Design und Entwicklung von Hochspannungskabelbäumen für elektrische Personenkraftwagen

Design von Hochspannungskabeln

Benzinmotoren treiben traditionelle Automobile an. Kabel in herkömmlichen Automobilen haben die Aufgabe, Steuersignale zu übertragen, wobei der Strom und die Spannung, die sie tragen, sehr gering sind. Daher ist der Kabeldurchmesser klein und die Struktur ist einfach ein Leiter mit hinzugefügter Isolierung, was ziemlich einfach ist. Entsprechend den Verwendungsanforderungen von Hochspannungskabeln für elektrische Personenkraftwagen spielen die Hochspannungskabel für elektrische Personenkraftwagen jedoch hauptsächlich die Rolle der Energieübertragung und müssen die Energie von der Batterie an verschiedene Subsysteme übertragen. Daher müssen die konstruierten Hochspannungskabelbäume für elektrische Personenkraftwagen die Anforderungen der Hochspannungs- und Hochstromübertragung erfüllen. Die Hochspannungskabel für elektrische Personenkraftwagen tragen relativ hohe Spannungen (die Nennspannung beträgt bis zu 600 V) und große Ströme (der Nennstrom beträgt bis zu 600 A), und die elektromagnetische Strahlung ist relativ stark. Dadurch wird der Durchmesser der Kabel deutlich vergrößert. Um starke elektromagnetische Störungen zu vermeiden, die durch elektromagnetische Strahlung auf umgebende elektronische Geräte verursacht werden und den normalen Betrieb anderer elektronischer Geräte beeinträchtigen, sind die Kabel ebenfalls mit einer Abschirmstruktur gegen elektromagnetische Störungen ausgestattet, d. h., es wird eine koaxiale Struktur verwendet. Durch die kombinierte Wirkung des Innenleiters und des Außenleiters (Abschirmung) verteilt sich das Magnetfeld im Kabel in konzentrischen Kreisen, und das elektrische Feld zeigt vom Innenleiter zum Außenleiter und endet dort, wodurch das elektromagnetische Feld außerhalb des Kabels Null wird, d. h. die elektromagnetische Strahlung abgeschirmt wird, wodurch der normale Betrieb von Elektrofahrzeugen gewährleistet wird.

In der Anfangszeit war PVC (Polyvinylchlorid) das Hauptisoliermaterial für Automobilkabel. PVC enthält jedoch Blei, das für die menschliche Gesundheit schädlich ist. In den letzten Jahren wurde es schrittweise durch Materialien wie LSZH (raucharme und halogenfreie Materialien), TPE (thermoplastisches Elastomer), XLPE (vernetztes Polyethylen) und Silikonkautschuk ersetzt. Da die Hochspannungskabel für elektrische Personenkraftwagen die Anforderungen an Hochspannung, hohe Ströme, antielektromagnetische Störungen sowie Verschleißfestigkeit und Flammschutz erfüllen müssen, wurde die Leistung dieser Materialien wie folgt verglichen:

a. LSZH kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: PO (Polyolefin) und EPR (Ethylen-Propylen-Kautschuk). Unter diesen sind Kabelmaterialien auf PO-Basis weit verbreitet. Die Formulierung flammhemmender LSZH-Kabelmaterialien auf PO-Basis enthält eine große Menge an anorganischen Flammschutzmitteln AI (OH) 3 und Mg (OH) 2, die den Kabelmaterialien eine gute Flammhemmung, geringe Rauchentwicklung, Halogenfreiheit und geringe Toxizität verleihen. Gleichzeitig unterscheiden sie sich jedoch auch von anderen nicht flammhemmenden Materialien und halogenhaltigen flammhemmenden Materialien in Bezug auf physikalische und mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften und Eigenschaften des Extrusionsprozesses.
b. TPE ist ein Polymermaterial mit Gummi- und thermoplastischen Kunststoffeigenschaften. Es weist bei Raumtemperatur eine hohe Gummielastizität auf und kann bei hohen Temperaturen plastifiziert und geformt werden. Dieses Material ist jedoch nicht verschleißfest und kann die Nutzungsanforderungen von Hochspannungskabelbäumen für elektrische Personenkraftwagen nicht erfüllen.
c. XLPE wird durch Bestrahlung und Vernetzung gewöhnlicher PE-Materialien (Polyethylen) mit einer Temperaturbeständigkeit von 75 °C gewonnen. Die Temperaturbeständigkeit kann bis zu 150 °C erreichen, und es weist hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften, Überlastfestigkeit und lange Lebensdauer auf, ist jedoch nicht flammhemmend.
d. Silikonkautschuk hat eine hohe Durchschlagsspannung und ist daher lichtbogenbeständig, kriechstromfest und ozonbeständig. Es hat auch eine gute Hoch- und Niedertemperaturbeständigkeit, hält Temperaturen von bis zu 200 °C stand, hat eine gute Isolationsleistung, ist bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit stabil und flammhemmend. Nach dem Vergleich der Leistung der oben genannten Materialien ist Silikonkautschuk aufgrund seiner guten physikalischen und mechanischen Eigenschaften, seiner langen Lebensdauer und seines niedrigen Preises zur ersten Wahl für das Isoliermaterial von Hochspannungskabeln für elektrische Personenkraftwagen geworden. Die Struktur des endgültig entworfenen Hochspannungskabels für elektrische Personenkraftwagen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 Aufbau des Hochspannungskabels für elektrische Personenkraftwagen

