彭立沙，王志輝，廖錦仁

（廣州南洋電纜有限公司，廣州 511356）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，我國對環(huán)境的保護力度不斷加大，汽車行業(yè)的大趨勢是傳統(tǒng)的燃油汽車將會逐漸被清潔的新能源汽車所取代。而作為新能源汽車內部傳輸動力的特種電纜則有非常廣闊的發(fā)展前景和市場環(huán)境。該種電纜應該達到的技術要求為：電壓為300～1 000 V；電流為80～500 A；耐低溫-40 ℃；耐高溫125～150 ℃，個別發(fā)熱區(qū)域耐高溫需要達到175～200 ℃。電纜同時又需滿足長壽命、耐各種氣候環(huán)境，解決EMI（電磁干擾）等要求。

本文主要針對傳統(tǒng)車內高壓電纜的屏蔽層壽命短、老化破裂后會致使屏蔽性能急劇下降的問題，通過改善工藝特點，改變屏蔽層的結構以及制造方法，在保證電纜達到預期的屏蔽效果、柔軟度等各種性能都優(yōu)越的情況下盡可能地提高使用壽命，至少使其能和汽車的壽命保持一致，不能在汽車正常使用壽命內產(chǎn)生性能衰減。

1 設計理念

傳統(tǒng)汽車的保修期為3～5年，傳統(tǒng)汽車線纜主要適用于低電壓、低電流，因此線纜結構簡單（大多為導體＋絕緣的簡單結構）。尺寸小、傳輸?shù)碾妷汉碗娏餍?，對外界產(chǎn)生的干擾信號較微弱，一般不需要進行屏蔽設計。

近幾年新能源電動車的迅猛發(fā)展帶動了汽車行業(yè)的智能化和自動化的高速發(fā)展，很多汽車設計時，往往遺漏和忽略了細節(jié)方面的情況，比如電纜壽命與汽車壽命匹配的問題，以前的汽車是機械化程度高，但是電子化程度較低，對于信號的干擾基本可以忽略，所以汽車用電纜基本不用考慮屏蔽的問題。但是如今汽車電子化程度越來越高，信號采集、傳輸、接收等會因汽車內外部信號的干擾而產(chǎn)生信號失真，嚴重的還會造成安全事故。所以如今汽車很多重要的電子元器件都會認真考慮防干擾性能設計，在防干擾的處理上一方面是屏蔽來自外界的干擾，另一方面是屏蔽元器件本身可能產(chǎn)生的電磁波對相鄰零部件產(chǎn)生干擾。

新能源汽車的三相電機已經(jīng)在行業(yè)內普遍使用，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，因此會產(chǎn)生能量很強的諧波發(fā)射到周邊區(qū)域，對周圍的電子設備產(chǎn)生強烈的電磁干擾，雖然新能源汽車用高壓電纜不像同軸電纜那樣需要傳輸數(shù)據(jù)，本身并不需要屏蔽外界的干擾，但是其需要通過屏蔽來防止或減少電流傳輸時產(chǎn)生的高頻輻射通過電纜影響到周邊部件，影響其他電子設備的正常運行[1-2]，為防止造成嚴重的后果，所以必須使用適當?shù)钠帘畏绞絹砥帘坞娏鬏敃r電纜可能對相應零部件產(chǎn)生的干擾。

電纜設計時通常采取的屏蔽組合為鋁塑復合帶+銅絲編織的復合屏蔽結構，但是鋁塑復合帶容易氧化碎裂，壽命短，碎裂后會急劇降低屏蔽性能。為了改善這一情況，新設計的電纜采用編織屏蔽層包覆在半導體屏蔽層上的方式（電纜截面如圖1 所示），將繞包鋁塑復合帶更改為擠出半導電屏蔽層，在保證良好屏蔽性能的基礎上，使電纜各部分的壽命達到一致，充分滿足新能源汽車對于各零部件的壽命要求。

