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电动乘用车高压线束的功能用途及研制情况

gecimao 发表于 2019-04-13 13:03 | 查看: | 回复:

  电动乘用车,顾名思义是以电力驱动,因此必须使用大功率的电机、大容量的电池,并且为了减少充电时间,利用高压大电流充电技术,这其中就需要借助于高压电气系统。电动乘用车高压电气系统可将电机、电池和动力电子元器件等零部件全部连接在一起,其中电动乘用车高压线束是连接电动乘用车能量源(燃料电池)与动力装置的电气通路。为了满足电动乘用车的驱动要求以及在各种行驶条件下线束连接可靠性和使用安全性的要求,本文设计了一种高压大电流(大功率)电动乘用车高压线束。

  目前,新能源汽车产业处于探索与少量试产阶段,国内乃至国际上都没有形成产业规模,因此相关的零部件也处于试制阶段。但相较与国内主要以线束装配为主严重滞后的汽车线束整体技术水平,国外的汽车线束相关技术基础扎实,已有高压线束的解决方案。例如,最早进入电动及混合动力汽车充电连接器领域的行业领导者安费诺公司(Amphenol),其研制的电动车高压线束具有结构简单、性能优异、用户认可度高等特点,可在超高温度、振动、有限空间及其他恶劣环境下可靠工作,现已被各家国内外汽车生产商所广泛采用;TYCO、Delphi(德尔福)、LS等其他国外公司紧随其后,推出了各自的高压线束解决方案和相关产品。

  进入正文,为了弥补我国在电动乘用车高压线束领域的研究空白,摆脱我国电动乘用车中所需的高压线束基本直接采购国外产品的现状,展开了一种高压大电流电动乘用车高压线束的自主研发。根据电动乘用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。但根据电动乘用车高压电缆的使用要求,电动乘用车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,因此所设计的电动乘用车高压线束必须满足高压大电流传输。电动乘用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,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。

  早期汽车线缆用绝缘材料主要是PVC(聚氯乙烯),但PVC中含有铅,对人体有害,近些年来逐渐被LSZH(低烟无卤材料)、TPE(热塑性弹性体)、XLPE(交联聚乙烯)、硅橡胶等材料替代。由于电动乘用车高压电缆在满足高压大电流、抗电磁干扰的同时还要满足耐磨和阻燃等要求,因此对这些材料性能进行了对比:

  a、LSZH可分为PO(聚烯烃)类和EPR(乙丙橡胶)类两大类,其中以PO类电缆料为主流。PO类LSZH阻燃电缆料的配方中有大量的AI(OH)3、Mg(OH)2无机阻燃剂,从而使该电缆料具有较好的阻燃、低烟、无卤、低毒等特性,但同时也使其在物理机械性能、电气性能以及挤出工艺性能等方面与其他非阻燃材料及含卤阻燃材料存在差异。

  b、TPE是一种兼具橡胶和热塑性塑料特性的高分子材料,在常温下显示橡胶的高弹性,在高温下又能塑化成型,但该材料不耐磨,不能满足电动乘用车高压线束的使用要求。

  c、XLPE是由耐温等级为75℃的普通PE(聚乙烯)材料经过辐照交联后制得的,其耐温等级可达到150℃,并具有优良的物理机械性能、抗过载能力及长寿命等特点,但不阻 燃。

  d、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。在对比上述材料性能后,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乘用车高压电缆绝缘材料的首选。最终设计的电动乘用车高压电缆的结构如下图所示。

  通常连接器(主要指其中的接触件)都有使用温度限制,一旦使用温度超过规定限值,连接器就会因发热而降低安全性,甚至失效损坏。造成连接器使用温度增高的原因主要有两方面:

  a、汽车本身。汽车上温度最高的部位就是发动机周围,例如传统汽车发动机周围温度可达125℃以上。

  b、连接器本身。连接器在使用过程中会发热,连接器中插合的接触件存在接触电阻,接触电阻越大,功率损耗越大,接触件的温度越高,可靠性越低。对此,在设计电动乘用车高压大电流连接器时尤其需要注意。为了避免过高的使用温度使连接器中的绝缘材料受损,降低其绝缘性能,甚至烧毁失效,以及使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,进而加剧使用温度升高,如此恶性循环最终导致连接接触失效,必须合理设计电动乘用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,如图二所示。

