Progettazione e sviluppo di cablaggi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici

Progettazione di cavi ad alta tensione

I motori a benzina alimentano le automobili tradizionali. Il ruolo dei cavi nelle automobili tradizionali è quello di trasmettere segnali di controllo, poiché la corrente e la tensione che sopportano sono molto ridotte. Quindi, il diametro del cavo è piccolo e la struttura è semplicemente un conduttore con isolamento aggiunto, il che è abbastanza semplice. Tuttavia, in base ai requisiti di utilizzo dei cavi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici, i cavi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici svolgono principalmente il ruolo di trasmissione di energia e devono comunicare l'energia dalla batteria a vari sottosistemi. Pertanto, i cablaggi ad alta tensione progettati per i veicoli passeggeri elettrici devono soddisfare i requisiti di trasmissione ad alta tensione e alta corrente. I cavi ad alta tensione per veicoli elettrici passeggeri sopportano tensioni relativamente elevate (la tensione nominale è fino a 600 V) e correnti elevate (la corrente nominale è fino a 600 A) e la radiazione elettromagnetica è relativamente forte. Di conseguenza, il diametro dei cavi è notevolmente aumentato. Nel frattempo, per evitare le forti interferenze elettromagnetiche causate dalle radiazioni elettromagnetiche sulle apparecchiature elettroniche circostanti e influire sul normale funzionamento di altre apparecchiature elettroniche, i cavi sono inoltre progettati con una struttura di schermatura antiinterferenza elettromagnetica, ovvero viene adottata una struttura coassiale. Utilizzando l'azione combinata del conduttore interno e del conduttore esterno (schermatura), il campo magnetico all'interno del cavo viene distribuito in cerchi concentrici e il campo elettrico punta dal conduttore interno e termina nel conduttore esterno, azzerando il campo elettromagnetico esterno al cavo, cioè schermando la radiazione elettromagnetica, garantendo così il normale funzionamento dei veicoli elettrici.

All'inizio, il principale materiale isolante per i cavi delle automobili era il PVC (cloruro di polivinile). Tuttavia, il PVC contiene piombo, che è dannoso per la salute umana. Negli ultimi anni è stato gradualmente sostituito da materiali come LSZH (materiali a bassa emissione di fumi e privi di alogeni), TPE (elastomero termoplastico), XLPE (polietilene reticolato) e gomma siliconica. Poiché i cavi ad alta tensione per veicoli elettrici passeggeri devono soddisfare i requisiti di alta tensione, grande corrente, interferenza antielettromagnetica, resistenza all'usura e resistenza alla fiamma, le prestazioni di questi materiali sono state confrontate come segue:

a. L'LSZH può essere suddiviso in due categorie principali: PO (poliolefina) ed EPR (gomma etilene-propilene). Tra questi, i materiali per cavi a base di PO sono i principali. La formulazione di materiali ignifughi LSZH a base di PO contiene una grande quantità di ritardanti di fiamma inorganici AI (OH) 3 e Mg (OH) 2, che conferiscono ai materiali dei cavi caratteristiche di buona resistenza alla fiamma, bassa emissione di fumi, privi di alogeni e bassa tossicità. Tuttavia, allo stesso tempo, li differenzia anche dagli altri materiali non ignifughi e dai materiali ignifughi contenenti alogeni in termini di proprietà fisiche e meccaniche, proprietà elettriche e proprietà del processo di estrusione.
b. Il TPE è un materiale polimerico con caratteristiche di gomma e plastica termoplastica. Presenta un'elevata elasticità della gomma a temperatura ambiente e può essere plastificato e modellato ad alte temperature. Tuttavia, questo materiale non è resistente all'usura e non può soddisfare i requisiti di utilizzo dei cablaggi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici.
c. L'XLPE è ottenuto irradiando e reticolando materiali comuni in PE (polietilene) con un grado di resistenza alla temperatura di 75 °C. Il suo grado di resistenza alla temperatura può raggiungere i 150 °C e ha eccellenti proprietà fisiche e meccaniche, resistenza al sovraccarico e caratteristiche di lunga durata, ma non è ignifugo.
d. La gomma siliconica ha un'alta tensione di rottura, quindi ha resistenza all'arco, resistenza al tracciamento e resistenza all'ozono. Ha anche una buona resistenza alle alte e basse temperature, può resistere a temperature fino a 200° C, ha buone prestazioni di isolamento, è stabile in condizioni di alta temperatura e alta umidità ed è ignifugo. Dopo aver confrontato le prestazioni dei suddetti materiali, la gomma siliconica è diventata la prima scelta per il materiale isolante dei cavi ad alta tensione per veicoli elettrici passeggeri grazie alle sue buone proprietà fisiche e meccaniche, alla lunga durata e al basso prezzo. La struttura del cavo ad alta tensione finalmente progettato per veicoli elettrici passeggeri è mostrata nella Figura 1.