Design von Hochspannungssteckverbindern

Normalerweise unterliegen Steckverbinder (hauptsächlich in Bezug auf die darin enthaltenen Kontakte) einer Betriebstemperatur. Sobald die Betriebstemperatur den angegebenen Grenzwert überschreitet, verringern die Steckverbinder aufgrund der Wärmeentwicklung ihre Sicherheit und können sogar ausfallen oder beschädigt werden. Es gibt hauptsächlich zwei Gründe für den Anstieg der Gebrauchstemperatur von Steckverbindern:

a. Das Auto selbst. Der Bereich mit der höchsten Temperatur in einem Auto befindet sich rund um den Motor. Beispielsweise kann in der Umgebung des Motors eines herkömmlichen Automobils eine Temperatur von über 125 °C herrschen.
b. Der Stecker selbst. Der Stecker erzeugt während des Gebrauchs Wärme. Zwischen den Steckkontakten im Stecker besteht ein Kontaktwiderstand. Je größer der Kontaktwiderstand ist, desto größer ist der Leistungsverlust, desto höher ist die Temperatur der Kontakte und desto geringer ist die Zuverlässigkeit. In diesem Zusammenhang sollte bei der Entwicklung von Hochspannungs- und Hochstromsteckverbindern für elektrische Personenkraftwagen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Um eine Beschädigung der isolierenden Materialien in den Steckverbindern durch zu hohe Betriebstemperatur zu vermeiden, ihre Isolationsleistung zu verringern oder sogar zu einem Durchbrennen und Ausfall zu führen sowie zu verhindern, dass die Kontakte nach Erwärmung oder Bildung eines isolierenden Films im Kontaktbereich an Elastizität verlieren, wodurch die Kontaktzuverlässigkeit verringert, der Kontaktwiderstand erhöht und der Anstieg der Betriebstemperatur weiter verschärft wird, was schließlich in einem Teufelskreis zum Ausfall der Verbindungskontakte führt, ist es notwendig, den Hochstrom angemessen auszulegen Kontakte in den Hochspannungs- und Hochstromsteckern für elektrische Personenkraftwagen.

Bei der Entwicklung von Hochstromkontakten bestimmt die Wahl des Kontaktformulars direkt die Qualität und die Kosten des Steckverbinders. Normalerweise umfassen die Kontaktformen von Kontakten hauptsächlich drei Typen: Plattentyp, Blattfedertyp und Drahtfedertyp, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 Strukturen der drei Kontakttypen

Die Buchse des Plattenkontakts ist ein zylindrischer Zylinder mit Schlitzen und einer verengten Öffnung. Die Buchse wird mit Berylliumbronzedraht (Stab) bearbeitet. Der Rohstoffpreis ist relativ hoch und der anschließende Verengungsprozess ist schwer zu kontrollieren. Es ist schwierig, die Konsistenz der Produktqualität sicherzustellen, und die Kosten sind hoch.
Die Buchse des Blattfederkontakts ist ein Kronenfederloch. Eine oder zwei Blattfederwindungen befinden sich in der Buchse. Jede Blattfederwindung besteht aus mehreren Federblättern, und alle Federblätter wölben sich nach innen, um eine elastische Federspirale zu bilden. Wenn Buchse und Stift zusammengefügt sind, berührt jedes Federblatt den Stift und erzeugt eine Druckkraft, um einen stabilen Mehrpunktkontakt zu gewährleisten. Die Buchse mit Blattfeder besteht aus einem Drehteil aus Messing und einem Stanzteil mit Kronenfeder, was eine gute Produktkonstanz und niedrige Kosten bietet. Die patentierte RADSOK-Buchsenkonstruktion (siehe Abbildung 3) der Amphenol Corporation verwendet die hyperbolische Kronenfedertechnologie, mit der die Kontaktfläche um 65% vergrößert werden kann. Ihre Oberfläche ist mit einer hochverschleißfesten versilberten Schicht versehen.

