電気乗用車用高電圧ワイヤーハーネスの設計と開発

高電圧ケーブルの設計

ガソリンエンジンは従来の自動車に動力を供給します。従来の自動車におけるケーブルの役割は、制御信号を伝送することであり、ケーブルが受ける電流と電圧はごくわずかです。そのため、ケーブルの直径が小さく、絶縁材を加えた導体というシンプルな構造で、非常にシンプルです。しかし、電気乗用車用の高電圧ケーブルの使用要件によると、電気乗用車用の高電圧ケーブルは主にエネルギーを伝達する役割を果たし、バッテリーからのエネルギーをさまざまなサブシステムに伝達する必要があります。したがって、電気乗用車用に設計された高電圧ワイヤーハーネスは、高電圧および高電流伝送の要件を満たす必要があります。電気乗用車用の高電圧ケーブルは、比較的高い電圧（定格電圧は最大600 V）と大電流（定格電流は最大600 A）に耐え、電磁放射は比較的強いです。その結果、ケーブルの直径が大幅に大きくなります。一方、周囲の電子機器への電磁放射による強い電磁干渉を防ぎ、他の電子機器の正常な動作に影響を与えることを避けるため、ケーブルも電磁干渉防止構造、つまり同軸構造を採用して設計されています。内部導体と外部導体の複合作用（シールド）により、ケーブル内部の磁場は同心円状に分散され、電界は内部導体から外部導体に向かい、終端します。これにより、ケーブルの外側の電磁界がゼロになります。つまり、電磁放射がシールドされ、電気自動車の正常な動作が保証されます。

初期の自動車用ケーブルの主な絶縁材はPVC（ポリ塩化ビニル）でした。しかし、PVCには人の健康に有害な鉛が含まれています。近年、LSZH（低煙・ハロゲンフリー素材）、TPE（熱可塑性エラストマー）、XLPE（架橋ポリエチレン）、シリコーンゴムなどの材料に徐々に置き換えられてきました。電気乗用車用の高電圧ケーブルは、高電圧、大電流、耐電磁干渉、耐摩耗性、難燃性の要件を満たす必要があるため、これらの材料の性能を次のように比較しました。

a. LSZHは大きく分けてPO (ポリオレフィン) とEPR (エチレンプロピレンゴム) の2つに分類できます。その中でも、POベースのケーブル材料が主流です。POベースのLSZH難燃性ケーブル材料の配合には、AI（OH）3およびMg（OH）2の無機難燃剤が大量に含まれており、ケーブル材料に優れた難燃性、低煙、ハロゲンフリー、低毒性の特性を備えています。しかし同時に、物理的および機械的特性、電気的特性、押出プロセス特性の点で、他の非難燃性材料やハロゲン含有難燃性材料とは異なります。
b. TPEは、ゴムと熱可塑性プラスチックの特性を備えたポリマー材料です。室温ではゴムの弾性が高く、高温では可塑化および成形が可能です。ただし、この材料は耐摩耗性がなく、電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスの使用要件を満たすことができません。
c. XLPEは、75°Cの耐熱グレードを備えた通常のPE（ポリエチレン）材料に照射および架橋することによって得られます。その耐熱グレードは150°Cに達する可能性があり、優れた物理的および機械的特性、過負荷耐性、および長寿命特性を備えていますが、難燃性ではありません。
d. シリコーンゴムは耐破壊電圧が高いため、耐アーク性、耐トラッキング性、耐オゾン性に優れています。また、耐高温性、耐低温性に優れ、200°Cまでの温度に耐えることができ、断熱性能が高く、高温多湿の条件下でも安定しており、難燃性もあります。上記の材料の性能を比較した結果、シリコーンゴムは、その優れた物理的および機械的特性、長寿命、低価格により、電気乗用車用の高電圧ケーブルの絶縁材料として最初に選択されるようになりました。最終的に設計された電気乗用車用の高電圧ケーブルの構造を図1に示します。

図1 電気乗用車用高電圧ケーブルの構造

高電圧コネクタの設計

通常、コネクタ (主にその中の接点を指します) には使用温度制限があります。使用温度が規定の上限を超えると、発熱によりコネクタの安全性が低下し、故障したり損傷したりする可能性もあります。コネクタの使用温度が上昇する理由は主に 2 つあります。

a. 自動車そのもの。自動車の温度が最も高いのはエンジンの周囲です。たとえば、従来の自動車のエンジン周辺の温度は 125 °C を超えることがあります。
b. コネクタ自体コネクタは使用中に発熱します。コネクタの嵌合接点間には接触抵抗があります。接触抵抗が大きいほど電力損失が大きくなり、接点の温度が高くなり、信頼性が低下します。この点で、電気乗用車用の高電圧および高電流コネクタを設計する際には、特に注意する必要があります。過度な使用温度によるコネクタの絶縁材料の損傷、絶縁性能の低下、さらには焼損や故障の原因となるだけでなく、加熱または接触部に絶縁膜を形成した後に接点の弾力性が低下するのを防ぎ、接触の信頼性を低下させ、接触抵抗を高め、使用温度の上昇をさらに悪化させ、最終的には悪循環の中で接続接点の故障につながる使用温度の上昇を防ぐ必要があります。大電流を合理的に設計するには電気乗用車用の高電圧および高電流コネクタの接点