Figura 1 Struttura del cavo ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici

Progettazione di connettori ad alta tensione

Di solito, i connettori (riferiti principalmente ai contatti in essi contenuti) hanno limitazioni di temperatura di utilizzo. Una volta che la temperatura di utilizzo supera il limite specificato, i connettori ridurranno la loro sicurezza a causa della generazione di calore e potrebbero persino guastarsi o danneggiarsi. Ci sono principalmente due ragioni per l'aumento della temperatura di utilizzo dei connettori:

a. L'automobile stessa. L'area con la temperatura più alta in un'automobile è intorno al motore. Ad esempio, la temperatura intorno al motore di un'automobile tradizionale può superare i 125 °C.
b. Il connettore stesso. Il connettore genererà calore durante l'uso. Esiste una resistenza di contatto tra i contatti accoppiati nel connettore. Maggiore è la resistenza di contatto, maggiore è la perdita di potenza, maggiore è la temperatura dei contatti e minore è l'affidabilità. A questo proposito, occorre prestare particolare attenzione nella progettazione di connettori ad alta tensione e alta corrente per veicoli passeggeri elettrici. Per evitare danni ai materiali isolanti nei connettori dovuti all'eccessiva temperatura di utilizzo, ridurne le prestazioni di isolamento o addirittura causare bruciature e guasti, nonché impedire che i contatti subiscano una diminuzione dell'elasticità dopo essere stati riscaldati o aver formato una pellicola isolante nell'area di contatto, riducendo l'affidabilità dei contatti, aumentando la resistenza di contatto e aggravando ulteriormente l'aumento della temperatura di utilizzo, che alla fine porterà alla rottura del contatto di connessione in un circolo vizioso, è necessario ragionare progettare in modo efficace l'alta corrente contatti nei connettori ad alta tensione e alta corrente per veicoli passeggeri elettrici.

Quando si progettano contatti ad alta corrente, la scelta del modulo di contatto determinerà direttamente la qualità e il costo del connettore. Di solito, le forme di contatto dei contatti includono principalmente tre tipi: tipo a piastra, tipo a molla a balestra e tipo a molla metallica, come mostrato nella Figura 2.

Figura 2 Strutture dei tre tipi di contatti

La presa del contatto a piastra è una canna cilindrica con fessure e un'apertura ristretta. La presa viene lavorata utilizzando filo di bronzo al berillio (asta). Il prezzo della materia prima è relativamente alto e il successivo processo di costrizione è difficile da controllare. È difficile garantire la coerenza della qualità del prodotto e il costo è elevato.
La presa del contatto a balestra è un foro per molla a corona. Una o due bobine a balestra sono inserite nella presa. Ogni molla a balestra è composta da più foglie elastiche e tutte le foglie elastiche si inarcano verso l'interno per formare una spirale elastica. Quando la presa e il perno sono accoppiati, ogni lamella elastica entra in contatto con il perno e genera una forza di compressione per garantire un contatto stabile su più punti. La bussola a balestra è composta da una parte girevole in ottone e una parte stampata a molla a corona, con buona consistenza del prodotto e basso costo. La struttura brevettata RADSOK (come mostrato nella Figura 3) di Amphenol Corporation adotta la tecnologia della molla a corona iperbolica, che può aumentare l'area di contatto del 65%. La sua superficie ha uno strato argentato ad alta resistenza all'usura.

Figura 3 Struttura del socket RADSOK di Amphenol Corporation

La presa del contatto a molla del filo è un foro per molla metallica. La struttura del foro a molla metallica è simile a quella della presa a balestra, tranne per il fatto che la presa a molla è composta da fili elastici. Sebbene la presa a molla metallica abbia prestazioni eccellenti, il suo processo è complesso e anche il costo è elevato.
Dopo aver confrontato i contatti delle varie forme di contatto sopra indicate, i connettori ad alta tensione e alta corrente per veicoli passeggeri elettrici adottano il contatto a balestra ad alta corrente. Nel frattempo, per migliorare l'affidabilità dei contatti e la capacità di trasporto di corrente e soddisfare altri requisiti dell'indice dei contatti ad alta corrente, il contatto a balestra ad alta corrente adotta una presa a balestra a due stadi con doppie lamelle. Infine, attraverso il calcolo della resistenza di contatto del contatto ad alta corrente, il design della struttura e la correzione del progetto del campione, il contatto ad alta corrente è stato progettato con successo.

