Diseño y desarrollo de arneses de cableado de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros

Diseño de cables de alta tensión

Los motores de gasolina impulsan los automóviles tradicionales. La función de los cables en los automóviles tradicionales es transmitir señales de control, ya que la corriente y la tensión que soportan son muy pequeñas. Por lo tanto, el diámetro del cable es pequeño y la estructura es simplemente un conductor con aislamiento agregado, lo cual es bastante simple. Sin embargo, de acuerdo con los requisitos de uso de los cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros, los cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros desempeñan principalmente la función de transmitir energía y necesitan comunicar la energía de la batería a varios subsistemas. Por lo tanto, los arneses de cableado de alta tensión diseñados para vehículos eléctricos de pasajeros deben cumplir con los requisitos de transmisión de alta tensión y alta corriente. Los cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros soportan tensiones relativamente altas (la tensión nominal es de hasta 600 V) y grandes corrientes (la corriente nominal es de hasta 600 A), y la radiación electromagnética es relativamente fuerte. Como resultado, el diámetro de los cables aumenta significativamente. Mientras tanto, para evitar la fuerte interferencia electromagnética causada por la radiación electromagnética en los equipos electrónicos circundantes y afectar el funcionamiento normal de otros equipos electrónicos, los cables también están diseñados con una estructura de blindaje antiinterferencia electromagnética, es decir, se adopta una estructura coaxial. Utilizando la acción combinada del conductor interno y el conductor externo (blindaje), el campo magnético dentro del cable se distribuye en círculos concéntricos, y el campo eléctrico apunta desde el conductor interno y termina en el conductor externo, haciendo que el campo electromagnético fuera del cable sea cero, es decir, blindando la radiación electromagnética, asegurando así el funcionamiento normal de los vehículos eléctricos.

En los primeros días, el principal material aislante para los cables de los automóviles era el PVC (cloruro de polivinilo). Sin embargo, el PVC contiene plomo, que es perjudicial para la salud humana. En los últimos años, ha sido reemplazado gradualmente por materiales como el LSZH (materiales con bajo contenido de humo y libres de halógenos), el TPE (elastómero termoplástico), el XLPE (polietileno reticulado) y el caucho de silicona. Dado que los cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros deben cumplir los requisitos de alta tensión, gran corriente, interferencias antielectromagnéticas, así como resistencia al desgaste y resistencia al fuego, el rendimiento de estos materiales se ha comparado de la siguiente manera:

a. El LSZH se puede dividir en dos categorías principales: PO (poliolefina) y EPR (caucho de etileno-propileno). Entre ellos, los materiales de cable a base de PO son los más utilizados. La formulación de los materiales ignífugos LSZH a base de PO contiene una gran cantidad de retardantes de llama inorgánicos AI (OH) 3 y Mg (OH) 2, que dotan a los materiales de los cables de buenas características de resistencia al fuego, baja emisión de humo, ausencia de halógenos y baja toxicidad. Sin embargo, al mismo tiempo, también los diferencia de otros materiales no ignífugos y materiales ignífugos que contienen halógenos en términos de propiedades físicas y mecánicas, propiedades eléctricas y propiedades del proceso de extrusión.
b. El TPE es un material polimérico con características de caucho y plástico termoplástico. Presenta una alta elasticidad del caucho a temperatura ambiente y puede plastificarse y moldearse a altas temperaturas. Sin embargo, este material no es resistente al desgaste y no puede cumplir con los requisitos de uso de los arneses de cableado de alto voltaje para vehículos eléctricos de pasajeros.
c. El XLPE se obtiene irradiando y reticulando materiales de PE (polietileno) ordinarios con un grado de resistencia a la temperatura de 75 °C. Su grado de resistencia a la temperatura puede alcanzar los 150 °C y tiene excelentes propiedades físicas y mecánicas, resistencia a la sobrecarga y características de larga vida útil, pero no es ignífugo.
d. El caucho de silicona tiene un alto voltaje de ruptura, por lo que tiene resistencia al arco, resistencia al rastreo y resistencia al ozono. También tiene una buena resistencia a altas y bajas temperaturas, puede soportar temperaturas de hasta 200° C, tiene un buen rendimiento de aislamiento, es estable en condiciones de alta temperatura y alta humedad, y es ignífugo. Después de comparar el rendimiento de los materiales anteriores, el caucho de silicona se ha convertido en la primera opción como material aislante de los cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros debido a sus buenas propiedades físicas y mecánicas, su larga vida útil y su bajo precio. La estructura del cable de alta tensión diseñado finalmente para vehículos eléctricos de pasajeros se muestra en la figura 1.

