汽車研發(fā)：純電動(dòng)汽車高壓線束設(shè)計(jì)與開發(fā)!(20210315214543)

1、汽車研發(fā)：純電動(dòng)汽車高壓線束設(shè)計(jì)與開發(fā)！新年到，好運(yùn)來，一不小心，一年過去了，汽車大漫談 也迎來了新年第一篇干貨。話說這么久木有給大家?guī)磉@火 辣辣的美女，大家有木有想呢？不用說，肯定想 2018 汽車 大漫談將持續(xù)不斷的為大家貢獻(xiàn)干貨祝大家新年快樂、狗年 旺旺今天 漫談君就和大家一起來看看純電動(dòng)汽車高壓線束設(shè)計(jì)與開 發(fā)汽車線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，連接汽車的電氣電子部 件并使之發(fā)揮功能， 沒有線束也就不存在汽車電路。 在目前， 不管是傳統(tǒng)車還是電動(dòng)車，線束編成的形式基本上是一樣的， 它既要確保傳送電信號(hào)，也要保證連接電路的可靠性，向電 子電氣部件供應(yīng)規(guī)定的電流值，防止對(duì)周圍電路的電磁干擾，

2、并要排除電器短路。以電動(dòng)車為例，電動(dòng)車上電器件越來越 多，電氣系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，高壓也越來越高，而高壓線束 作為高壓電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零組件 ,其合理的設(shè)計(jì)為電動(dòng)汽車 運(yùn)行的安全提供保證。好消息：汽車大漫談 2 群已開通，話 說都是汽車研發(fā)工程師，每天都在分享技術(shù)，有需要進(jìn)群的 童鞋，加漫談君微信： autotechstudy ，備注名稱 + 專業(yè)喲， 方便邀請(qǐng)進(jìn)群！一、電氣系統(tǒng)概述電氣系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的神 經(jīng)，承擔(dān)著能量與信息傳遞的功能， 對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、 經(jīng)濟(jì)性、安全性等有很大的影響，是電動(dòng)汽車的重要組成部分。電氣系統(tǒng)的組成： 1）高壓電氣系統(tǒng)： 動(dòng)力電池、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、 功率變換器等高壓電

3、氣設(shè)備。 2 ）低壓電氣系統(tǒng)：直流 12V 或 24V 的電源，一方面為燈光、雨刮等常規(guī)低壓電器供電， 另一方面為整車控制器輔助部件、高壓電氣設(shè)備的控制電路 供電。主要由 DC/DC 功率變換器、輔助蓄電池和若千低壓 電氣設(shè)備組成。 3）整車網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)：整車控制器、電 機(jī)控制器、 電池管理系統(tǒng)、 高壓電安全管理系統(tǒng)、 電動(dòng)空調(diào)、 信息顯示系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。 例如 CAN 通訊信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 二、高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)概述1 高壓系統(tǒng)構(gòu)成純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)框圖如下所示。作為純 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)安全管理的單元，合理的功能布局和安全 可靠的控制策略是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重要保證。 2 高壓電氣 安全系

4、統(tǒng)的總目標(biāo)高壓電氣系統(tǒng)控制與安全管理和故障診 斷的總目標(biāo)是確保純電動(dòng)汽車在靜止、運(yùn)行及充電等全過程 的高壓用電安全。三、高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì) 根據(jù)純電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)要求，并從車載儲(chǔ)能裝置、功能安 全、故障保護(hù)、人員觸電防護(hù)及高壓電安全管理控制策略等 方面綜合考慮，應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車高壓電系統(tǒng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面 設(shè)計(jì)。 1 高壓電氣電磁兼容性設(shè)計(jì)由于純電動(dòng)汽車上存在高 壓交流系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的電磁干擾性，因此高壓線束設(shè)計(jì)時(shí) 電源線與信號(hào)線盡量采用隔離或分開配線；電源線兩端考慮 采用隔離接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合將噪聲耦合 至信號(hào)線；輸入與輸出信號(hào)線應(yīng)避免排在一起造成干擾；輸 入與輸出信號(hào)線盡量避免

5、在同一個(gè)接頭上，如不能避免時(shí)應(yīng) 將輸入與輸出信號(hào)線錯(cuò)開放置。 2 高壓部件和高壓線束的防 護(hù)與標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)高壓部件的防護(hù)主要包括防水、機(jī)械防護(hù)及高 壓警告標(biāo)識(shí)等。尤其是布置在機(jī)艙內(nèi)的部件，如電機(jī)及其控 制系統(tǒng)、 電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器、 車載充電機(jī)等 及它們中間的連接接口，都需要達(dá)到一定的防水和防護(hù)等級(jí)。 并且高壓部件應(yīng)具有高壓危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)，以警示用戶與維修 人員在保養(yǎng)與維修時(shí)注意這些高壓部件。 由于純電動(dòng)汽車線束包括低壓線束與高壓線束，為提示和警 示用戶和維修人員，高壓線束應(yīng)采用橙色線纜并用橙色波紋 管對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。同時(shí)高壓連接器也應(yīng)標(biāo)識(shí)為橙色，起到警 示作用，并且所選高壓連接器

