一、概述
國際原油價(jià)的不斷上漲，全社會(huì)對(duì)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(dòng)汽車的市場(chǎng)份額不斷增長。
電動(dòng)汽車主要包括三類，即純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車是完全由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，而混合動(dòng)力汽車結(jié)合內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)，在加速和低速條件下內(nèi)燃機(jī)的效率不高時(shí)由電動(dòng)機(jī)支持。他們共同的特點(diǎn)是使用高達(dá)600V的或更高的驅(qū)動(dòng)電壓，涉及到布線，他們都有著相同的基本要求，既是在EMI(電磁干擾)保護(hù)系統(tǒng)下的安全傳輸高的電流和電壓。作為高壓電纜是用于連接高電壓電池、逆變器、空調(diào)壓縮機(jī)、三相發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電能的傳輸。
電動(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車高壓電纜，其柔韌性，屏蔽，安全，尺寸等項(xiàng)目提出了新的技術(shù)要求，因?yàn)檫@些會(huì)影響大電流和高電壓的組件的布線。而面對(duì)每一個(gè)可能的動(dòng)力系統(tǒng)不同的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)所需的組件也提出了不同的特殊要求。
需要說明的是電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)并不是典型的高壓系統(tǒng)，相關(guān)術(shù)語如“高電壓”和“高電流”必須僅限定在汽車領(lǐng)域范圍內(nèi)，和常規(guī)汽車的低壓系統(tǒng)相對(duì)而言。在其他領(lǐng)域參照系統(tǒng)則采用完全不同的標(biāo)準(zhǔn)，如電力領(lǐng)域高電壓定義起步就是幾千伏水平。
二、對(duì)電動(dòng)汽車高壓電纜的要求
創(chuàng)新的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)對(duì)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600 V設(shè)計(jì)，而如果在商用車和公共汽車上使用，額定電壓可高達(dá)1000 V。相比之下，甚至更高。目前由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車使用的電纜被設(shè)計(jì)為額定電壓60 V。
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(dòng)機(jī)，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(dòng)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(jì)為承受較高的溫度。目前可以看出對(duì)溫度要求有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。
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(dòng)機(jī)艙或其它耐較高的溫度的區(qū)域。電動(dòng)汽車高壓電纜通常要高于這個(gè)溫度，如125℃或150℃。
電動(dòng)汽車內(nèi)如果通過的路由不利，主機(jī)廠甚至?xí)岢龈叩哪透邷匾蟆Ｈ缗艢夤芨浇姍C(jī)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(jí)電纜設(shè)計(jì)使用壽命為3000 h。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(yàn)。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域的客戶的特殊要求可能超過3000 h，在規(guī)定的溫度累計(jì)運(yùn)行時(shí)間甚至達(dá)到至12000 h。
5. 屏蔽效果
高壓電纜的本身并不需要屏蔽，因?yàn)椴幌裢S電纜那樣傳輸數(shù)據(jù)，但是需要防止或減少系統(tǒng)中的開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻輻射通過電纜誘導(dǎo)到周邊部件。
和燃料驅(qū)動(dòng)的車輛不同，控制電動(dòng)汽車的電機(jī)的三相交流電成為必須。攜帶能量的正弦電壓相當(dāng)于不同頻率的方波脈沖信號(hào)。由于高頻率的脈沖具有陡峭的沿，所以會(huì)產(chǎn)生能量很強(qiáng)的諧波發(fā)射到周邊區(qū)域。
通過使用適當(dāng)?shù)钠帘畏椒ㄍ耆梢越鉀QEMI問題。在某些情況下為滿足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽類型的組合。
6. 柔韌性