Figura 1 Estructura del cable de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros

Diseño de conectores de alta tensión

Por lo general, los conectores (que se refieren principalmente a los contactos que contienen) tienen limitaciones de temperatura de uso. Una vez que la temperatura de uso supere el límite especificado, los conectores reducirán su seguridad debido a la generación de calor e incluso pueden fallar o dañarse. El aumento de la temperatura de uso de los conectores se debe principalmente a dos razones:

a. El propio automóvil. El área con la temperatura más alta en un automóvil es alrededor del motor. Por ejemplo, la temperatura alrededor del motor de un automóvil tradicional puede superar los 125 °C.
b. El conector en sí. El conector generará calor durante su uso. Existe una resistencia de contacto entre los contactos acoplados del conector. Cuanto mayor sea la resistencia de contacto, mayor será la pérdida de potencia, mayor será la temperatura de los contactos y menor será la confiabilidad. En este sentido, se debe prestar especial atención al diseñar conectores de alta tensión y alta corriente para vehículos eléctricos de pasajeros. Para evitar dañar los materiales aislantes de los conectores debido a una temperatura de uso excesiva, reducir su rendimiento de aislamiento o incluso provocar que se quemen y fallen, así como para evitar que los contactos experimenten una disminución de la elasticidad después de calentarse o formar una película aislante en el área de contacto, reducir la confiabilidad de los contactos, aumentar la resistencia de contacto y exacerbar aún más el aumento de la temperatura de uso, lo que eventualmente provocará fallas en los contactos de conexión en un círculo vicioso, es necesario diseñar razonablemente la alta corriente contactos en los conectores de alta tensión y alta corriente para vehículos eléctricos de pasajeros.

Al diseñar contactos de alta corriente, la elección del formulario de contacto determinará directamente la calidad y el costo del conector. Por lo general, las formas de contacto de los contactos incluyen principalmente tres tipos: tipo placa, tipo ballesta y tipo resorte de alambre, como se muestra en la figura 2.

Figura 2 Estructuras de los tres tipos de contactos

El casquillo del contacto tipo placa es un cilindro cilíndrico con ranuras y una abertura estrecha. El casquillo se procesa con alambre de bronce de berilio (varilla). El precio de la materia prima es relativamente alto y el posterior proceso de constricción es difícil de controlar. Es difícil garantizar la consistencia de la calidad del producto y el costo es alto.
La cavidad del contacto tipo ballesta es un orificio para resorte en forma de corona. En el casquillo se colocan una o dos hélices de ballesta. Cada resorte helicoidal está compuesto por múltiples hojas elásticas, y todas las hojas de resorte se arquean hacia adentro para formar un resorte helicoidal elástico. Cuando el casquillo y el pasador se acoplan, cada hoja elástica entra en contacto con el pasador y genera una fuerza de compresión para garantizar un contacto multipunto estable. El casquillo tipo ballesta está compuesto por una pieza giratoria de latón y una pieza estampada con resorte en forma de corona, lo que garantiza una buena consistencia del producto y un bajo coste. La estructura de casquillo patentada RADSOK (como se muestra en la figura 3) de Amphenol Corporation adopta la tecnología de resorte en forma de corona hiperbólico, que puede aumentar el área de contacto en un 65%. Su superficie tiene una capa plateada muy resistente al desgaste.

Figura 3 Estructura del zócalo RADSOK de Amphenol Corporation

El casquillo del contacto de tipo resorte de alambre es un orificio de resorte de alambre. La estructura del orificio de resorte de alambre es similar a la del casquillo tipo ballesta, excepto que el casquillo tipo resorte está compuesto de alambres de resorte. Aunque el enchufe tipo resorte tiene un rendimiento excelente, su proceso es complejo y el costo también es elevado.
Después de comparar los contactos de las diversas formas de contacto anteriores, los conectores de alta tensión y alta corriente para vehículos eléctricos de pasajeros adoptan el contacto tipo ballesta de alta corriente. Mientras tanto, para mejorar la fiabilidad de los contactos y la capacidad de transporte de corriente y cumplir con otros requisitos de índice de los contactos de alta corriente, el contacto tipo ballesta de alta corriente adopta un casquillo tipo ballesta de dos etapas con lengüetas dobles. Por último, mediante el cálculo de la resistencia de contacto del contacto de alta corriente, el diseño de la estructura y la corrección del diseño de la muestra, el contacto de alta corriente se ha diseñado satisfactoriamente.