  片式接触件的插孔为圆柱筒开槽并收口,插孔采用铍青铜丝(棒)加工,原材料价格较贵,且后续收口工序较难控制,产品质量一致性较难保证,成本较高。

  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。安费诺公司获得专利的RADSOK插孔结构(图片3),即采用了双曲线冠簧技术,接触面积可增加65%,其表面为高耐磨性的镀银层。

  线簧式接触件的插孔为线簧孔,插孔的结构和片簧式插孔的结构相似,只是线簧式插孔由弹簧线组成,线簧式插孔虽然性能优良,但是工艺复杂,成本也较高。在对上述各接触形式接触件比较后,该电动乘用车高压大电流连接器采用了大电流片簧式接触件。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,该大电流片簧式接触件采用了双簧片的两级片簧式插孔。最终通过对大电流接触件接触电阻的计算、结构的设计以及样件设计修正,成功设计了大电流接触件。

  为了满足电动乘用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。电动乘用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。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。

  为了提高连接器的耐高压性能,电动乘用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。

  最终设计的电动乘用车高压连接器的结构如图4所示。高压连接器的结构从里到外依次为内导体、绝缘层、屏蔽层、外壳。

  为了使所设计的高压线束在满足基本的可靠电气连接要求外,还具有出色的电磁屏蔽性能,展开了高压线束的屏蔽性能设计。高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆自身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接器结合处的屏蔽性能设计、高压连接器自身的屏蔽性能设计及高压连接器插合界面处的屏蔽性能设计。为了提高高压电缆自身的屏蔽性能,高压电缆采用了屏蔽结构,如果电缆为信号线与电源线组合而成时则更应注意这点。为了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,特别是确保在强烈动情况下连接处不会产生松动的情况下,在高压电缆与高压连接器内导体连接后,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。为了提高高压连接器自身的屏蔽性能,连接器采用了金属壳体设计。为了提高连接器插合界面处的屏蔽性能,设计时采用了屏蔽簧结构,以保证插头与插座壳体间可靠接触;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;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。

  由于电动乘用车高压电缆的直径较大,需要进行专门的布线走向,即电动乘用车高压线束布局在车外,因此必须对电动乘用车高压线束进行机械防护和防尘防水设计。为了提高高压线束的机械防护和防尘防水性能,在接插的连接器间以及连接器连接电缆的位置均采用了密封圈等防护措施,防止水汽和灰尘进入,从而确保连接器的密封环境,避免接触件之间短路的风险,以及防止湿气进入,避免产生火花等安全问题。

  电动乘用车行驶在公路上,会受路面高低不平和车速快慢等因素的影响而产生高振动,导致高压线束与接触的零部件和其他线束间产生摩擦、磨损,以及高压线束本身的疲劳磨损。为了提高高压线束使用寿命和质量,应对高压电缆和高压连接器间的连接进行加固,对高压连接器之间的连接采用锁紧结构,以及进行布线方案优化,高压线束材料选择耐磨材料,导线采用抗疲劳的铜绞线。此外,高压连接器间的连接环节是高压线束本身的薄弱点,为了提高高压线束使用寿命,同时满足高压电气系统的使用要求,必须保证高压连接器的插拔次数和连接质量。

  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,在电动乘用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。可见,该电动乘用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。

  本文简要介绍了电动乘用车高压线束的功能用途和国内外研制情况。从电动乘用车的使用特点、要求和环境入手,分析了电动乘用车用的高压线束的性能要求和设计要点(耐高压、耐大电流、耐环境、屏蔽性和安全可靠等),并分别详细论述了电缆的主要设计,连接器及其接触件的主要设计方案,并给出了线束总体方案,最后介绍了研制样品的测试情况。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乘用车的使用要求。随着电动汽车产业的发展,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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