圖1 電纜截面圖

圖2 編織的菱形空隙

2 各種屏蔽結構的分析

2.1 單獨銅絲屏蔽

單一的銅絲屏蔽，雖然不受鋁塑復合帶壽命的影響，整體使用壽命能滿足新能源汽車的壽命要求，但編織屏蔽的結構方式為交叉織網(wǎng)的形式，交叉織網(wǎng)時，總會留下菱形的空隙，如圖2 所示，致使銅絲編織的面積覆蓋率不能達到100%，且空隙的面積和形狀會因編織規(guī)格參數(shù)不一樣而有差異。而空隙面積和形狀，又會對屏蔽效果產(chǎn)生直接的影響，導致屏蔽效果達不到最佳狀態(tài)。根據(jù)計算及實際測試可以發(fā)現(xiàn)，隨著編織角度變化（菱形空隙的形狀也會相應改變），轉移阻抗也會隨之改變[3]，如今汽車日益智能化、自動化而使得對于各部件的抗干擾能力要求越發(fā)嚴苛。單獨使用銅絲編織進行屏蔽已經(jīng)很難滿足使用要求，此方案現(xiàn)基本不再采用。

2.2 銅帶屏蔽

常規(guī)的屏蔽方式中，包銅帶屏蔽的方式屏蔽效果優(yōu)良，但是包銅帶屏蔽雖然可以達到良好的屏蔽效果與使用壽命要求，但是包銅帶的劣勢是電纜包銅帶后整體很硬，導致彎曲半徑過大，不適合在汽車的狹小空間中布線使用，滿足不了汽車設計的最基本要求，無法使用，所以此方案也可以直接剔除。

2.3 繞包鋁塑復合帶+銅絲編織復合屏蔽

目前市面上車內屏蔽高壓電纜的屏蔽方式均為繞包鋁塑復合帶+銅絲編織的復合屏蔽方式，此方案具有優(yōu)良的屏蔽效果，也不會影響電纜的整體柔軟性和彎曲半徑，易于在汽車的狹小空間內布線安裝，經(jīng)過實際測試驗證，發(fā)現(xiàn)屏蔽效果和彎曲半徑均能滿足車企和相關標準的相應要求。

但是經(jīng)過模擬汽車內部的特殊環(huán)境的使用測試中，發(fā)現(xiàn)鋁塑復合帶在長期濕熱或者酸、堿、鹽性等特殊條件下，會加速鋁膜的氧化，使之變脆，容易破裂而導致電纜的屏蔽效果下降，從而產(chǎn)生一些不可預計的風險。為了能夠解決這一問題，需尋找其他合適的代替方案。

2.4 擠塑半導電層+銅絲編織屏蔽

結合多年的高壓電力電纜的生產(chǎn)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)高壓電纜中采用的絕緣屏蔽方式完全能夠運用到新能源車內高壓電纜的屏蔽設計中，經(jīng)過多年的高壓電力電纜使用驗證，擠塑半導電屏蔽層的使用壽命，不會在短短幾年甚至十幾年內產(chǎn)生較大的性能下降問題[4]。而且在現(xiàn)在成熟的3 層共擠生產(chǎn)工藝基礎上，稍作更改，使用雙層共擠，將絕緣擠出和半導電層的擠出同時進行，不僅能解決絕緣和屏蔽層之間的結合問題，避免夾層中有空氣，受熱后使電纜產(chǎn)生鼓包等問題，也不會在兩層結構中進入其他雜質導致質量問題，半導電屏蔽層的厚度也可以控制在0.3 mm 左右，不會額外增加電纜外徑和電纜重量，正好符合車企對于零部件的輕量化和小型化的要求。

經(jīng)過制樣測試，發(fā)現(xiàn)擠出半導電屏蔽層+鍍錫銅絲編織的復合屏蔽的結構組合，能完全滿足壽命和屏蔽率兩種要求。生產(chǎn)過程中，在擠出絕緣層時，采用雙層共擠的方式，生產(chǎn)效率也比擠出絕緣后繞包鋁塑復合帶的效率高很多，成本上就會更有優(yōu)勢。經(jīng)過多次的生產(chǎn)和測試驗證，發(fā)現(xiàn)此結構設計完全能夠替代當前的繞包鋁塑復合帶+銅絲編織的傳統(tǒng)復合屏蔽方式，完美解決了鋁塑復合帶的壽命對于電纜整體壽命的影響。

