合內燃機與電動機,在加速和低速條件下內燃機的效率不高時由電動機支持。他們共同的特點是使用高達600V的或更高的驅動電壓,涉及到布線,他們都有著相同的基本要求,既是在EMI(電磁干擾)保護系統下的安全傳輸高的電流和電壓。作為高壓電纜是用于連接高電壓電池、逆變器、空調壓縮機、三相發電機和電動機,實現動力電能的傳輸。

    電動汽車的基本原理似乎很簡單。 但深入分析,系統的制造商正在面臨著一系列的挑戰需要克服。對電動汽車高壓電纜,其柔韌性,屏蔽,安全,尺寸等項目提出了新的技術要求,因為這些會影響大電流和高電壓的組件的布線。而面對每一個可能的動力系統不同的技術要點,對所需的組件也提出了不同的特殊要求。

    需要說明的是電動汽車的高壓系統并不是典型的高壓系統,相關術語如“高電壓”和“高電流”必須僅限定在汽車領域范圍內,和常規汽車的低壓系統相對而言。在其他領域參照系統則采用完全不同的標準,如電力領域高電壓定義起步就是幾千伏水平。

    對電動汽車高壓電纜的要求
    創新的電動汽車設計對高壓電纜和系統組件提出了新的挑戰,這些要求不能完全采用現有的解決方案。具體要求分析如下。

    1. 電壓

    和常規汽車電纜的基本差異是結構需要按額定電壓600 V設計,而如果在商用車和公共汽車上使用,額定電壓可高達1000 V。相比之下,甚至更高。目前由內燃機驅動的汽車使用的電纜被設計為額定電壓60 V。

    系統在產生的功率(P = U×I)不變的情況下,由于使用較低的電流,高電壓可以減少在傳輸系統的功率損耗(PLOSS= I2×R)。

    2. 電流

    由于電纜連接電池,逆變器和電動機,高壓電纜需要傳輸高電流。根據系統組件的功率要求,電流可達到250A到450A。這么高的電流在常規驅動的車輛上是很難找到的。

    3. 溫度

    高電流傳輸的結果導致高功耗和組件的加熱。因此高壓電纜設計為承受較高的溫度。目前可以看出對溫度要求有進一步增加的趨勢。

    相比之下,目前的車輛通常使用電纜的額定溫度到105℃就足夠了,只要是電纜不是用在發動機艙或其它耐較高的溫度的區域。電動汽車高壓電纜通常要高于這個溫度,如125℃或150℃。

    電動汽車內如果通過的路由不利,主機廠甚至會提出更高的耐高溫要求。如排氣管附近,電機前面,電池背面等。

    4. 工作壽命

    汽車行業通常在指定的溫度等級電纜設計使用壽命為3000 h。在公認的電纜標準(如ISO 6722、ISO 14572),此值通常用于長期老化試驗。在高壓應用領域的客戶的特殊要求可能超過3000 h,在規定的溫度累計運行時間甚至達到至12000 h。

    5. 屏蔽效果

    高壓電纜的本身并不需要屏蔽,因為不像同軸電纜那樣傳輸數據,但是需要防止或減少系統中的開關電源產生的高頻輻射通過電纜誘導到周邊部件。

    和燃料驅動的車輛不同,控制電動汽車的電機的三相交流電成為必須。攜帶能量的正弦電壓相當于不同頻率的方波脈沖信號。由于高頻率的脈沖具有陡峭的沿,所以會產生能量很強的諧波發射到周邊區域。

    通過使用適當的屏蔽方法完全可以解決EMI問題。在某些情況下為滿足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽類型的組合。

    6. 柔韌性

    混合動力汽車的開發在許多情況下面臨的挑戰是,現有的系列平臺原來只設計裝載汽油發動機和它的組件的空間納入了更多的電氣組件。即使不考慮布線,空間的限制可以預計。此外,電纜和連接器通過路由也需要空間。通常的后果是導致緊張的彎曲半徑。

