Conception et développement de faisceaux de câbles haute tension pour véhicules de tourisme électriques

Conception de câbles haute tension

Les moteurs à essence alimentent les automobiles traditionnelles. Le rôle des câbles dans les automobiles traditionnelles est de transmettre des signaux de commande, le courant et la tension qu'ils supportent étant très faibles. Par conséquent, le diamètre du câble est petit et la structure est simplement un conducteur avec isolation ajoutée, ce qui est assez simple. Cependant, selon les exigences d'utilisation des câbles haute tension pour véhicules électriques de tourisme, les câbles haute tension pour véhicules électriques de tourisme jouent principalement le rôle de transmission d'énergie et doivent communiquer l'énergie de la batterie à divers sous-systèmes. Par conséquent, les faisceaux de câbles haute tension conçus pour les véhicules électriques de tourisme doivent répondre aux exigences de transmission à haute tension et à courant élevé. Les câbles haute tension pour véhicules électriques de tourisme supportent des tensions relativement élevées (la tension nominale peut atteindre 600 V) et des courants importants (le courant nominal peut atteindre 600 A), et le rayonnement électromagnétique est relativement puissant. En conséquence, le diamètre des câbles est considérablement augmenté. Pendant ce temps, pour éviter les fortes interférences électromagnétiques causées par le rayonnement électromagnétique sur les équipements électroniques environnants et affecter le fonctionnement normal des autres équipements électroniques, les câbles sont également conçus avec une structure de blindage anti-interférences électromagnétiques, c'est-à-dire qu'une structure coaxiale est adoptée. Grâce à l'action combinée du conducteur intérieur et du conducteur extérieur (blindage), le champ magnétique à l'intérieur du câble est distribué en cercles concentriques, et le champ électrique pointe du conducteur intérieur vers le conducteur extérieur et se termine au conducteur extérieur, rendant le champ électromagnétique à l'extérieur du câble nul, c'est-à-dire protégeant le rayonnement électromagnétique, garantissant ainsi le fonctionnement normal des véhicules électriques.

Au début, le principal matériau isolant des câbles automobiles était le PVC (polychlorure de vinyle). Cependant, le PVC contient du plomb, qui est nocif pour la santé humaine. Ces dernières années, il a été progressivement remplacé par des matériaux tels que le LSZH (matériaux à faible émission de fumée et sans halogène), le TPE (élastomère thermoplastique), le XLPE (polyéthylène réticulé) et le caoutchouc de silicone. Étant donné que les câbles haute tension pour véhicules électriques de tourisme doivent répondre aux exigences de haute tension, de courant élevé, d'interférences anti-électromagnétiques, ainsi que de résistance à l'usure et d'ignifugation, les performances de ces matériaux ont été comparées comme suit :

a. Le LSZH peut être divisé en deux grandes catégories : PO (polyoléfine) et EPR (caoutchouc éthylène-propylène). Parmi eux, les matériaux de câbles à base de PO sont les plus courants. La formulation des matériaux de câbles ignifuges LSZH à base de PO contient une grande quantité de retardateurs de flamme inorganiques AI (OH) 3 et Mg (OH) 2, qui confèrent aux matériaux des câbles une bonne ignifugation, une faible émission de fumée, une absence d'halogène et une faible toxicité. Cependant, cela les différencie également des autres matériaux non ignifuges et des matériaux ignifuges contenant des halogènes en termes de propriétés physiques et mécaniques, de propriétés électriques et de propriétés du processus d'extrusion.
b. Le TPE est un matériau polymère présentant des caractéristiques de caoutchouc et de plastique thermoplastique. Il présente une élasticité élevée du caoutchouc à température ambiante et peut être plastifié et moulé à haute température. Cependant, ce matériau n'est pas résistant à l'usure et ne peut pas répondre aux exigences d'utilisation des faisceaux de câbles haute tension pour les véhicules électriques de tourisme.
c. Le XLPE est obtenu en irradiant et en réticulant des matériaux PE (polyéthylène) ordinaires avec un grade de résistance à la température de 75 °C. Son degré de résistance à la température peut atteindre 150 °C et il possède d'excellentes propriétés physiques et mécaniques, une résistance aux surcharges et des caractéristiques de longue durée de vie, mais il n'est pas ignifuge.
d. Le caoutchouc de silicone a une tension de claquage élevée, il présente donc une résistance à l'arc, une résistance au suivi et une résistance à l'ozone. Il présente également une bonne résistance aux hautes et basses températures, peut résister à des températures allant jusqu'à 200 °C, présente de bonnes performances d'isolation, est stable dans des conditions de température et d'humidité élevées et est ignifuge. Après avoir comparé les performances des matériaux ci-dessus, le caoutchouc de silicone est devenu le premier choix pour le matériau isolant des câbles haute tension pour véhicules électriques de tourisme en raison de ses bonnes propriétés physiques et mécaniques, de sa longue durée de vie et de son faible prix. La structure du câble haute tension finalement conçu pour les véhicules électriques de tourisme est illustrée à la figure 1.