Diseño del rendimiento de resistencia de alto voltaje

Para cumplir con los requisitos de diseño de los conectores de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros, es necesario garantizar que cada parte del conector de alta tensión tenga una rigidez dieléctrica suficiente mediante el diseño estructural y la selección de materiales para garantizar su rendimiento de resistencia a alta tensión. El diseño del rendimiento de resistencia de alta tensión de los conectores de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros incluye principalmente aspectos como la distancia de fuga, el espacio de aire de la interfaz y los materiales aislantes.
La distancia de fuga se refiere a la situación en la que, cuando la tensión de trabajo es demasiado alta, la sobretensión instantánea hace que la corriente libere un arco a lo largo del espacio entre los aislamientos, lo que daña los dispositivos o incluso a los operadores. Este espacio de aislamiento es la distancia de fuga, y la tensión de trabajo a la que dura el arco determina la distancia de fuga. Al diseñar la estructura del conector de alta tensión, la distancia de fuga debe aumentarse tanto como sea posible. Teniendo en cuenta que la tensión de resistencia dieléctrica del conector es superior a 400 V, tras un cálculo y una verificación cuidadosos, la distancia de fuga del conector está diseñada para ser superior a 24 mm, lo que puede cumplir plenamente con los requisitos de uso del conector de alta tensión
a 600 V. Para mejorar el rendimiento de resistencia de alta tensión del conector, cuando el conector está acoplado, su interfaz debe estar perfectamente ajustada sin espacios de aire. La interfaz del conector incluye principalmente la interfaz de acoplamiento del conector de enchufe, el conector del enchufe y las piezas de conexión entre los contactos del conector y los cables. Estas piezas deben llenarse con un medio sin aire para garantizar de manera confiable que el conector no se rompa. Para eliminar la existencia de huecos de aire en la interfaz, se han tomado las siguientes medidas en el diseño de los conectores de alta tensión:

a. Se utilizan materiales aislantes blandos en la interfaz de acoplamiento para garantizar que los huecos de aire se llenen mientras la conexión está en su lugar.
b. El aislamiento exterior del contacto del enchufe tiene forma de moldura para rellenar los huecos que quedan fuera del contacto.
c. Las superficies de contacto del enchufe y la toma adoptan una estructura cónica.
d. Una vez conectado el contacto al cable, parte del aislamiento del cable se extiende hasta el aislamiento de la carcasa del conector.

Para mejorar el rendimiento de resistencia de alto voltaje del conector, se selecciona plástico PPA (poliftalamida) con buen rendimiento de aislamiento, alto voltaje de ruptura, alta resistencia de aislamiento, buena estabilidad a altas temperaturas y alta presión, resistencia al arco, resistencia al rastreo y baja higroscopicidad para el conector de alto voltaje del vehículo eléctrico de pasajeros.

Diseño estructural general

La estructura del conector de alta tensión diseñado finalmente para vehículos eléctricos de pasajeros se muestra en la figura 4. La estructura del conector de alta tensión desde el interior hacia el exterior es el conductor interno, la capa de aislamiento, la capa de blindaje y la carcasa exterior en secuencia.

Figura 4 Estructura del conector de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros

Diseño general de arneses de cableado de alta tensión

1 Diseño del rendimiento de blindaje

Para que los arneses de cableado de alto voltaje diseñados tengan un excelente rendimiento de blindaje electromagnético, además de cumplir con los requisitos básicos de una conexión eléctrica confiable, se ha llevado a cabo el diseño de rendimiento de blindaje de los arneses de cableado de alto voltaje. El diseño de rendimiento de blindaje de los arneses de cableado de alta tensión incluye principalmente el diseño de rendimiento de blindaje de los propios cables de alta tensión, el diseño de rendimiento de blindaje en la unión entre los cables de alta tensión y los conectores de alta tensión, el diseño de rendimiento de blindaje de los propios conectores de alta tensión y el diseño de rendimiento de blindaje en la interfaz de acoplamiento de los conectores de alta tensión. Para mejorar el rendimiento de blindaje de los propios cables de alta tensión, los cables de alta tensión adoptan una estructura de blindaje. Se debe prestar más atención a esto cuando el cable está compuesto por una combinación de líneas de señal y líneas eléctricas. Para mejorar el rendimiento del blindaje en la unión entre los cables de alta tensión y los conectores de alta tensión, con la premisa de garantizar la confiabilidad del contacto entre los dos, especialmente asegurando que la conexión no se afloje en condiciones de fuerte vibración después de conectar los conductores internos del cable de alta tensión y el conector de alta tensión, la trenza del cable entra en contacto con la capa de blindaje y se agrega una trenza metálica de blindaje separada en la unión entre la trenza del cable y el conector para fortalecer el efecto de blindaje. Para mejorar el rendimiento de blindaje de los propios conectores de alta tensión, los conectores adoptan un diseño de carcasa metálica. Para mejorar el rendimiento de blindaje en la interfaz de acoplamiento de los conectores de alta tensión, en el diseño se ha adoptado una estructura de muelles de blindaje para garantizar un contacto fiable entre las carcasas del enchufe y del enchufe. El conductor interno de la cabeza del conector es más bajo que la interfaz de la carcasa exterior para evitar que el conductor interno entre en contacto con los dedos u otros metales, lo que desempeña una función protectora y aumenta la seguridad. Tras el acoplamiento, las capas de blindaje del conector del enchufe y del conector del enchufe establecen un contacto fiable, lo que hace que la superficie de contacto quede protegida desde el exterior.