3 電纜屏蔽效果

目前國家標準《GB/T 25087-2010 道路車輛圓形、屏蔽和非屏蔽的60 V和600 V多芯絕緣電纜》6.3屏蔽效率條款[5]及汽車行業(yè)標準《QC/T 1037-2016 道路車輛用高壓電纜》4.10.5屏蔽效率條款[6]對于此類電纜的屏蔽效果測試有明確要求，主要有轉移阻抗測試和屏蔽衰減測試，其中又以三同軸法測試的轉移阻抗最常用[7]。目前行業(yè)中通常以此測試數(shù)據(jù)來衡量屏蔽效果的好壞。

如表1 所示，經(jīng)過測試結果對比分析，更改設計后的電纜，屏蔽效果并沒減弱，所以新設計的方案是可行有效的。

表1 兩種方案電纜轉移阻抗測試對比

4 電纜彎曲性能的測試

新能源汽車的開發(fā)在許多情況下面臨的挑戰(zhàn)是內部空間的不足，現(xiàn)有的系列平臺只設計了裝載汽油發(fā)動機和它的組件的空間，現(xiàn)在要納入更多的電氣組件，必須考慮到空間的合理利用[8]。

因汽車內部的空間有限，布線的空間非常狹小，轉角半徑也小，柔軟性更好的電纜在整車廠裝配時更容易施工，方便客戶生產(chǎn)，客戶的產(chǎn)能也將更高。本文中所提到的“雙層共擠”的方式，不用多增加一道工序，同心度也能一起管控，減少了成品外徑，提高產(chǎn)品質量，電纜整體的柔軟性也比傳統(tǒng)的繞包鋁塑復合帶方式生產(chǎn)的電纜好，整體性能及客戶使用方便性更強。兼顧了產(chǎn)能和質量控制的雙重要求。兩種方案冷彎測試對比如表2所示。

表2 兩種方案冷彎測試對比

5 電纜的壽命測試

傳統(tǒng)設計的新能源汽車內部高壓電纜結構為導體+絕緣+鋁塑復合帶屏蔽+銅絲編織屏蔽+護套，而其中輔助屏蔽的鋁塑復合帶因自身材料的原因，壽命很短，在環(huán)境良好的情況下，壽命也達不到現(xiàn)有汽車的最低保修期（3 年），極端（潮濕、酸堿、鹽霧等）環(huán)境中，壽命甚至達不到3個月。

新設計的電纜希望在保證良好屏蔽效果的基礎上，使電纜各部分的壽命達到一致，新能源汽車高壓電纜的質保期限也至少需要達到傳統(tǒng)汽車的質保期。

兩種屏蔽材料長期濕熱老化測試對比如表3 所示。經(jīng)過測試結果對比發(fā)現(xiàn)，鋁塑復合帶在潮濕、高溫、酸堿、鹽霧等情況下，老化速度加快。材料變得極度脆弱，有彎折或有外力的作用下，就會破碎，使之處于失效狀態(tài)，降低整體的屏蔽效果。從而嚴重影響電纜整體的壽命。

表3 兩種屏蔽材料長期濕熱老化測試對比

擠出半導電層代替繞包鋁塑復合帶的設計，擠出的半導電層的壽命，是同電纜整體壽命一致，在無外力、外物的破壞下，完全可以使用5～10年時間。

6 結束語

本文通過對新能源的高壓電纜各種屏蔽結構分析對比，擠塑半導電層+銅絲編織復合屏蔽結構，相比常用的繞包鋁塑復合帶+銅絲編織屏蔽結構，在不增加制造成本的前提下，提高了電纜的屏蔽效果以及使用壽命。擠塑半導電層+銅絲編織復合屏蔽結構性能優(yōu)越，值得推廣。

在我國保護環(huán)境，建設生態(tài)文明的大環(huán)境下，化石能源會逐步被清潔能源所代替。在不遠的未來，新能源汽車一定會成為汽車的主流，銷量會不斷上升，市場對高壓電纜的需求量也會不斷增加，因此必須不斷提高高壓電纜的質量，以保證新能源汽車的使用要求，高壓電纜的發(fā)展前景將十分廣闊。