Figure 1 Structure du câble haute tension pour véhicules électriques de tourisme

Conception de connecteurs haute tension

Habituellement, les connecteurs (principalement en ce qui concerne les contacts qu'ils contiennent) ont des limites de température d'utilisation. Une fois que la température d'utilisation dépasse la limite spécifiée, les connecteurs réduisent leur sécurité en raison de la génération de chaleur et peuvent même tomber en panne ou être endommagés. L'augmentation de la température d'utilisation des connecteurs s'explique principalement par deux raisons :

a. L'automobile elle-même. La zone où la température est la plus élevée dans une automobile se situe autour du moteur. Par exemple, la température autour du moteur d'une automobile traditionnelle peut atteindre plus de 125 °C.
b. Le connecteur lui-même. Le connecteur produira de la chaleur pendant l'utilisation. Il existe une résistance de contact entre les contacts accouplés du connecteur. Plus la résistance de contact est élevée, plus la perte de puissance est importante, plus la température des contacts est élevée et plus la fiabilité est faible. À cet égard, une attention particulière doit être portée lors de la conception de connecteurs haute tension et courant élevé pour les véhicules de tourisme électriques. Pour éviter d'endommager les matériaux isolants des connecteurs en raison d'une température d'utilisation excessive, réduire leurs performances d'isolation, voire provoquer un grillage et une défaillance, ainsi que pour éviter que les contacts ne perdent leur élasticité après avoir été chauffés ou avoir formé un film isolant dans la zone de contact, réduisant ainsi la fiabilité des contacts, augmentant la résistance de contact et exacerbant encore l'augmentation de la température d'utilisation, ce qui finira par entraîner une défaillance du contact de connexion dans un cercle vicieux, il est nécessaire de concevoir de manière raisonnable le courant élevé contacts dans les connecteurs haute tension et haute intensité pour véhicules de tourisme électriques.

Lors de la conception de contacts à courant élevé, le choix de la forme de contact déterminera directement la qualité et le coût du connecteur. Habituellement, les formes de contact des contacts comprennent principalement trois types : le type à plaque, le type à ressort à lames et le type à ressort métallique, comme le montre la figure 2.

Figure 2 Structures des trois types de contacts

La douille du contact de type plaque est un cylindre avec des fentes et une ouverture resserrée. La douille est traitée à l'aide d'un fil (tige) en bronze au béryllium. Le prix de la matière première est relativement élevé et le processus de restriction qui s'ensuit est difficile à contrôler. Il est difficile de garantir la cohérence de la qualité des produits et le coût est élevé.
La douille du contact à ressort à lames est un trou pour ressort couronné. Une ou deux bobines de ressort à lames sont placées dans la douille. Chaque ressort à lames est composé de plusieurs lames de ressort, et toutes les lames de ressort se cambrent vers l'intérieur pour former une bobine de ressort élastique. Lorsque la douille et la broche sont accouplées, chaque lame de ressort entre en contact avec la broche et génère une force de compression pour assurer un contact multipoint stable. La douille de type ressort à lames est composée d'une partie tournante en laiton et d'une partie estampée à ressort couronné, avec une bonne consistance du produit et un faible coût. La structure à douille RADSOK brevetée (comme le montre la figure 3) d'Amphenol Corporation adopte la technologie de ressort couronné hyperbolique, qui peut augmenter la surface de contact de 65 %. Sa surface est recouverte d'une couche argentée très résistante à l'usure.

Figure 3 Structure du socket RADSOK d'Amphenol Corporation

La douille du contact à ressort métallique est un trou pour ressort métallique. La structure du trou à ressort métallique est similaire à celle de la douille à ressort à lames, sauf que la douille à ressort métallique est composée de fils à ressort. Bien que la douille à ressort métallique présente d'excellentes performances, son procédé est complexe et son coût est également élevé.
Après avoir comparé les contacts des différentes formes de contact ci-dessus, les connecteurs haute tension et courant élevé pour véhicules électriques de tourisme adoptent le contact de type ressort à lames à courant élevé. Dans le même temps, pour améliorer la fiabilité des contacts et la capacité de transport de courant et répondre à d'autres exigences d'indice des contacts à courant élevé, le contact à ressort à lames à courant élevé adopte une douille à ressort à lames à deux étages avec des lames doubles. Enfin, grâce au calcul de la résistance de contact du contact à courant élevé, à la conception de la structure et à la correction de conception de l'échantillon, le contact à courant élevé a été conçu avec succès.

