柳海明，吳艷艷，張廣玉，蔡淑蓉

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 天津市電動(dòng)汽車(chē)評(píng)價(jià)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300；2.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

電動(dòng)汽車(chē)因其電氣結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)，要求動(dòng)力線纜必須采用高壓屏蔽線纜。對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還在起草制定中。很多企業(yè)對(duì)高壓屏蔽線纜的技術(shù)指標(biāo)要求不明確，對(duì)檢驗(yàn)方法不了解。通常企業(yè)會(huì)比較關(guān)心線纜的絕緣耐壓、插接件的插拔次數(shù)、防水防塵等性能要求，但除此之外還應(yīng)兼顧電磁性能方面的要求。電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力線纜的電氣性能應(yīng)至少包括電氣安全和電磁特性兩部分。

1 電氣安全

1.1 載流量

電纜傳輸電能會(huì)在線路產(chǎn)生損耗，損耗以熱量形式散發(fā)。在熱穩(wěn)定條件下，線纜導(dǎo)體在長(zhǎng)期允許工作溫度下所能通過(guò)的電流即為線纜最大允許的承載電流。針對(duì)電纜的安全載流量，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)地給出了電流載流量?jī)?nèi)部影響因素和計(jì)算公式［1］。該承載電流與線纜導(dǎo)體的截面積、導(dǎo)電率和導(dǎo)體外部的絕緣材料有關(guān)。導(dǎo)線截面積與載流量呈正相關(guān)，通常安全載流量銅線為5～8 A/mm2，鋁線為3～5 A/mm2。文獻(xiàn)［2］給出了一種線纜載流量驗(yàn)證試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證結(jié)果表明依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果可以作為線路設(shè)計(jì)和電纜選型的參考依據(jù)。文獻(xiàn)［3］結(jié)合系統(tǒng)用電負(fù)荷、連接方式梳理了線路長(zhǎng)期運(yùn)行載流量的選擇過(guò)程并計(jì)算了交流系統(tǒng)單芯電纜金屬層的感應(yīng)電壓，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)三相線的選擇具有借鑒作用。

1.2 耐壓性能

一般純電動(dòng)乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓范圍在48～400 V左右，而純電動(dòng)商用車(chē)可達(dá)800～1 000 V，這對(duì)線纜的耐壓性能提出了更高要求。電動(dòng)汽車(chē)高壓屏蔽線纜的金屬導(dǎo)體與屏蔽層之間、金屬導(dǎo)體與部件外殼之間、金屬導(dǎo)體與其它導(dǎo)體之間都應(yīng)承受一定絕緣耐壓等級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)擊穿或電弧現(xiàn)象。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11918.1給出了絕緣耐壓的試驗(yàn)方法，在規(guī)定的部件之間持續(xù)1 min輸入50 Hz和60 Hz的電壓觀察試驗(yàn)現(xiàn)象［4］。

1.3 絕緣電阻

絕緣電阻是與耐壓性能緊密聯(lián)系的另一表征安全特性的指標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11918.1要求絕緣電阻不得小于5 MΩ，用500 V的電壓施加1 min后進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)給出了插頭、插座和本體之間絕緣電阻測(cè)量順序要求［4］。

2 電磁性能

電動(dòng)汽車(chē)因其工作特性，高壓系統(tǒng)內(nèi)部存在大量的功率轉(zhuǎn)換模塊，如車(chē)輛連接電網(wǎng)進(jìn)行充電需要AC/DC轉(zhuǎn)換；動(dòng)力電池提供的電能轉(zhuǎn)換成交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的機(jī)械能需要DC/AC轉(zhuǎn)換；車(chē)載電器工作的12V電源需要由動(dòng)力電池高電壓轉(zhuǎn)換，從而需要DC/DC轉(zhuǎn)換裝置。所有這些轉(zhuǎn)換都會(huì)帶來(lái)電磁兼容方面的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換效率越高，電路中du/dt或di/dt越大，電磁干擾越嚴(yán)重。因此，在電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)中采用屏蔽線纜以降低電磁干擾成為普遍做法。電動(dòng)汽車(chē)高壓屏蔽線纜電磁特性主要表現(xiàn)為屏蔽層接觸阻抗和屏蔽效能。

2.1 屏蔽層接觸阻抗

屏蔽層接觸阻抗又稱直流阻抗，體現(xiàn)了高壓屏蔽線纜與插接件、部件殼體之間的連接效果。如圖1所示，測(cè)量不同的接觸點(diǎn)之間的直流電阻，一般要求直流阻抗＜5mΩ。使用微電阻計(jì)即可完成試驗(yàn)。

圖1 屏蔽層接觸阻抗測(cè)量示意圖

2.2 屏蔽效能

屏蔽效能（Shielding Effectiveness）是用來(lái)衡量屏蔽的效果，是指沒(méi)有屏蔽時(shí)空間某個(gè)位置的場(chǎng)強(qiáng)與有屏蔽時(shí)該位置的場(chǎng)強(qiáng)的比值，單位為分貝（dB）。