Abbildung 3 Struktur des RADSOK-Sockels der Amphenol Corporation

Die Buchse des Drahtfederkontakts ist ein Drahtfederloch. Die Struktur der Drahtfederbohrung ähnelt der der Blattfederbuchse, mit der Ausnahme, dass die Drahtfederbuchse aus Federdrähten besteht. Die Drahtfederbuchse weist zwar eine hervorragende Leistung auf, ihr Verfahren ist jedoch komplex und die Kosten sind ebenfalls hoch.
Nach dem Vergleich der Kontakte der oben genannten verschiedenen Kontaktformen verwenden die Hochspannungs- und Hochstromsteckverbinder für elektrische Personenkraftwagen den Hochstrom-Blattfederkontakt. Um die Kontaktzuverlässigkeit und die Strombelastbarkeit zu verbessern und andere Indexanforderungen von Hochstromkontakten zu erfüllen, verwendet der Hochstrom-Blattfederkontakt unterdessen eine zweistufige Blattfederbuchse mit Doppelzapfen. Schließlich wurde durch die Berechnung des Kontaktwiderstands des Hochstromkontakts, das Design der Struktur und die Designkorrektur der Probe der Hochstromkontakt erfolgreich entworfen.

Design der Hochspannungswiderstandsleistung

Um die Konstruktionsanforderungen von Hochspannungssteckverbindern für elektrische Personenkraftwagen zu erfüllen, muss durch konstruktives Design und Materialauswahl sichergestellt werden, dass jedes Teil des Hochspannungssteckverbinders über eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit verfügt, um die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Spannungen zu gewährleisten. Die Konstruktion der Hochspannungsfestigkeit von Hochspannungssteckverbindern für elektrische Personenkraftwagen umfasst hauptsächlich Aspekte wie den Kriechabstand, den Luftspalt an der Schnittstelle und die isolierenden Materialien.
Der Kriechabstand bezieht sich auf Situationen, in denen bei zu hoher Betriebsspannung der Strom aufgrund der augenblicklichen Überspannung einen Lichtbogen entlang des Zwischenraums zwischen den Isolierungen auslöst, wodurch die Geräte oder sogar das Bedienpersonal beschädigt werden. Dieser Isolationsabstand ist der Kriechabstand, und die Betriebsspannung, bei der der Lichtbogen anhält, bestimmt den Kriechabstand. Bei der Konstruktion des Hochspannungssteckers sollte der Kriechabstand so weit wie möglich erhöht werden. Da die dielektrische Spannungsfestigkeit des Steckverbinders über 400 V liegt, ist nach sorgfältiger Berechnung und Überprüfung der Kriechabstand des Steckverbinders so ausgelegt, dass er über 24 mm liegt, wodurch die Nutzungsanforderungen des Hochspannungssteckers bei 600 V voll erfüllt werden können.
Um den Hochspannungswiderstand des Steckverbinders zu verbessern, sollte die Schnittstelle eng und ohne Luftspalte angebracht werden. Die Schnittstelle des Steckverbinders umfasst hauptsächlich die Gegenschnittstelle des Steckverbinders, den Buchsenstecker und die Verbindungsteile zwischen den Steckerkontakten und den Drähten. Diese Teile müssen mit einem Medium ohne Luft gefüllt werden, um zuverlässig sicherzustellen, dass der Stecker nicht kaputt geht. Um das Vorhandensein von Grenzflächenluftspalten zu vermeiden, wurden bei der Konstruktion von Hochspannungssteckverbindern die folgenden Maßnahmen ergriffen:

a. An der Steckschnittstelle werden weiche, isolierende Materialien verwendet, um sicherzustellen, dass die Luftspalte gefüllt werden, während die Steckverbindung angebracht ist.
b. Die Isolierung außerhalb des Buchsenkontakts ist in Form eines Formteils ausgeführt, um die Lücken außerhalb des Kontakts auszufüllen.
c. Die Kontaktflächen von Stecker und Buchse haben eine konische Struktur.
d. Nach dem Anschließen des Kontakts an das Kabel reicht ein Teil der Kabelisolierung bis in die Isolierung des Steckergehäuses hinein.