2 Protección mecánica y diseño resistente al polvo y al agua

Dado que el diámetro del cable de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros es relativamente grande y requiere una ruta de cableado especial, es decir, el arnés de cableado de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros está colocado fuera del vehículo, es necesario llevar a cabo un diseño de protección mecánica y resistente al polvo y al agua para el arnés de cableado de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros. Para mejorar la protección mecánica y el rendimiento a prueba de polvo e impermeable del arnés de cableado de alta tensión, se adoptan medidas de protección como anillos de sellado entre los conectores enchufados y en las posiciones en las que los conectores están conectados a los cables para evitar la entrada de vapor de agua y polvo, garantizando así el entorno sellado de los conectores, evitando el riesgo de cortocircuitos entre los contactos y evitando la entrada de humedad para evitar problemas de seguridad como la generación de chispas.

3 Diseño de la vida útil

Los vehículos eléctricos de pasajeros circulan por la carretera y se ven afectados por factores como las superficies irregulares de la carretera y la velocidad del vehículo, lo que provoca altas vibraciones, lo que provoca fricción y desgaste entre el mazo de cables de alta tensión y las piezas en contacto y otros arneses de cableado, así como el desgaste por fatiga del propio mazo de cables de alta tensión. Para mejorar la vida útil y la calidad del arnés de cableado de alto voltaje, se debe reforzar la conexión entre el cable de alto voltaje y el conector de alto voltaje, se debe adoptar una estructura de bloqueo para la conexión entre los conectores de alto voltaje, se debe optimizar el esquema de cableado, se deben seleccionar materiales resistentes al desgaste para el arnés de cableado de alto voltaje y se deben usar cables trenzados de cobre antifatiga para los conductores. Además, el enlace de conexión entre los conectores de alta tensión es un punto débil del propio arnés de cableado de alta tensión. Para mejorar la vida útil del mazo de cables de alta tensión y cumplir al mismo tiempo con los requisitos de uso del sistema eléctrico de alta tensión, es necesario garantizar los tiempos de inserción y extracción y la calidad de la conexión de los conectores de alta tensión.

4 Diseño estructural general

La estructura del mazo de cables de alta tensión diseñado finalmente para vehículos eléctricos de pasajeros se muestra en la figura 5.

Figura 5 Estructura del mazo de cables de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros

Este artículo presenta brevemente las funciones y aplicaciones de los arneses de cableado de alta tensión para vehículos eléctricos de pasajeros y las situaciones de investigación y desarrollo en el país y en el extranjero. Partiendo de las características de uso, los requisitos y el entorno de los vehículos eléctricos de pasajeros, analiza los requisitos de rendimiento y los puntos clave del diseño (resistencia a la alta tensión, alta resistencia a la corriente, resistencia ambiental, rendimiento de blindaje, seguridad y confiabilidad, etc.) de los arneses de cableado de alto voltaje para vehículos de pasajeros eléctricos, y detalla el diseño principal de los cables, los principales esquemas de diseño de los conectores y sus contactos, respectivamente, y ofrece el esquema general del arnés de cableado. Finalmente, presenta la situación de prueba de las muestras desarrolladas. A partir de los requisitos de uso y los resultados de las pruebas, se puede concluir que el arnés de cableado de alto voltaje desarrollado puede cumplir con los requisitos de uso de los vehículos eléctricos de pasajeros. Con el desarrollo de la industria de los vehículos eléctricos, los arneses de cableado de alta tensión seguramente seguirán desarrollándose, podrán soportar voltajes más altos y corrientes más grandes, y se utilizarán en varios modelos de vehículos. Por otra parte, en cuanto a las funciones, también serán más perfectas, por ejemplo, al disponer de capacidad de comprobación, es decir, poder monitorizar los cambios en la corriente, la temperatura, etc. del mazo de cables en tiempo real.