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        新能源汽車高壓線束常用屏蔽結(jié)構(gòu)淺析

        2023-02-08 08:43:10王亞芳馬紅飛
        汽車電器 2023年1期
        關(guān)鍵詞:絕緣層自帶線束

        王亞芳,馮 偉,馬紅飛

        (鶴壁天海環(huán)球電器有限公司,河南 鶴壁 458030)

        當(dāng)前新能源汽車正朝著高電壓大電流方向發(fā)展,有的高壓系統(tǒng)承受的電壓高達800V,電流高達660A,如此大的電流和電壓會產(chǎn)生電磁輻射,電磁輻射會干擾其它電子元器件的正常運行,所以高壓線束在設(shè)計時必須要考慮電磁干擾問題。高壓線束常用的屏蔽電磁干擾方式有3種,分別是:①導(dǎo)線自帶屏蔽層;②在導(dǎo)線外面增加屏蔽套管;③從源頭上屏蔽,直接在高壓設(shè)備上增加濾波器。

        1 導(dǎo)線自帶屏蔽層

        圖1所示是自帶屏蔽層的單芯高壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖,這種導(dǎo)線通常由兩層金屬導(dǎo)電物質(zhì)和兩層絕緣物質(zhì)組成,從內(nèi)到外依次是線芯、絕緣層、屏蔽層、絕緣層。線芯一般采用銅或者鋁材質(zhì),是電流的載體,當(dāng)線芯有電流通過會產(chǎn)生電磁干擾,而屏蔽層的作用就是屏蔽電磁干擾,使得電磁干擾始于線芯,止于屏蔽層,不會發(fā)射出去干擾別的電子器件。

        圖1 單芯高壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

        目前常見屏蔽層結(jié)構(gòu),又可以分為3種情況,分別是:①編織屏蔽加金屬箔;②單一編織屏蔽;③單一金屬箔屏蔽。

        1)編織屏蔽加金屬箔

        編織屏蔽加金屬箔如圖2所示,其通常由金屬箔和編織屏蔽層兩部分組成。金屬箔通常是鋁箔,編織屏蔽層通常采用鍍錫銅絲編織,遮蓋率≥85%。金屬箔主要是用來防止高頻干擾,編織屏蔽層則是防止低頻干擾。高壓線纜的屏蔽性能包含兩部分,轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減,線束的屏蔽效能通常需要達到≥60dB。

        圖2 屏蔽層結(jié)構(gòu):編織屏蔽加金屬箔

        不帶屏蔽層的導(dǎo)線在剝線時只需要剝掉絕緣層,然后進行端子壓接即可,容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。如圖1所示,自帶屏蔽層的導(dǎo)線一般采用同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計,如果想要在一臺設(shè)備上實現(xiàn)對這兩層絕緣層的剝皮處理就要求導(dǎo)線本身有非常理想的同軸度,但是這在導(dǎo)線實際生產(chǎn)過程中是很難實現(xiàn)的,所以在剝線時為了不損傷線芯,需要對兩層絕緣層分開處理,此外屏蔽層也需要進行一些特殊處理。對于自帶屏蔽層的導(dǎo)線,線束加工制造過程就多了剝外皮、切鋁箔、切屏蔽網(wǎng)、翻網(wǎng)、屏蔽環(huán)壓接等步驟,如圖3所示,每一個步驟都需要增加設(shè)備及人工的投入。此外,如果處理屏蔽層的時候有疏漏,導(dǎo)致屏蔽層和線芯接觸,會造成嚴重的品質(zhì)問題。

        圖3 帶屏蔽層高壓導(dǎo)線加工步驟

        目前高壓導(dǎo)線自帶編織屏蔽和金屬箔屏蔽層的這種結(jié)構(gòu)是主流設(shè)計,這種設(shè)計通過壓接屏蔽環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)360°屏蔽,起到一個好的屏蔽效果。但是,同時具有導(dǎo)線成本高、設(shè)備投入大、人工成本高、品質(zhì)問題多等弊端。

        2)單一編織屏蔽

        這種高壓電纜結(jié)構(gòu)和上述編織屏蔽加金屬箔結(jié)構(gòu)一樣,但是屏蔽層只使用了編織屏蔽,沒有金屬箔,如圖4所示。由于金屬箔主要是用來防止高頻干擾,故這種結(jié)構(gòu)針對高頻電磁干擾的屏蔽效果要比編織屏蔽加金屬箔差一些,應(yīng)用范圍也沒有編織屏蔽加金屬箔屏蔽廣泛,并且,對于線束生產(chǎn)過程來說也只是少了切鋁箔的步驟,對于整個生產(chǎn)流程并沒有很好的優(yōu)化。

        圖4 屏蔽層結(jié)構(gòu):單一編織屏蔽

        3)單一金屬箔屏蔽

        為了改善傳統(tǒng)屏蔽方式帶來的加工困難問題,趙平堂[1]等在研究一種采用寬13~17mm、厚0.1~0.15mm的銅箔以30~50角度,相互之間疊壓1.5~2.5mm纏繞而成的高壓電纜的屏蔽。這種屏蔽只采用金屬箔,省去了裁網(wǎng)、翻網(wǎng)、壓屏蔽環(huán)等步驟,很大程度上簡化了線束生產(chǎn)流程,降低了電線成本,節(jié)省了壓接屏蔽環(huán)的設(shè)備投入。