6、應(yīng)達(dá)到 IP67 防護(hù)等級(jí)。 3預(yù)充 電回路保護(hù)設(shè)計(jì)因?yàn)楦邏涸O(shè)備控制器輸入端存在大量的容 性負(fù)載，直接接通高壓主回路可能會(huì)產(chǎn)生高壓電沖擊，故為 避免接通時(shí)的高壓電沖擊，高壓系統(tǒng)需采取預(yù)充電回路的方 式對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行預(yù)充電。下圖所示為純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng) 預(yù)充電回路原理圖。 4 高壓設(shè)備過載 /短路保護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)汽車高 壓附件設(shè)備發(fā)生過載或線路短路時(shí)，相關(guān)高壓回路應(yīng)能自動(dòng) 切斷供電，以確保高壓附件設(shè)備不被損壞，保證汽車和駕乘 人員的安全。因此在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置過載或短路的保護(hù)部件，如在相關(guān)回路中設(shè)置保險(xiǎn)和接觸器，當(dāng)發(fā)生過載或 短路而引起保險(xiǎn)或接觸器短路時(shí)，高壓管理系統(tǒng)會(huì)通過對(duì)接 觸器觸點(diǎn)和相關(guān)控制

7、接觸器閉合的有效指令進(jìn)行綜合判定， 若檢測(cè)出相關(guān)電路故障，高壓管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警以提 示駕駛員。 5 高壓系統(tǒng)余電放電保護(hù)設(shè)計(jì)由于高壓系統(tǒng)的電 機(jī)控制器和電動(dòng)空調(diào)等高壓部件存在大量的電容。當(dāng)高壓主 回路斷開時(shí)，因高壓部件電容的存在，高壓系統(tǒng)中還存有很 高的電壓和電能。為避免對(duì)人員和汽車造成危害，在切斷高 壓系統(tǒng)后應(yīng)將電容的高壓電通過并聯(lián)在高壓系統(tǒng)中的電阻 釋放掉。四、電動(dòng)汽車高壓線束技術(shù)特性 1 高壓線束整體要 求 1 ）高壓線束的性能及可靠性需滿足整車要求 2）高壓線束滿足高壓電纜技術(shù)條件3）高壓線束滿足高壓大電流的使用性要求 4）高壓線束的電磁兼容性（ EMC ）滿足 GB/T1838

8、7 中規(guī)定的電動(dòng)車輛電磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度的限值5 ）高壓線束的機(jī)械沖擊及抗震動(dòng)性要求須滿足 GB743-2006 的相 關(guān)要求 6 ）防水、耐磨、阻燃和接觸可靠等安全可靠性要求 2 高壓插接件的技術(shù)要求 3 高壓電纜線的技術(shù)要求 1 ）根據(jù) 整車工作電壓，對(duì)電纜線進(jìn)行初選 電纜線線徑的選擇：用電設(shè)備的電流強(qiáng)度為： I=P/UP負(fù)載功率U額定電壓導(dǎo)線截面積計(jì)算公式為：A=I p L/UVLA導(dǎo)線截面積I電流p銅導(dǎo)線電阻率L導(dǎo)線長(zhǎng)度 UVL 導(dǎo)線允許的電壓降避免導(dǎo)線過渡發(fā)熱，應(yīng)該檢查電流密度，公式為S=l/A2 ）工作溫度：-40C125 C 3） 耐電壓測(cè)試： AC2500V/1min ， 50HZ

9、五、高壓線束的設(shè)計(jì)高 壓線束的設(shè)計(jì)包括高壓電纜、高壓連接器的設(shè)計(jì)及高壓線束 性能試驗(yàn)。 1 高壓電纜的設(shè)計(jì)根據(jù)電動(dòng)乘用車高壓電纜的使 用要求，電動(dòng)乘用車高壓電纜主要起傳輸能量的作用，需把 電池的能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)子系統(tǒng)，因此所設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車高 壓線束必須滿足高壓大電流傳輸。電動(dòng)乘用車高壓電纜承受 的電壓較高 （額定電壓最高 600V） 。電流較大 （額定電流最高 600A） 。電磁輻射較強(qiáng)。故電纜的直徑較大，同時(shí)為了避免 電磁輻射對(duì)周圍電子設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾,影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)行，電纜還設(shè)計(jì)了抗電磁干擾屏蔽結(jié)構(gòu)，即采用 同軸結(jié)構(gòu)。利用內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體 （屏蔽 ）共同作用。電纜內(nèi)的 磁場(chǎng)成同心