混合動(dòng)力汽車的開發(fā)在許多情況下面臨的挑戰(zhàn)是，現(xiàn)有的系列平臺(tái)原來只設(shè)計(jì)裝載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和它的組件的空間納入了更多的電氣組件。即使不考慮布線，空間的限制可以預(yù)計(jì)。此外，電纜和連接器通過路由也需要空間。通常的后果是導(dǎo)致緊張的彎曲半徑。
由于常規(guī)電纜固有的設(shè)計(jì)，高彎曲力難以克服。為了解決這個(gè)問題，高壓電纜高柔韌性是至關(guān)重要的。只有比較柔韌的設(shè)計(jì)，通過車輛的路由才可以容易實(shí)現(xiàn)。
7. 耐彎曲
如果電動(dòng)機(jī)位于靠近車輛的運(yùn)動(dòng)部位，然后導(dǎo)致連接的高壓電纜連續(xù)振動(dòng)，它要求被設(shè)計(jì)成能承受高的循環(huán)彎曲，以確保良好的彎曲耐力。
8. 標(biāo)識(shí)
因?yàn)楦唠妷簬響?yīng)用風(fēng)險(xiǎn)增加，各種標(biāo)準(zhǔn)均定義高壓電纜必須在視覺上與普通汽車電纜區(qū)分，指定表面必須是鮮艷的橙色。
同時(shí)也可以印刷警示內(nèi)容和特殊標(biāo)記，如“小心!高壓600V”、高電壓的閃電標(biāo)識(shí)等。
三、電動(dòng)車電纜的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
針對(duì)上述的電動(dòng)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(jī)廠的需要。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織道路車輛技術(shù)委員會(huì)電氣電子分技術(shù)委員會(huì)車用電纜工作組(ISO/TC 22/SC 3/WG4)在開展這項(xiàng)工作。
在ISO 6722上可以看到，基于常見的60 V電纜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，以符合600V電纜的需求。因?yàn)樗拇蠖嘁筮€是很通用的，但往往不考慮高壓電纜所需的特殊設(shè)計(jì)。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(gè)課題。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是ISO 17195。
SAE將調(diào)整目前的高壓(額定600 V)規(guī)范SAE J1654 對(duì)高壓電纜的要求，并涵蓋從600 到1000 V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600 V的電動(dòng)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1000 V。
四、電動(dòng)汽車高壓電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)
高壓電纜的柔韌性，大多是由導(dǎo)體的設(shè)計(jì)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(gè)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。
2. 絕緣材料
絕緣材料的選擇主要是考慮耐熱要求和機(jī)械強(qiáng)度。相比標(biāo)準(zhǔn)的電池電纜，可以合理選擇比較軟的材料，使特殊設(shè)計(jì)的絞合導(dǎo)體保持柔韌性。
3. 成纜
電纜當(dāng)多芯時(shí)通常需要將線芯絞合起來。為了彌補(bǔ)絞合高壓電纜線芯造成的變形，需要采用所謂退扭的專用設(shè)備。這個(gè)過程中，專用的絞線機(jī)配備的放線盤相對(duì)絞合方向反向旋轉(zhuǎn)。這為防止電纜的變形張力很有必要。
根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)，通常使用填充，以保證屏蔽電纜較高的同心度，最終取得一個(gè)令人滿意的高壓電纜。在絞合纜芯使用包帶可以保持電纜的柔韌性。
4. 屏蔽
由于EMC(電磁兼容性)的要求，使用多根銅絲組成編織屏蔽。鍍錫銅絲可以使其抵抗環(huán)境影響如氧化等變得更加強(qiáng)大。用細(xì)的銅絲可以保持設(shè)計(jì)的柔韌性
屏蔽需要有一個(gè)90%以上的覆蓋率克服前面介紹的EMI問題。
屏蔽效果的不同需要，編織屏蔽可以結(jié)合其他各種屏蔽，如鋁塑符合薄膜。屏蔽外可以繞包一層無紡布，以確保在裝配過程中輕松的剝下護(hù)套。
5. 護(hù)套
和線芯的絕緣一樣，護(hù)套材料根據(jù)熱和機(jī)械性的要求選擇。由于直接接觸，像耐液體和耐磨等的環(huán)境屬性對(duì)護(hù)套也尤其重要。這些特性主要取決于所選護(hù)套材料類型，而在一定程度也受護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響。
如果特殊要求，如克服安裝車輛環(huán)境的磨損，要求增加耐磨性，這在選擇材料時(shí)就需要考慮。通常使用測(cè)試設(shè)備模擬現(xiàn)實(shí)情況用于驗(yàn)證這些特性。