高電流接点を設計する場合、どの端子形態を選択するかによってコネクタの品質とコストが直接決まります。通常、コンタクトのコンタクトフォームには、図2に示すように、主にプレートタイプ、リーフスプリングタイプ、ワイヤースプリングタイプの3種類があります。

図2 3種類の接点の構造

プレート型コンタクトのソケットは、スロットとくびれた開口部を備えた円筒形のバレルです。ソケットはベリリウムブロンズワイヤ（ロッド）を使用して加工されています。原材料の価格が比較的高く、その後の収縮工程の管理が難しい。製品の品質の一貫性を確保することは難しく、コストも高くなります。
板ばね式コンタクトのソケットはクラウンスプリングホールです。ソケットには1つまたは2つのリーフスプリングコイルが配置されています。各リーフスプリングコイルは複数のスプリングリーフで構成され、すべてのスプリングリーフが内側にアーチ状になって弾性スプリングコイルを形成します。ソケットとピンを合わせると、各スプリングリーフがピンに接触して圧迫力を発生させ、安定した多点接触を実現します。板ばねタイプのソケットは、真ちゅう製の旋削部品とクラウンスプリングスタンピング部品で構成されており、製品の一貫性が良く、低コストです。Amphenol Corporationの特許取得済みのRADSOKソケット構造（図3を参照）は、接触面積を65％増やすことができる双曲クラウンスプリング技術を採用しています。その表面には耐摩耗性の高い銀メッキ層があります。

図3 アンフェノール社のRADSOKソケットの構造

ワイヤースプリングタイプのコンタクトのソケットはワイヤースプリングホールです。ワイヤースプリングホールの構造は、ワイヤースプリングタイプのソケットがスプリングワイヤーで構成されている点を除いて、リーフスプリングタイプのソケットの構造と似ています。ワイヤースプリングタイプのソケットは性能は優れていますが、プロセスが複雑でコストも高くなります。
上記のさまざまな接点形態の接点を比較した結果、電気乗用車用の高電圧および高電流コネクタは、高電流リーフスプリングタイプの接点を採用しています。一方、高電流リーフスプリングタイプのコンタクトでは、接点の信頼性や通電容量の向上、その他の高電流コンタクトのインデックス要件を満たすため、高電流リーフスプリングタイプのコンタクトでは、ダブルリード付きの2段リーフスプリングタイプのソケットを採用しています。最後に、高電流接点の接触抵抗の計算、構造の設計、サンプルの設計修正により、高電流接点の設計に成功しました。

高電圧抵抗性能の設計

電気乗用車用の高電圧コネクタの設計要件を満たすためには、高電圧抵抗性能を確保するための構造設計と材料の選択を通じて、高電圧コネクタの各部に十分な絶縁耐力を持たせる必要があります。電気乗用車用の高電圧コネクタの高電圧抵抗性能の設計には、主に沿面距離、界面エアギャップ、絶縁材料などの側面が含まれます。
沿面距離とは、動作電圧が高すぎると、瞬間的な過電圧によって絶縁体間のギャップに沿って電流がアークを放出し、デバイスやオペレーターに損傷を与える状況を指します。この絶縁ギャップが沿面距離であり、アークが持続する動作電圧によって沿面距離が決まります。高電圧コネクタの構造を設計するときは、沿面距離をできるだけ長くする必要があります。コネクタの誘電耐電圧が400Vを超えていることを考慮すると、慎重に計算して検証した結果、コネクタの沿面距離は24 mmを超えるように設計されており、600Vの高電圧コネクタの使用要件を完全に満たすことができます。
コネクタの高電圧抵抗性能を向上させるには、コネクタを接合するときに、そのインタフェースをエアギャップなしでぴったりとはめる必要があります。コネクタのインタフェースには、主にプラグコネクタ、ソケットコネクタ、およびコネクタ接点とワイヤとの間の接続部の接続部が含まれます。コネクタが破損しないように、これらの部品には空気が入っていない媒体を充填する必要があります。高電圧コネクタの設計では、インタフェースにエアギャップが生じないようにするため、次の対策が講じられています。

a. 嵌合部には柔らかい絶縁材料を使用し、嵌合している間にエアギャップが確実に埋められるようにします。
b. ソケットコンタクトの外側の絶縁材は、コンタクトの外側の隙間を埋めるためのモールディングの形をしています。
c. プラグとソケットの接合面はテーパー構造になっています。
d. 接点をケーブルに接続すると、ケーブルの絶縁体の一部がコネクタハウジングの絶縁体まで伸びます。