如果用功率來(lái)表示屏蔽效能，公式為

式中：P0——未加屏蔽時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的功率；P1——增加屏蔽后觀測(cè)點(diǎn)的功率。

對(duì)于電場(chǎng)，屏蔽效能的公式表示為

式中：E0——未加屏蔽時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；E1——增加屏蔽后觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

對(duì)于磁場(chǎng)，屏蔽效能的公式表示為

式中：H0——未加屏蔽時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；H1——增加屏蔽后觀測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。屏蔽效能越大，其屏蔽效果越好。

在工程實(shí)踐中，屏蔽線纜的屏蔽效能通常有以下幾種評(píng)估方式。

2.2.1 屏蔽層編織密度與結(jié)構(gòu)

由于國(guó)內(nèi)目前暫時(shí)缺乏針對(duì)屏蔽線纜屏蔽效能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)企業(yè)通常從屏蔽線纜屏蔽層編織密度和結(jié)構(gòu)上定性地提出相應(yīng)技術(shù)要求。

電動(dòng)汽車(chē)用帶屏蔽層的高壓屏蔽線纜主要可以分為兩大類(lèi)：一是單一金屬絲編織屏蔽層，成本相對(duì)較低，如圖2所示；二是金屬絲編織層與鋁塑復(fù)合帶屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 單一金屬絲編織屏蔽層高壓屏蔽線纜

文獻(xiàn)資料表明，對(duì)于單一金屬絲編織屏蔽層線纜而言，編織角度小于45°的屏蔽性能要優(yōu)于編織角度大于45°的線纜，在編織角度相近的情況下，編織密度越大時(shí)屏蔽性能越好［5］。一般車(chē)企對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高壓屏蔽線纜屏蔽層的編織密度要求要達(dá)到80%～90%左右。

圖3 金屬絲編織層與鋁塑復(fù)合帶屏蔽線纜

對(duì)于金屬絲編織層與鋁塑復(fù)合帶屏蔽結(jié)構(gòu)的線纜，采用鋁塑復(fù)合帶內(nèi)包的屏蔽效果要遠(yuǎn)好于外包的結(jié)構(gòu)，因?yàn)殇X塑復(fù)合帶外包時(shí)內(nèi)部編織層不能完好地與線纜內(nèi)導(dǎo)體貼合，從而引起電磁泄漏［5］。對(duì)于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的屏蔽線纜，編織層編織密度至少應(yīng)達(dá)到40%以上。

2.2.2 表面轉(zhuǎn)移阻抗

屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗是一種間接評(píng)價(jià)線纜屏蔽效能的方法。

圖4為屏蔽線纜模型。屏蔽線纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗定義為單位長(zhǎng)度的線纜屏蔽層上感應(yīng)電壓跟流經(jīng)內(nèi)導(dǎo)體電流的比值，即

圖4 屏蔽線纜模型

式中：ZT——表面轉(zhuǎn)移阻抗；U2——感應(yīng)電壓；I1——內(nèi)導(dǎo)體電流；Lc——線纜的耦合長(zhǎng)度。

表面轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)試方法主要有2種：三同軸法和線注入法。

文獻(xiàn)［6，7，8］詳細(xì)給出了三同軸法的原理及測(cè)試方法。三同軸法是把被測(cè)線纜置于同軸的無(wú)鐵磁性的良導(dǎo)體管（比如黃銅或純銅）內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的方法。同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體、同軸電纜外導(dǎo)體和同軸的良導(dǎo)體管三者構(gòu)成一個(gè)三同軸裝置。主要有2種操作方式：一種由同軸電纜注入信號(hào)，遠(yuǎn)端管子取出耦合信號(hào)；另一種由遠(yuǎn)端管子注入信號(hào)，同軸電纜取出耦合信號(hào)。測(cè)試布置如圖5所示。

圖5 三同軸法測(cè)試布置示意圖

式中：ZT——轉(zhuǎn)移阻抗；R1——內(nèi)導(dǎo)體的終端電阻；R2——線纜外部屏蔽層連接的終端電阻；Lc——耦合長(zhǎng)度；ameas——測(cè)量的衰減；acal——校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量的復(fù)合損耗；Km——匹配電路的電壓增益［6］。