Conception des performances de résistance à haute tension

Afin de répondre aux exigences de conception des connecteurs haute tension pour véhicules particuliers électriques, il est nécessaire de s'assurer que chaque partie du connecteur haute tension présente une rigidité diélectrique suffisante grâce à une conception structurelle et à une sélection de matériaux garantissant ses performances de résistance aux hautes tensions. La conception des performances de résistance à haute tension des connecteurs haute tension pour les véhicules électriques de tourisme comprend principalement des aspects tels que la distance de fuite, l'entrefer d'interface et les matériaux isolants.
La distance de fuite fait référence à la situation dans laquelle, lorsque la tension de fonctionnement est trop élevée, la surtension instantanée provoque la libération d'un arc par le courant le long de l'espace entre les isolants, endommageant ainsi les appareils ou même les opérateurs. Cet espace d'isolation est la distance de fuite, et la tension de fonctionnement à laquelle dure l'arc détermine la distance de fuite. Lors de la conception de la structure du connecteur haute tension, la distance de fuite doit être augmentée autant que possible. Étant donné que la tension de tenue diélectrique du connecteur est supérieure à 400 V, après un calcul et une vérification minutieux, la distance de fuite du connecteur est conçue pour être supérieure à 24 mm, ce qui peut pleinement répondre aux exigences d'utilisation du connecteur haute tension à 600 V.
Pour améliorer les performances de résistance à haute tension du connecteur, lorsque le connecteur est accouplé, son interface doit être parfaitement ajustée sans entrefers. L'interface du connecteur comprend principalement l'interface correspondante du connecteur, du connecteur de prise et des éléments de connexion entre les contacts du connecteur et les fils. Ces pièces doivent être remplies d'un fluide sans air pour garantir de manière fiable que le connecteur ne tombe pas en panne. Pour éliminer l'existence d'entrefers d'interface, les mesures suivantes ont été prises lors de la conception des connecteurs haute tension :

a. Des matériaux isolants souples sont utilisés à l'interface de raccordement pour garantir que les espaces d'air sont remplis lorsque l'accouplement est en place.
b. L'isolation à l'extérieur du contact de la douille se présente sous forme de moulage pour combler les espaces à l'extérieur du contact.
c. Les surfaces de contact de la prise et de la prise adoptent une structure conique.
d. Une fois le contact connecté au câble, une partie de l'isolation du câble s'étend dans l'isolation du boîtier du connecteur.

Afin d'améliorer les performances de résistance à haute tension du connecteur, un plastique PPA (polyphtalamide) présentant de bonnes performances d'isolation, une tension de claquage élevée, une résistance d'isolation élevée, une bonne stabilité à haute température et haute pression, une résistance à l'arc, une résistance au suivi et une faible hygroscopicité est sélectionné pour le connecteur haute tension du véhicule de tourisme électrique.

Conception structurelle globale

La structure du connecteur haute tension finalement conçu pour les véhicules électriques de tourisme est illustrée à la figure 4. La structure du connecteur haute tension de l'intérieur vers l'extérieur est constituée du conducteur intérieur, de la couche isolante, de la couche de blindage et de la coque extérieure en séquence.

Figure 4 Structure du connecteur haute tension pour véhicules de tourisme électriques

Conception globale des faisceaux de câbles haute tension

1 Conception des performances de blindage

Pour que les faisceaux de câbles haute tension conçus présentent d'excellentes performances de blindage électromagnétique en plus de répondre aux exigences de base d'une connexion électrique fiable, la conception des performances de blindage des faisceaux de câbles haute tension a été réalisée. La conception des performances de blindage des faisceaux de câbles haute tension comprend principalement la conception des performances de blindage des câbles haute tension eux-mêmes, la conception des performances de blindage au niveau du joint entre les câbles haute tension et les connecteurs haute tension, la conception des performances de blindage des connecteurs haute tension eux-mêmes et la conception des performances de blindage à l'interface de raccordement des connecteurs haute tension. Pour améliorer les performances de blindage des câbles haute tension eux-mêmes, les câbles haute tension adoptent une structure de blindage. Il convient d'accorder plus d'attention à cela lorsque le câble est composé d'une combinaison de lignes de signal et de lignes électriques. Pour améliorer les performances de blindage au niveau du joint entre les câbles haute tension et les connecteurs haute tension, dans le but de garantir la fiabilité du contact entre les deux, en particulier en veillant à ce que la connexion ne se desserre pas en cas de fortes vibrations une fois que les conducteurs internes du câble haute tension et du connecteur haute tension sont connectés, la tresse du câble entre en contact avec la couche de blindage et une tresse métallique de blindage distincte est ajoutée au niveau du joint entre la tresse de câble et le connecteur pour renforcer le blindage effet. Pour améliorer les performances de blindage des connecteurs haute tension eux-mêmes, les connecteurs adoptent une conception de boîtier métallique. Pour améliorer les performances de blindage à l'interface de raccordement des connecteurs haute tension, une structure à ressort de blindage est adoptée dans la conception pour assurer un contact fiable entre les boîtiers de prise et de prise. Le conducteur interne situé à la tête du connecteur est plus bas que l'interface de la coque extérieure pour empêcher le conducteur interne de toucher les doigts ou d'autres métaux, jouant ainsi un certain rôle de protection et augmentant la sécurité. Après l'accouplement, les couches de blindage du connecteur à prise et du connecteur à fiche sont en contact fiable, ce qui rend la surface de contact protégée de l'extérieur.