Progettazione delle prestazioni di resistenza ad alta tensione

Per soddisfare i requisiti di progettazione dei connettori ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici, è necessario garantire che ogni parte del connettore ad alta tensione abbia una rigidità dielettrica sufficiente attraverso la progettazione strutturale e la selezione dei materiali per garantirne le prestazioni di resistenza all'alta tensione. La progettazione delle prestazioni di resistenza all'alta tensione dei connettori ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici include principalmente aspetti quali la distanza di dispersione, il traferro dell'interfaccia e i materiali isolanti.
La distanza di dispersione si riferisce alla situazione in cui, quando la tensione di lavoro è troppo alta, la sovratensione istantanea farà sì che la corrente rilasci un arco lungo lo spazio tra gli isolamenti, danneggiando i dispositivi o persino gli operatori. Questa distanza di isolamento è la distanza di dispersione e la tensione di lavoro alla quale dura l'arco determina la distanza di dispersione. Quando si progetta la struttura del connettore ad alta tensione, la distanza di dispersione deve essere aumentata il più possibile. Considerando che la tensione di tenuta dielettrica del connettore è superiore a 400 V, dopo un accurato calcolo e verifica, la distanza di dispersione del connettore è progettata per essere superiore a 24 mm, il che può soddisfare pienamente i requisiti di utilizzo del connettore ad alta tensione a 600 V.
Per migliorare le prestazioni di resistenza ad alta tensione del connettore, quando il connettore è accoppiato, la sua interfaccia deve essere strettamente montata senza intercapedini d'aria. L'interfaccia del connettore include principalmente l'interfaccia di accoppiamento del connettore a spina, il connettore della presa e le parti di collegamento tra i contatti del connettore e i fili. Queste parti devono essere riempite con un mezzo senza aria per garantire in modo affidabile che il connettore non si rompa. Per eliminare l'esistenza di intercapedini tra le interfacce, nella progettazione dei connettori ad alta tensione sono state adottate le seguenti misure:

a. Nell'interfaccia di accoppiamento vengono utilizzati materiali isolanti morbidi per garantire che le intercapedini d'aria vengano riempite mentre l'accoppiamento è in posizione.
b. L'isolamento all'esterno del contatto della presa è in forma di stampaggio per colmare gli spazi esterni al contatto.
c. Le superfici di accoppiamento della spina e della presa adottano una struttura affusolata.
d. Dopo aver collegato il contatto al cavo, parte dell'isolamento del cavo si estende all'isolamento dell'alloggiamento del connettore.

Al fine di migliorare le prestazioni di resistenza all'alta tensione del connettore, per il connettore ad alta tensione dell'autovettura elettrica è stata selezionata plastica PPA (poliftalammide) con buone prestazioni di isolamento, alta tensione di rottura, elevata resistenza di isolamento, buona stabilità ad alta temperatura e alta pressione, resistenza all'arco, resistenza al tracciamento e bassa igroscopicità.

Progettazione strutturale complessiva

La struttura del connettore ad alta tensione finalmente progettato per i veicoli elettrici passeggeri è mostrata nella Figura 4. La struttura del connettore ad alta tensione dall'interno verso l'esterno è costituita in sequenza dal conduttore interno, dallo strato isolante, dallo strato di schermatura e dall'involucro esterno.

Figura 4 Struttura del connettore ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici

Progettazione generale dei cablaggi ad alta tensione

1 Progettazione delle prestazioni di schermatura

Affinché i cablaggi ad alta tensione progettati abbiano eccellenti prestazioni di schermatura elettromagnetica oltre a soddisfare i requisiti di base di una connessione elettrica affidabile, è stata eseguita la progettazione delle prestazioni di schermatura dei cablaggi ad alta tensione. La progettazione delle prestazioni di schermatura dei cablaggi ad alta tensione include principalmente la progettazione delle prestazioni di schermatura dei cavi ad alta tensione stessi, la progettazione delle prestazioni di schermatura nella giunzione tra cavi ad alta tensione e connettori ad alta tensione, la progettazione delle prestazioni di schermatura dei connettori ad alta tensione stessi e la progettazione delle prestazioni di schermatura all'interfaccia di accoppiamento dei connettori ad alta tensione. Per migliorare le prestazioni di schermatura dei cavi ad alta tensione stessi, i cavi ad alta tensione adottano una struttura di schermatura. A ciò dovrebbe essere prestata maggiore attenzione quando il cavo è composto da una combinazione di linee di segnale e linee elettriche. Per migliorare le prestazioni di schermatura nella giunzione tra cavi ad alta tensione e connettori ad alta tensione, con la premessa di garantire l'affidabilità del contatto tra i due, in particolare assicurando che la connessione non si allenti in condizioni di forti vibrazioni dopo il collegamento dei conduttori interni del cavo ad alta tensione e del connettore ad alta tensione, la treccia del cavo entra in contatto con lo strato di schermatura e viene aggiunta una treccia metallica di schermatura separata nella giunzione tra la treccia del cavo e il connettore per rafforzare l'effetto schermante. Per migliorare le prestazioni di schermatura dei connettori ad alta tensione stessi, i connettori adottano un design con custodia in metallo. Per migliorare le prestazioni di schermatura all'interfaccia di accoppiamento dei connettori ad alta tensione, nel design è stata adottata una struttura a molla schermante per garantire un contatto affidabile tra la spina e gli alloggiamenti delle prese. Il conduttore interno alla testa del connettore è inferiore all'interfaccia del guscio esterno per evitare che il conduttore interno tocchi le dita o altri metalli, svolgendo un certo ruolo protettivo e aumentando la sicurezza. Dopo l'accoppiamento, gli strati schermanti del connettore della presa e del connettore a spina sono in contatto affidabile, rendendo la superficie di accoppiamento schermata dall'esterno.