    由于常規電纜固有的設計,高彎曲力難以克服。為了解決這個問題,高壓電纜高柔韌性是至關重要的。只有比較柔韌的設計,通過車輛的路由才可以容易實現。

    7. 耐彎曲

    如果電動機位于靠近車輛的運動部位,然后導致連接的高壓電纜連續振動,它要求被設計成能承受高的循環彎曲,以確保良好的彎曲耐力。

    8. 標識

    因為高電壓帶來應用風險增加,各種標準均定義高壓電纜必須在視覺上與普通汽車電纜區分,指定表面必須是鮮艷的橙色。

    同時也可以印刷警示內容和特殊標記,如“小心!高壓600V”、高電壓的閃電標識等。

    電動汽車電纜的標準化現狀
    針對上述的電動汽車應用的高壓電纜的挑戰和要求,有必要建立新的電纜標準,以滿足供應商、線束廠以及主機廠的需要。

    國際標準化組織道路車輛技術委員會電氣電子分技術委員會車用電纜工作組(ISO/TC 22/SC 3/WG4)在開展這項工作。

    在ISO 6722上可以看到,基于常見的60 V電纜標準進行了修訂,以符合600V電纜的需求。因為它的大多要求還是很通用的,但往往不考慮高壓電纜所需的特殊設計。ISO 14572 也作了類似的修訂。

    目前電壓高于600V高壓電纜的標準化是各工作組的一個課題。標準號是ISO 17195。

    SAE將調整目前的高壓(額定600 V)規范SAE J1654 對高壓電纜的要求,并涵蓋從600 到1000 V的額定電壓,新創建尚未發布的標準SAE J2840將定義為屏蔽類型的電纜。

    LV是德國的五大汽車公司的共同采購規范,目前推出了額定電壓600 V的電動汽車高壓電纜標準LV 216。其涵蓋單芯和多芯的屏蔽電纜。

    我國的高壓屏蔽電纜的國家汽車行業標準正在制定中,其額定電壓將達到1000 V。

    電動汽車高壓電纜結構設計
    標準的產品和非常具體的要求是很難界定的。本文的宗旨是解決基本的設計思路,通過應用先進的高壓電纜結構原理克服上文所述的挑戰。

    1. 導體設計

    高壓電纜的柔韌性,大多是由導體的設計所決定。這就是為什么高壓電纜使用具有大量非常小的直徑的單絲的特殊導體。一定數量的單絲先進行束絞,然后再同心的復絞,形成高壓電纜需要的軟導體。

    多的根數另外一個好處是更好的耐彎曲。絞線節距縮短,還可以提高高壓電纜的彎曲壽命。

    2. 絕緣材料

    絕緣材料的選擇主要是考慮耐熱要求和機械強度。相比標準的電池電纜,可以合理選擇比較軟的材料,使特殊設計的絞合導體保持柔韌性。

    3. 成纜

    電纜當多芯時通常需要將線芯絞合起來。為了彌補絞合高壓電纜線芯造成的變形,需要采用所謂退扭的專用設備。這個過程中,專用的絞線機配備的放線盤相對絞合方向反向旋轉。這為防止電纜的變形張力很有必要。

    根據電纜的結構,通常使用填充,以保證屏蔽電纜較高的同心度,最終取得一個令人滿意的高壓電纜。在絞合纜芯使用包帶可以保持電纜的柔韌性。

    4. 屏蔽

    由于EMC(電磁兼容性)的要求,使用多根銅絲組成編織屏蔽。鍍錫銅絲可以使其抵抗環境影響如氧化等變得更加強大。用細的銅絲可以保持設計的柔韌性。

    屏蔽需要有一個90%以上的覆蓋率克服前面介紹的EMI問題。

    屏蔽效果的不同需要,編織屏蔽可以結合其他各種屏蔽,如鋁塑符合薄膜。屏蔽外可以繞包一層無紡布,以確保在裝配過程中輕松的剝下護套。

    5. 護套

    和線芯的絕緣一樣,護套材料根據熱和機械性的要求選擇。由于直接接觸,像耐液體和耐磨等的環境屬性對護套也尤其重要。這些特性主要取決于所選護套材料類型,而在一定程度也受護套結構設計影響。