2 Protection mécanique et conception étanche à la poussière et à l'eau

Étant donné que le diamètre du câble haute tension pour véhicules électriques de tourisme est relativement important et nécessite un tracé de câblage spécial, c'est-à-dire que le faisceau de câbles haute tension pour les véhicules électriques de tourisme est posé à l'extérieur du véhicule, il est nécessaire de prévoir une protection mécanique et une conception étanche à la poussière et à l'eau pour le faisceau de câbles haute tension pour véhicules particuliers électriques. Pour améliorer la protection mécanique et les performances d'étanchéité à la poussière et à l'eau du faisceau de câbles haute tension, des mesures de protection telles que des joints d'étanchéité sont adoptées entre les connecteurs branchés et aux endroits où les connecteurs sont connectés aux câbles pour empêcher la pénétration de vapeur d'eau et de poussière, garantissant ainsi l'environnement étanche des connecteurs, évitant le risque de court-circuit entre les contacts et empêchant l'humidité de pénétrer pour éviter des problèmes de sécurité tels que la génération d'étincelles.

3 Conception de la durée de vie

Les véhicules de tourisme électriques circulent sur la route et seront affectés par des facteurs tels que les surfaces irrégulières et la vitesse des véhicules, ce qui entraînera de fortes vibrations, qui provoqueront des frottements et une usure entre le faisceau de câbles haute tension et les pièces en contact et les autres faisceaux de câbles, ainsi que l'usure par fatigue du faisceau de câbles haute tension lui-même. Pour améliorer la durée de vie et la qualité du faisceau de câbles haute tension, la connexion entre le câble haute tension et le connecteur haute tension doit être renforcée, une structure de verrouillage doit être adoptée pour la connexion entre les connecteurs haute tension, le schéma de câblage doit être optimisé, des matériaux résistants à l'usure doivent être sélectionnés pour le faisceau de câbles haute tension et des fils toronnés en cuivre anti-fatigue doivent être utilisés pour les conducteurs. De plus, le lien de connexion entre les connecteurs haute tension est un point faible du faisceau de câbles haute tension lui-même. Pour améliorer la durée de vie du faisceau de câbles haute tension tout en répondant aux exigences d'utilisation du système électrique haute tension, il est nécessaire de garantir les temps d'insertion et d'extraction et la qualité de connexion des connecteurs haute tension.

4 Conception structurelle globale

La structure du faisceau de câbles haute tension finalement conçu pour les véhicules électriques de tourisme est illustrée à la figure 5.

Figure 5 Structure du faisceau de câbles haute tension pour les véhicules de tourisme électriques

Cet article présente brièvement les fonctions et les applications des faisceaux de câbles haute tension pour les véhicules électriques de tourisme et les situations de recherche et développement au pays et à l'étranger. À partir des caractéristiques d'utilisation, des exigences et de l'environnement des véhicules électriques de tourisme, il analyse les exigences de performance et les points clés de conception (résistance aux hautes tensions, résistance aux courants élevés, résistance environnementale, performances de blindage, sécurité et fiabilité, etc.) des faisceaux de câbles haute tension pour véhicules de tourisme électriques, développe la conception principale des câbles, les principaux schémas de conception des connecteurs et de leurs contacts respectivement, et donne le schéma général du faisceau de câbles. Enfin, il présente la situation de test des échantillons développés. Les exigences d'utilisation et les résultats des tests permettent de conclure que le faisceau de câbles haute tension développé peut répondre aux exigences d'utilisation des véhicules de tourisme électriques. Avec le développement de l'industrie des véhicules électriques, les faisceaux de câbles haute tension vont certainement se développer davantage, être capables de résister à des tensions et des courants plus élevés et seront utilisés dans divers modèles de véhicules. En attendant, en termes de fonctions, ils seront également plus parfaits, par exemple en ayant leur testabilité, c'est-à-dire en étant capables de surveiller les variations du courant, de la température, etc. du faisceau de câbles en temps réel.