Um die Widerstandsfähigkeit des Steckverbinders bei hohen Spannungen zu verbessern, wird für den Hochspannungsstecker des elektrischen Personenkraftwagens ein PPA-Kunststoff (Polyphthalamid) mit guter Isolationsleistung, hoher Durchschlagspannung, hoher Isolationsfestigkeit, guter Stabilität bei hohen Temperaturen und hohem Druck, Lichtbogenbeständigkeit, Kriechstromfestigkeit und niedriger Hygroskopizität ausgewählt.

Allgemeiner Tragwerksentwurf

Die Struktur des endgültig entwickelten Hochspannungssteckers für elektrische Personenkraftwagen ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Struktur des Hochspannungssteckverbinders von innen nach außen besteht nacheinander aus dem Innenleiter, der Isolationsschicht, der Abschirmschicht und der Außenhülle.

Abbildung 4 Aufbau des Hochspannungssteckers für elektrische Personenkraftwagen

Gesamtdesign von Hochspannungskabelbäumen

1 Entwurf der Abschirmleistung

Um sicherzustellen, dass die entwickelten Hochspannungs-Kabelbäume nicht nur die grundlegenden Anforderungen an eine zuverlässige elektrische Verbindung erfüllen, sondern auch eine hervorragende elektromagnetische Abschirmleistung aufweisen, wurde die Abschirmleistung der Hochspannungskabelbäume entworfen. Das Design der Abschirmleistung von Hochspannungskabelbäumen umfasst hauptsächlich das Design der Abschirmleistung der Hochspannungskabel selbst, das Design der Abschirmleistung an der Verbindungsstelle zwischen Hochspannungskabeln und Hochspannungssteckverbindern, das Design der Abschirmleistung der Hochspannungssteckverbinder selbst und das Design der Abschirmleistung an der Steckschnittstelle von Hochspannungssteckverbindern. Um die Abschirmleistung der Hochspannungskabel selbst zu verbessern, verwenden Hochspannungskabel eine Abschirmstruktur. Dies sollte stärker beachtet werden, wenn das Kabel aus einer Kombination von Signalleitungen und Stromleitungen besteht. Um die Abschirmleistung an der Verbindungsstelle zwischen Hochspannungskabeln und Hochspannungssteckverbindern zu verbessern, kontaktiert das Kabelgeflecht die Abschirmschicht, und an der Verbindungsstelle zwischen dem Kabelgeflecht und dem Steckverbinder wird zur Verstärkung ein separates abschirmendes Metallgeflecht hinzugefügt, wobei die Voraussetzung dafür besteht, dass die Zuverlässigkeit des Kontakts zwischen den beiden gewährleistet ist, insbesondere um sicherzustellen, dass sich die Verbindung unter starken Vibrationsbedingungen nicht löst, nachdem die Innenleiter des Hochspannungskabels und des Hochspannungssteckers angeschlossen sind die abschirmende Wirkung. Um die Abschirmleistung der Hochspannungssteckverbinder selbst zu verbessern, weisen die Steckverbinder ein Metallgehäuse auf. Um die Abschirmleistung an der Steckschnittstelle von Hochspannungssteckverbindern zu verbessern, wurde bei der Konstruktion eine Abschirmfederstruktur verwendet, um einen zuverlässigen Kontakt zwischen Stecker- und Buchsengehäusen zu gewährleisten. Der Innenleiter am Kopf des Steckverbinders ist niedriger als die Schnittstelle zur Außenhülle, um zu verhindern, dass der Innenleiter Finger oder andere Metalle berührt. Dies spielt eine gewisse Schutzfunktion und erhöht die Sicherheit. Nach dem Zusammenstecken befinden sich die Abschirmschichten von Buchse und Steckverbinder in zuverlässigem Kontakt, wodurch die Gegenfläche nach außen hin abgeschirmt ist.