10、圓分布。 而電場(chǎng)從內(nèi)導(dǎo)體指向并止于外導(dǎo)體,使電纜周圍外部的電磁場(chǎng)為零，亦即屏蔽了電磁輻射，從而確保 電動(dòng)車正常運(yùn)行。 硅橡膠因具有物理機(jī)械性能良好、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等 優(yōu)點(diǎn)而成為了電動(dòng)乘用車高壓電纜絕緣材料的首選。 2 高壓 連接器的設(shè)計(jì) 1 ）大電流接觸件的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)大電流接觸件時(shí) ,選用何種接觸形式將直接決定連接 器的質(zhì)量和成本。通常接觸件的接觸形式主要有片式、片簧 式和線簧式三種， 如下圖所示。 A. 片式接觸件的插孔為圓柱 簡(jiǎn)開槽并收口。 插孔采用鈹青銅絲 （棒 ）加工 ,原材料價(jià)格較貴，且后續(xù)收口工序較難控制，產(chǎn)品質(zhì)量一致性較難保證，成本 較高。 B. 片簧式接觸件的插孔為冠簧

11、孔， 插孔內(nèi)安放有 12 個(gè)片簧圈，每個(gè)片簧圈由多個(gè)彈簧片組成。所有彈簧片都向 里拱。組成具有彈性的彈簧圈，當(dāng)插孔和插針相配時(shí)，每個(gè) 彈簧片都和插針接觸并且產(chǎn)生擠壓力 ,保證多點(diǎn)穩(wěn)定接觸； 片 簧式插孔由黃銅車制件及冠簧沖壓件組成，產(chǎn)品一致性好 , 成本低。下圖為某公司的插孔結(jié)構(gòu)，即采用了雙曲線冠簧技 術(shù)，接觸面積可增加 65% 。其表面為高耐磨性的鍍銀層。 C. 線簧式接觸件的插孔為線簧孔。插孔的結(jié)構(gòu)和片簧式插 孔的結(jié)構(gòu)相似，只是線簧式插孔由彈簧線組成。線簧式插孔 雖然性能優(yōu)良 ,但是工藝復(fù)雜 ,成本也較高。在對(duì)上述各接觸 形式接觸件比較后，選用合適的接觸件。2) 耐高壓性能設(shè)計(jì)為了滿足電動(dòng)

12、乘用車高壓連接器的設(shè)計(jì)要求，必須通過結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和材料選擇使高壓連接器的各個(gè)部分均具有足夠的介 電強(qiáng)度，確保其耐高壓性能。電動(dòng)乘用車高壓連接器的耐高 壓性能設(shè)計(jì)主要包括爬電距離、界面氣隙和絕緣材料等方面。 爬電距離是指當(dāng)工作電壓過大時(shí)，瞬時(shí)過電壓會(huì)導(dǎo)致電流沿 絕緣間的間隙向外釋放電弧，損害器件甚至操作人員。這個(gè) 絕緣間隙就是爬電距離。電弧持續(xù)的工作電壓決定了爬電距 離。在高壓連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能增大爬電距離，考慮 到連接器介質(zhì)耐壓 4000V 以上。經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算與校核 , 將連 接器的爬電距離設(shè)計(jì)成 24mm 以上。即可完全滿足高壓連接 器 600V 的使用要求。 為了提高連接器的耐高壓性能

13、 ,連接器 插合時(shí)，其界面部位應(yīng)貼合無空氣間隙。連接器的界面主要 包括插頭連接器和插座連接器的插合界面、連接器接觸件和 導(dǎo)線的連接部位。這些部位需要介質(zhì)全填充無空氣才能可靠 保證連接器不被擊穿。 為了杜絕界面氣隙的存在 ,在高壓連接 器設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施： A. 在插合界面處采用軟絕緣材料， 以保證在插合到位的同時(shí)將空氣間隙填實(shí)。 B. 插孔接觸件外 的絕緣采用模塑的形式，將接觸件外的間隙填實(shí)。 C. 插頭 和插座的插合面采用錐面結(jié)構(gòu)。 D. 接觸件連接電纜后部分 電纜絕緣伸人連接器殼體絕緣。為了提高連接器的耐高壓性 能 ,電動(dòng)乘用車高壓連接器選用了絕緣性能良好、 擊穿電壓高、 絕緣強(qiáng)度高、高溫高壓下穩(wěn)定性好、耐電弧、耐漏電痕跡、 吸濕性低的 PPA（ 聚鄰苯二甲酰胺 ）塑料。 3）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電動(dòng)乘用車高壓連接器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。高壓連接器的結(jié) 構(gòu)從里到外依次為內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層。屏蔽層、外殼。3 高壓線束的性能試驗(yàn)為了驗(yàn)證采用高壓大電流接觸件技術(shù) 設(shè)計(jì)的高壓線束的結(jié)構(gòu)合理性、接觸面積、接觸電阻、抗振 性等是否滿足高可靠、 長(zhǎng)壽命及大電流性能等要求 , 在電動(dòng)乘 用車高壓線束樣品研制完成后按照相應(yīng)的設(shè)