選擇比較軟的材料，受益的是柔韌性，而這可能會(huì)導(dǎo)致高壓電纜較低的耐磨。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定，擠出外套應(yīng)是一個(gè)鮮艷的的橙色，根據(jù)規(guī)定也可以添加特殊的警示高壓的標(biāo)記。
五、電動(dòng)汽車高壓電纜的特性和優(yōu)化
完美復(fù)雜的設(shè)計(jì)和使用高品質(zhì)的材料，結(jié)果將導(dǎo)致昂貴的電纜成本。經(jīng)驗(yàn)表明，針對(duì)具體的高壓電纜，往往可以通過截面，溫度要求，柔韌性以及屏蔽效果的優(yōu)化而量體裁衣。重量和成本節(jié)省可以彰顯，過度尺寸和過度的組件可以避免。
1. 截面積和溫度等級(jí)的優(yōu)化
電纜的選擇大多是根據(jù)環(huán)境溫度和傳送電流的指標(biāo)。在這方面，最重要的特性是“電纜截面”和“電纜所用材料的耐熱等級(jí)”。
導(dǎo)體的電壓降轉(zhuǎn)化為熱能加熱的高壓電纜的導(dǎo)體。這種熱可部分轉(zhuǎn)移到環(huán)境，使導(dǎo)線運(yùn)行溫度降低。較低的溫度梯度可以轉(zhuǎn)移較少的熱量。連續(xù)負(fù)載電流的電纜可以導(dǎo)致承受最高的額定溫度。該溫度可以造成所用材料的老化。
電纜設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)最合適應(yīng)用的電纜：過度的導(dǎo)體規(guī)格可能會(huì)導(dǎo)致成本和重量增加，較大的外徑。最壞的情況，僅考慮可能的最高的負(fù)載電流和環(huán)境溫度，將導(dǎo)致采用大截面電纜，耐高溫材料，如有機(jī)氟或硅材料。
確定電流和負(fù)載環(huán)境溫度的關(guān)系從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看是很有意義的。應(yīng)考慮真正的驅(qū)動(dòng)器周期性的動(dòng)態(tài)電流峰值，允許合理的定義最壞情況下負(fù)載電流和峰值電流。
一個(gè)好的設(shè)計(jì)的先決條件是對(duì)基本條件的了解，如必須首先確定環(huán)境溫度和電纜負(fù)載。一般大截面高壓電纜在溫度變化方面具有較大慣性，所以車輛加速或減速的電流峰值不會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大的導(dǎo)體溫度的影響。允許有時(shí)短期溫度峰值即使超過在以上定義的電纜溫度等級(jí)，高壓電纜處理這些峰值的能力通常是由熱過載性能定義。從而電纜不需要設(shè)計(jì)為較高的工作溫度等級(jí)，沒有必要采用超過指定工作溫度的電纜。可以綜合考慮常駐負(fù)載電流以及單脈沖或系列脈沖連同各種參數(shù)，如環(huán)境溫度。
理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)中獲得的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，可以初步確定、選擇和得到優(yōu)化的滿足應(yīng)用的高壓電纜。
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(duì)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(gè)具體區(qū)域緊張的彎曲半徑需要會(huì)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(jì)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(cè)試設(shè)備，使電纜的設(shè)計(jì)者創(chuàng)建最合適應(yīng)用的設(shè)計(jì)。特別是對(duì)較大截面的電纜，用比較柔韌或常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)替代高柔韌的設(shè)計(jì)會(huì)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(duì)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(dòng)汽車電纜開發(fā)設(shè)計(jì)階段可以用理論計(jì)算給出一個(gè)預(yù)期的效果值供考慮。然后用實(shí)物通過試驗(yàn)手段進(jìn)行高壓電纜的屏蔽效果驗(yàn)證。
六、結(jié)束語
電動(dòng)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(huì)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(duì)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(jī)廠。整個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)積累和一個(gè)面向目標(biāo)要求的高壓電纜的規(guī)范是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。電纜制造的研發(fā)部門利用理論計(jì)算以及合適的測(cè)量設(shè)備驗(yàn)證有能力開發(fā)更適合應(yīng)用的電纜。