        以上幾種方式都是高壓導(dǎo)線自帶屏蔽層的設(shè)計。如果從降低成本和優(yōu)化連接器設(shè)計及線束生產(chǎn)流程角度考慮,可以直接去掉導(dǎo)線本身的屏蔽層,但是對于整個高壓系統(tǒng)來說,EMC又不得不考慮,所以需要在其它地方加上具有屏蔽功能的組件。目前對于高壓線束常用的解決方案是在導(dǎo)線外面增加屏蔽套管或者是在設(shè)備上增加濾波器。

        2 屏蔽套管屏蔽

        這種屏蔽方式是通過導(dǎo)線外屏蔽套管實現(xiàn)屏蔽,而高壓導(dǎo)線本身去掉了屏蔽層,導(dǎo)線去掉屏蔽層之后最外面的起保護和絕緣作用的線皮也沒有存在的意義了,如圖5所示,此時高壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)就只剩下絕緣層和導(dǎo)體了。這種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)對導(dǎo)線供應(yīng)商來說會降低成本;對線束廠家來說,既可以簡化生產(chǎn)流程,又能減少設(shè)備的投入;對高壓連接器設(shè)計來說,由于不用考慮屏蔽環(huán)等的設(shè)計,整個高壓連接器的結(jié)構(gòu)也變得更加簡單。

        圖5 高壓導(dǎo)線去屏蔽示意圖

        高壓屏蔽套管也可以分為兩種,硬質(zhì)屏蔽套管和軟質(zhì)屏蔽套管。硬質(zhì)屏蔽套管可以同時起到屏蔽和保護作用。軟質(zhì)屏蔽套管只起到屏蔽作用,使用的時候需要根據(jù)具體環(huán)境判斷屏蔽套管外面是否需要再加一層起保護作用的套管。

        1)硬質(zhì)屏蔽套管如圖6所示。這種管的材料可以選擇鋁,硬質(zhì)鋁管目前已經(jīng)在Toyota ESTIMA車型上批量應(yīng)用[2]。這種屏蔽套管的優(yōu)勢有如下幾點:高的導(dǎo)熱率;線束系統(tǒng)質(zhì)量減輕;更簡單、更靈活的線束布局。

        圖6 硬質(zhì)屏蔽套管

        2)軟質(zhì)屏蔽套管如圖7所示。這種套管中有以一定角度編織而成的金屬屏蔽網(wǎng),屏蔽套管直接套在導(dǎo)線最外面,屏蔽套管最終通過一定的方式和高壓連接器連接。圖8是這種軟質(zhì)屏蔽套管的應(yīng)用案例,屏蔽套管最終通過具有一定形狀的金屬卡箍和連接器連接,金屬卡箍同時可以實現(xiàn)搭鐵功能。不足之處就是:由于是非主流設(shè)計,屏蔽套管以及對應(yīng)的高壓連接器價格昂貴。

        圖7 軟質(zhì)屏蔽套管

        圖8 軟質(zhì)屏蔽套管應(yīng)用案例

        3 濾波器屏蔽

        目前,中國新能源汽車電磁屏蔽相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是GB34660和GB/T18387,屏蔽性能的測試都是需要車輛在正常運行狀態(tài)下進行測試,而電池包高壓充電線在新能源汽車正常工作的時候是不工作的。覃寶山[3]等人研究了非屏蔽高壓快充線對電動汽車EMC的影響,將汽車快充線束改為非屏蔽線束并在電池充電端口處設(shè)置濾波模塊,然后進行EMC測試,經(jīng)驗證該方式也能滿足標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電磁屏蔽的要求。與傳統(tǒng)屏蔽導(dǎo)線相比,此種方式增加了濾波器,但是簡化了導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、屏蔽連接器的設(shè)計以及線束加工流程。綜合計算,單套線束大約能節(jié)省100元成本。

        4 結(jié)論

        以上幾種方案概括了目前高壓系統(tǒng)常用的屏蔽方式,通過分析比較高壓系統(tǒng)的幾種屏蔽結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點可以發(fā)現(xiàn),未來高壓導(dǎo)線的發(fā)展主要有兩個趨勢。

        1)優(yōu)化目前導(dǎo)線的編織屏蔽結(jié)構(gòu),使其成本降低且變得易于加工,就像趙平堂等人的研究。

        2)高壓導(dǎo)線去屏蔽,這種設(shè)計無論是對主機廠還是供應(yīng)商都能帶來很多好處,越來越多的主機廠也在考慮導(dǎo)線的去屏蔽。導(dǎo)線的去屏蔽不是單單依靠導(dǎo)線能夠完成的,也需要同步開發(fā)與之匹配的高壓連接器、屏蔽套管、濾波器模塊等。

        相信在不久的將來,新能源汽車高壓線束的制造和加工一定會迎來一種更加經(jīng)濟簡單的方法。

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