2 Mechanischer Schutz sowie staub- und wasserdichtes Design

Da der Durchmesser des Hochspannungskabels für elektrische Personenkraftwagen relativ groß ist und eine spezielle Verkabelung erforderlich ist, das heißt, der Hochspannungskabelbaum für elektrische Personenkraftwagen wird außerhalb des Fahrzeugs verlegt, ist es notwendig, den Hochspannungskabelbaum für elektrische Personenkraftwagen mechanisch zu schützen und staub- und wasserdicht zu gestalten. Um den mechanischen Schutz und die Staub- und Wasserdichtigkeit des Hochspannungskabelbaums zu verbessern, werden Schutzmaßnahmen wie Dichtringe zwischen den Steckverbindern und an den Stellen, an denen die Stecker mit den Kabeln verbunden sind, getroffen, um das Eindringen von Wasserdampf und Staub zu verhindern. Dadurch wird eine abgedichtete Umgebung der Steckverbinder gewährleistet, das Risiko von Kurzschlüssen zwischen den Kontakten vermieden und das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert, um Sicherheitsprobleme wie Funkenbildung zu vermeiden.

3 Gestaltung der Lebensdauer

Elektrische Personenkraftwagen bewegen sich auf der Straße und werden durch Faktoren wie unebene Straßenoberflächen und Fahrzeuggeschwindigkeiten beeinflusst. Dies führt zu starken Vibrationen, die zu Reibung und Verschleiß zwischen dem Hochspannungskabelbaum und den kontaktierten Teilen und anderen Kabelbäumen sowie zum Ermüdungsverschleiß des Hochspannungskabelbaums selbst führen. Um die Lebensdauer und Qualität des Hochspannungskabelbaums zu verbessern, sollte die Verbindung zwischen dem Hochspannungskabel und dem Hochspannungsstecker verstärkt werden, für die Verbindung zwischen Hochspannungssteckern sollte eine Verriegelungsstruktur verwendet werden, das Verkabelungsschema sollte optimiert werden, für den Hochspannungskabelbaum sollten verschleißfeste Materialien ausgewählt werden und für die Leiter sollten ermüdungsbeständige Kupferlitzen verwendet werden. Darüber hinaus ist die Verbindungsverbindung zwischen Hochspannungssteckern eine Schwachstelle des Hochspannungskabelbaums selbst. Um die Lebensdauer des Hochspannungskabelbaums zu verlängern und gleichzeitig den Nutzungsanforderungen des elektrischen Hochspannungsnetzes gerecht zu werden, müssen die Ein- und Ausziehzeiten sowie die Verbindungsqualität der Hochspannungssteckverbinder gewährleistet werden.

4 Allgemeiner Tragwerksentwurf

Die Struktur des endgültig entworfenen Hochspannungskabelbaums für elektrische Personenkraftwagen ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Aufbau des Hochspannungskabelbaums für elektrische Personenkraftwagen

In diesem Artikel werden kurz die Funktionen und Anwendungen von Hochspannungskabelbäumen für elektrische Personenkraftwagen sowie die Forschungs- und Entwicklungssituationen im In- und Ausland vorgestellt. Ausgehend von den Nutzungsmerkmalen, Anforderungen und Umgebungsbedingungen elektrischer Personenkraftwagen werden die Leistungsanforderungen und die wichtigsten Konstruktionsmerkmale (Hochspannungsfestigkeit, hohe Strombeständigkeit, Umweltbeständigkeit, Abschirmleistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit usw.) von Hochspannungskabelbäumen für elektrische Personenkraftwagen analysiert. Außerdem wird das Hauptdesign von Kabeln, die wichtigsten Konstruktionsschemata von Steckverbindern bzw. ihren Kontakten sowie das Gesamtschema des Kabelbaums beschrieben. Schließlich wird die Testsituation der entwickelten Proben vorgestellt. Aus den Nutzungsanforderungen und Testergebnissen kann geschlossen werden, dass der entwickelte Hochspannungskabelbaum die Nutzungsanforderungen von elektrischen Personenkraftwagen erfüllt. Mit der Entwicklung der Elektrofahrzeugindustrie werden sich Hochspannungskabelbäume sicherlich weiterentwickeln, höheren Spannungen und größeren Strömen standhalten können und in verschiedenen Fahrzeugmodellen eingesetzt werden. In der Zwischenzeit werden sie auch in Bezug auf die Funktionen perfekter sein, beispielsweise weil sie testbar sind, d. h. Änderungen des Stroms, der Temperatur usw. des Kabelbaums in Echtzeit überwachen können.