三同軸法對(duì)測(cè)試夾具的精度要求比較高，以達(dá)到電路匹配減小反射。該方法適用于低頻范圍，一般不超過(guò)100 MHz。

線注入法是另一種常用的測(cè)試方法。與三同軸法相比，對(duì)測(cè)試夾具的要求相對(duì)較低。測(cè)試布置如圖6所示。試驗(yàn)前首先進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量注入線路自身的損耗大小。測(cè)試時(shí)接收機(jī)測(cè)量屏蔽線纜內(nèi)導(dǎo)體上的耦合電壓。同樣要求信號(hào)源注入的信號(hào)在耦合裝置上的反射盡可能小，至少衰減20 dB以上。線注入法在實(shí)施過(guò)程中通常每隔120°或90°圍繞屏蔽線纜屏蔽層布置一根注入線，每測(cè)量一次將被測(cè)線纜以芯線為軸旋轉(zhuǎn)，測(cè)量3～4次以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，測(cè)量結(jié)果取最大值。測(cè)試中應(yīng)確保注入線纜與待測(cè)線纜的相對(duì)位置固定且阻抗匹配。

圖6 線注入法測(cè)試布置示意圖

線注入法的計(jì)算公式為

式中：ZTEn——近端測(cè)量的等效轉(zhuǎn)移阻抗；ZTEf——遠(yuǎn)端測(cè)量的等效轉(zhuǎn)移阻抗；R2——線纜外部屏蔽層連接的終端電阻；Lc——耦合長(zhǎng)度；ameasn和ameas1——分別為近端和遠(yuǎn)端測(cè)量的衰減；acal——校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量的復(fù)合損耗；Km——匹配電路的電壓增益［6］。

線注入法的測(cè)試范圍一般可以覆蓋10 kHz～1 GHz。

通過(guò)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)線纜在低頻段轉(zhuǎn)移阻抗近似等于直流阻抗值，隨著頻率的升高轉(zhuǎn)移阻抗會(huì)上升，當(dāng)頻率足夠高時(shí)線纜的電阻分量可以忽略不計(jì)［8］。電動(dòng)汽車(chē)高壓屏蔽線纜的屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗，一般要求在30 MHz頻率以下應(yīng)至少低于50 mΩ/m。

2.2.3 屏蔽衰減

屏蔽衰減適用于測(cè)試線纜為電大尺寸時(shí)對(duì)屏蔽線纜的屏蔽效能評(píng)價(jià)，一般為30 MHz以上頻率范圍。主要測(cè)試方法有2種：三同軸法和功率吸收鉗法。

三同軸法測(cè)量屏蔽衰減的測(cè)試布置如圖5所示。其計(jì)算公式為

式中：as——屏蔽衰減，dB；U1——饋入到內(nèi)部電路的電壓，V；U2——屏蔽線纜外部電路上接收機(jī)測(cè)得的電壓，V；Z1——受試線纜的特征阻抗，Ω；ZS——標(biāo)準(zhǔn)化的阻抗（等于150Ω）［6］。

功率吸收鉗法需要在近端和遠(yuǎn)端分別進(jìn)行測(cè)量，并取其最大值。測(cè)試布置如圖7所示。由于線纜表面?zhèn)鞑サ碾姶挪〞?huì)在發(fā)射板處產(chǎn)生發(fā)射，從而影響功率吸收鉗的測(cè)量結(jié)果，因此應(yīng)在線纜上增加輔助吸收鉗。信號(hào)從受試線纜注入，線纜內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層構(gòu)成第一級(jí)電路，線纜的屏蔽層與周?chē)h(huán)境構(gòu)成第二級(jí)電路［9］。從線纜屏蔽層泄漏到周?chē)h(huán)境的電磁波在近端和遠(yuǎn)端分別被功率吸收鉗接收測(cè)得感應(yīng)信號(hào)功率，選擇近端與遠(yuǎn)端兩者中較大測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，則線纜的屏蔽衰減表示為

式中：as——屏蔽衰減，dB；P0——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率，W；Pn，Pf——分別為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在近端和遠(yuǎn)端測(cè)量的接收功率，W；am——測(cè)試裝置的插入損耗，dB；acab——從連接點(diǎn)到功率吸收鉗電流探頭位置的線纜衰減，dB。對(duì)于近端測(cè)量時(shí)acab可以忽略不計(jì)［6］。

圖7 功率吸收鉗法測(cè)試布置示意圖

文獻(xiàn)［10］中給出了鋁塑復(fù)合帶加編織外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的屏蔽衰減示例，見(jiàn)表1。從表1中可以看出編織密度在40%～50%左右時(shí)，屏蔽線纜在50 MHz及以下已難以滿足60 dB屏蔽衰減的要求。結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電磁兼容國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，筆者推薦針對(duì)動(dòng)力線纜的屏蔽衰減要求100 MHz以下應(yīng)至少滿足60 dB屏蔽衰減。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力線纜的電氣特性目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依。筆者嘗試從電氣安全和電磁特性這兩方面給出技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，以供參考。其中電磁性能近年來(lái)受到眾多車(chē)企和新能源高壓部件供應(yīng)商的關(guān)注。文中介紹的試驗(yàn)方法雖然在國(guó)際上已經(jīng)比較成熟，但國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室配套的檢驗(yàn)?zāi)芰€有待進(jìn)一步完善和提升。

表1 聚乙烯絕緣同軸電纜屏蔽衰減