2 Protezione meccanica e design resistente alla polvere e all'acqua

Poiché il diametro del cavo ad alta tensione per i veicoli passeggeri elettrici è relativamente ampio e richiede un percorso di cablaggio speciale, ovvero il cablaggio ad alta tensione per i veicoli passeggeri elettrici è posizionato all'esterno del veicolo, è necessario eseguire una protezione meccanica e una progettazione antipolvere e impermeabile per il cablaggio ad alta tensione per i veicoli passeggeri elettrici. Per migliorare la protezione meccanica e le prestazioni di impermeabilità e polvere del cablaggio ad alta tensione, vengono adottate misure di protezione come anelli di tenuta tra i connettori collegati e nelle posizioni in cui i connettori sono collegati ai cavi per impedire l'ingresso di vapore acqueo e polvere, garantendo così l'ambiente sigillato dei connettori, evitando il rischio di cortocircuiti tra i contatti e impedendo l'ingresso di umidità per evitare problemi di sicurezza come la generazione di scintille.

3 Progettazione della durata utile

I veicoli passeggeri elettrici viaggiano su strada e saranno influenzati da fattori quali superfici stradali irregolari e velocità del veicolo, con conseguenti vibrazioni elevate, che causeranno attrito e usura tra il cablaggio ad alta tensione e le parti a contatto e altri cablaggi, nonché l'usura per fatica del cablaggio ad alta tensione stesso. Per migliorare la durata e la qualità del cablaggio ad alta tensione, è necessario rafforzare la connessione tra il cavo ad alta tensione e il connettore ad alta tensione, adottare una struttura di bloccaggio per il collegamento tra connettori ad alta tensione, ottimizzare lo schema di cablaggio, selezionare materiali resistenti all'usura per il cablaggio ad alta tensione e utilizzare fili intrecciati in rame antifatica per i conduttori. Inoltre, il collegamento tra i connettori ad alta tensione è un punto debole del cablaggio ad alta tensione stesso. Per migliorare la durata del cablaggio ad alta tensione e soddisfare allo stesso tempo i requisiti di utilizzo del sistema elettrico ad alta tensione, è necessario garantire i tempi di inserimento ed estrazione e la qualità di connessione dei connettori ad alta tensione.

4 Progettazione strutturale generale

La struttura del cablaggio ad alta tensione finalmente progettato per i veicoli elettrici passeggeri è mostrata nella Figura 5.

Figura 5 Struttura del cablaggio ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici

Questo articolo introduce brevemente le funzioni e le applicazioni dei cablaggi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici e le situazioni di ricerca e sviluppo in patria e all'estero. Partendo dalle caratteristiche di utilizzo, dai requisiti e dall'ambiente dei veicoli passeggeri elettrici, analizza i requisiti prestazionali e i punti chiave di progettazione (resistenza all'alta tensione, alta resistenza alla corrente, resistenza ambientale, prestazioni di schermatura, sicurezza e affidabilità, ecc.) dei cablaggi ad alta tensione per veicoli passeggeri elettrici ed elabora rispettivamente il design principale dei cavi, i principali schemi di progettazione dei connettori e dei loro contatti e fornisce lo schema generale del cablaggio. Infine, introduce la situazione di test dei campioni sviluppati. Dai requisiti di utilizzo e dai risultati dei test, si può concludere che il cablaggio ad alta tensione sviluppato può soddisfare i requisiti di utilizzo dei veicoli passeggeri elettrici. Con lo sviluppo dell'industria dei veicoli elettrici, i cablaggi ad alta tensione si svilupperanno sicuramente ulteriormente, saranno in grado di resistere a tensioni e correnti più elevate e verranno utilizzati in vari modelli di veicoli. Nel frattempo, in termini di funzioni, saranno anche più perfetti, ad esempio, grazie alla loro testabilità, ovvero alla possibilità di monitorare in tempo reale le variazioni di corrente, temperatura, ecc. del cablaggio.