    如果特殊要求,如克服安裝車輛環境的磨損,要求增加耐磨性,這在選擇材料時就需要考慮。通常使用測試設備模擬現實情況用于驗證這些特性。

    選擇比較軟的材料,受益的是柔韌性,而這可能會導致高壓電纜較低的耐磨。

    根據相關規范中規定,擠出外套應是一個鮮艷的的橙色,根據規定也可以添加特殊的警示高壓的標記。

    電動汽車高壓電纜的特性和優化
    完美復雜的設計和使用高品質的材料,結果將導致昂貴的電纜成本。經驗表明,針對具體的高壓電纜,往往可以通過截面,溫度要求,柔韌性以及屏蔽效果的優化而量體裁衣。重量和成本節省可以彰顯,過度尺寸和過度的組件可以避免。

    1. 截面積和溫度等級的優化

    電纜的選擇大多是根據環境溫度和傳送電流的指標。在這方面,最重要的特性是“電纜截面”和“電纜所用材料的耐熱等級”。

    導體的電壓降轉化為熱能加熱的高壓電纜的導體。這種熱可部分轉移到環境,使導線運行溫度降低。較低的溫度梯度可以轉移較少的熱量。連續負載電流的電纜可以導致承受最高的額定溫度。該溫度可以造成所用材料的老化。

    電纜設計者面臨的挑戰,設計最合適應用的電纜:過度的導體規格可能會導致成本和重量增加,較大的外徑。最壞的情況,僅考慮可能的最高的負載電流和環境溫度,將導致采用大截面電纜,耐高溫材料,如有機氟或硅材料。

    確定電流和負載環境溫度的關系從技術和經濟角度看是很有意義的。應考慮真正的驅動器周期性的動態電流峰值,允許合理的定義最壞情況下負載電流和峰值電流。

    一個好的設計的先決條件是對基本條件的了解,如必須首先確定環境溫度和電纜負載。一般大截面高壓電纜在溫度變化方面具有較大慣性,所以車輛加速或減速的電流峰值不會導致一個大的導體溫度的影響。允許有時短期溫度峰值即使超過在以上定義的電纜溫度等級,高壓電纜處理這些峰值的能力通常是由熱過載性能定義。從而電纜不需要設計為較高的工作溫度等級,沒有必要采用超過指定工作溫度的電纜。可以綜合考慮常駐負載電流以及單脈沖或系列脈沖連同各種參數,如環境溫度。

    理論基礎和現實中獲得的經驗相結合,可以初步確定、選擇和得到優化的滿足應用的高壓電纜。 


     圖1 耐熱150度XLPO電纜交流狀態下的載流量和溫升

    2. 柔韌性的優化

    對車輛的電纜布線的可用空間值得仔細考慮。僅在車輛某個具體區域緊張的彎曲半徑需要會導致整體電纜的柔韌性要求提高。如果可能在整體設計進行小的變更,避免緊彎曲的問題是非常有意義的。

    電纜沒有必要必須具有最高的柔韌性。確切的定義彎曲力,并結合結構和相應的測試設備,使電纜的設計者創建最合適應用的設計。特別是對較大截面的電纜,用比較柔韌或常規的結構設計替代高柔韌的設計會顯著降低成本。

    3. 屏蔽效果的優化

    在一定頻率范圍內定義的屏蔽效果對電纜的開發是非常必要的。沒有關于頻率信息的屏蔽效果不是很有用,這可能導致解決方案采用過度的尺寸和使用昂貴的組合屏蔽,從技術角度來看這已經不必要。

    通常情況下,電動汽車電纜開發設計階段可以用理論計算給出一個預期的效果值供考慮。然后用實物通過試驗手段進行高壓電纜的屏蔽效果驗證。

    結   束   語
    電動汽車的高壓線束和傳統的布線系統比仍有很長的路要走。具體規范要求通常沒有明確界定,這會造成技術上復雜化,從而導致昂貴的解決方案。

    開發階段涉及的所有各方必須采用系統為導向的方法對高壓電纜技術和成本合理優化。這些當事方可能包括電纜,連接器和組件供應商商,線束廠以及主機廠。整個系統的知識積累和一個面向目標要求的高壓電纜的規范是優化設計的基礎。電纜制造的研發部門利用理論計算以及合適的測量設備驗證有能力開發更適合應用的電纜。

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