(北京福斯汽車電線有限公司 北京 100000)

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電動汽車用高壓電纜的設(shè)計和開發(fā)

施愛偉

(北京福斯汽車電線有限公司北京100000)

本文旨在厘清電動汽車高壓電纜的用戶(主機廠和線束廠)對用于連接高壓電池、逆變器、空調(diào)壓縮機、三相發(fā)電機和電動機的高壓電纜的各種技術(shù)需求；提出了作為汽車零部件供應(yīng)商和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的低壓汽車電纜設(shè)計相比在機械和電氣要求方面開發(fā)高壓電纜面臨的挑戰(zhàn)。本文也闡述了采用設(shè)計方法、材料和電纜選型克服挑戰(zhàn)，同時滿足汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求的途徑。

電動汽車；高壓電纜；電纜

一、概述

國際原油價的不斷上漲，全社會對環(huán)境惡化全球變暖的更加關(guān)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(nèi)替代能源尤其是電動汽車的市場份額不斷增長。電動汽車的基本原理似乎很簡單。但深入分析，系統(tǒng)的制造商正在面臨著一系列的挑戰(zhàn)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(shù)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(tǒng)不同的技術(shù)要點，對所需的組件也提出了不同的特殊要求。

二、對電動汽車高壓電纜的要求

創(chuàng)新的電動汽車設(shè)計對高壓電纜和系統(tǒng)組件提出了新的挑戰(zhàn)，這些要求不能完全采用現(xiàn)有的解決方案。具體要求分析如下。

1.電壓。和常規(guī)汽車電纜的基本差異是結(jié)構(gòu)需要按額定電壓600V設(shè)計，而如果在商用車和公共汽車上使用，額定電壓可高達(dá)1000V。相比之下，甚至更高。目前由內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車使用的電纜被設(shè)計為額定電壓60V。

系統(tǒng)在產(chǎn)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(tǒng)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(jù)系統(tǒng)組件的功率要求，電流可達(dá)到250A到450A。這么高的電流在常規(guī)驅(qū)動的車輛上是很難找到的。

3.溫度。高電流傳輸?shù)慕Y(jié)果導(dǎo)致高功耗和組件的加熱。因此高壓電纜設(shè)計為承受較高的溫度。目前可以看出對溫度要求有進(jìn)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(fā)動機艙或其它耐較高的溫度的區(qū)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(nèi)如果通過的路由不利，主機廠甚至?xí)岢龈叩哪透邷匾蟆Ｈ缗艢夤芨浇?，電機前面，電池背面等。

4.工作壽命。汽車行業(yè)通常在指定的溫度等級電纜設(shè)計使用壽命為3000h。在公認(rèn)的電纜標(biāo)準(zhǔn)(如ISO 6722、ISO 14572)，此值通常用于長期老化試驗。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域的客戶的特殊要求可能超過3000h，在規(guī)定的溫度累計運行時間甚至達(dá)到至12000h。

三、電動車電纜的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

針對上述的電動汽車應(yīng)用的高壓電纜的挑戰(zhàn)和要求，有必要建立新的電纜標(biāo)準(zhǔn)，以滿足供應(yīng)商、線束廠以及主機廠的需要。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織道路車輛技術(shù)委員會電氣電子分技術(shù)委員會車用電纜工作組(ISO/TC22/SC3/WG4)在開展這項工作。

在ISO 6722上可以看到，基于常見的60V電纜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shè)計。ISO 14572也作了類似的修訂。

目前電壓高于600V高壓電纜的標(biāo)準(zhǔn)化是各工作組的一個課題。標(biāo)準(zhǔn)號是ISO 17195。

SAE將調(diào)整目前的高壓(額定600V)規(guī)范SAE J1654對高壓電纜的要求，并涵蓋從600到1000V的額定電壓，新創(chuàng)建尚未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范，目前推出了額定電壓600V的電動汽車高壓電纜標(biāo)準(zhǔn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，其額定電壓將達(dá)到1000V。

四、電動汽車高壓電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)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(shè)計思路，通過應(yīng)用先進(jìn)的高壓電纜結(jié)構(gòu)原理克服上文所述的挑戰(zhàn)。

1.導(dǎo)體設(shè)計。高壓電纜的柔韌性，大多是由導(dǎo)體的設(shè)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(dǎo)體。一定數(shù)量的單絲先進(jìn)行束絞，然后再同心的復(fù)絞，形成高壓電纜需要的軟導(dǎo)體。

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

圖1 耐熱150度XLPO電纜交流狀態(tài)下的載流量和溫升

2.柔韌性的優(yōu)化。對車輛的電纜布線的可用空間值得仔細(xì)考慮。僅在車輛某個具體區(qū)域緊張的彎曲半徑需要會導(dǎo)致整體電纜的柔韌性要求提高。如果可能在整體設(shè)計進(jìn)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(jié)合結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的測試設(shè)備，使電纜的設(shè)計者創(chuàng)建最合適應(yīng)用的設(shè)計。特別是對較大截面的電纜，用比較柔韌或常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計替代高柔韌的設(shè)計會顯著降低成本。

3.屏蔽效果的優(yōu)化。在一定頻率范圍內(nèi)定義的屏蔽效果對電纜的開發(fā)是非常必要的。沒有關(guān)于頻率信息的屏蔽效果不是很有用，這可能導(dǎo)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(shù)角度來看這已經(jīng)不必要。

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

六、結(jié)束語

電動汽車的高壓線束和傳統(tǒng)的布線系統(tǒng)比仍有很長的路要走。具體規(guī)范要求通常沒有明確界定，這會造成技術(shù)上復(fù)雜化，從而導(dǎo)致昂貴的解決方案。

開發(fā)階段涉及的所有各方必須采用系統(tǒng)為導(dǎo)向的方法對高壓電纜技術(shù)和成本合理優(yōu)化。這些當(dāng)事方可能包括電纜，連接器和組件供應(yīng)商商，線束廠以及主機廠。整個系統(tǒng)的知識積累和一個面向目標(biāo)要求的高壓電纜的規(guī)范是優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。電纜制造的研發(fā)部門利用理論計算以及合適的測量設(shè)備驗證有能力開發(fā)更適合應(yīng)用的電纜。