コネクタの高電圧抵抗性能を向上させるために、電気乗用車の高電圧コネクタには、絶縁性能、高耐圧、高絶縁強度、高温高圧下での安定性、耐アーク性、耐トラッキング性、低吸湿性を備えたPPA（ポリフタルアミド）プラスチックが選択されています。

全体的な構造設計

最終的に設計された電気乗用車用の高電圧コネクタの構造を図4に示します。高圧コネクタの内側から外側への構造は、内部導体、絶縁層、シールド層、外殻の順になっています。

図4 電気乗用車用高電圧コネクタの構造

高電圧ワイヤーハーネスの全体設計

(1) シールド性能の設計

設計した高電圧ワイヤーハーネスが、信頼性の高い電気接続の基本要件を満たすだけでなく、優れた電磁シールド性能を備えるようにするために、高電圧ワイヤーハーネスのシールド性能設計が行われました。高電圧ワイヤーハーネスのシールド性能設計には、主に高電圧ケーブル自体のシールド性能設計、高電圧ケーブルと高電圧コネクタの接合部のシールド性能設計、高電圧コネクタ自体のシールド性能設計、および高電圧コネクタの嵌合界面でのシールド性能設計が含まれます。高圧ケーブル自体のシールド性能を向上させるため、高圧ケーブルにはシールド構造を採用しています。ケーブルが信号線と電力線の組み合わせで構成されている場合は、この点にもっと注意する必要があります。高電圧ケーブルと高電圧コネクタの接合部のシールド性能を向上させるために、両者の接触の信頼性を確保すること、特に高電圧ケーブルと高電圧コネクタの内部導体を接続した後、強い振動条件下で接続が緩まないことを前提として、ケーブルブレードがシールド層に接触し、ケーブルブレードの接合部に別のシールド金属編組が追加されています。シールド効果を強化するためのIDとコネクタ。高電圧コネクタ自体のシールド性能を向上させるために、コネクタは金属製のハウジング設計を採用しています。高電圧コネクタの相手側のシールド性能を向上させるため、プラグとソケットのハウジングが確実に接触するように、シールドスプリング構造を設計に採用しています。内部導体が指やその他の金属に触れるのを防ぐため、コネクタヘッドの内部導体はアウターシェルの界面よりも低くなっています。これにより、一定の保護の役割を果たし、安全性を高めています。嵌合後、ソケットコネクタとプラグコネクタのシールド層が確実に接触し、接合面が外部からシールドされます。

2 機械保護と防塵・防水設計

電気乗用車用の高電圧ケーブルは直径が比較的大きく、特別な配線ルート、つまり電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスを車外に敷設する必要があるため、電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスの機械的保護と防塵・防水設計を行う必要があります。高圧ワイヤーハーネスの機械的保護と防塵・防水性能を向上させるために、差し込みコネクタ間およびコネクタをケーブルに接続する位置にシールリングなどの保護対策を講じて水蒸気やほこりの侵入を防ぎ、コネクタの密閉環境を確保し、接点間の短絡のリスクを回避し、水分の侵入を防ぎ、火花発生などの安全上の問題を回避しています。

3 耐用年数の設計

電気乗用車は路上を走行するため、路面の凹凸や車速などの影響を受けるため、高振動が発生し、高電圧ワイヤーハーネスと接触部品や他のワイヤーハーネスとの摩擦や摩耗、高電圧ワイヤーハーネス自体の疲労摩耗が発生します。高電圧ワイヤーハーネスの耐用年数と品質を向上させるには、高電圧ケーブルと高電圧コネクターの接続を強化し、高電圧コネクター間の接続にはロック構造を採用し、配線方式を最適化し、高電圧ワイヤーハーネスには耐摩耗性材料を選択し、導体には耐疲労性の銅ストランドワイヤーを使用する必要があります。さらに、高電圧コネクタ間の接続リンクは、高電圧ワイヤーハーネス自体の弱点です。高電圧ワイヤーハーネスの耐用年数を延ばすと同時に、高電圧電気システムの使用要件を満たすためには、高電圧コネクタの挿抜時間と接続品質を確保する必要があります。

4 全体的な構造設計

最終的に設計された電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスの構造を図5に示します。

図5 電気乗用車用高電圧ワイヤーハーネスの構造

この記事では、電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスの機能と用途、および国内外の研究開発状況について簡単に紹介します。電気乗用車の使用特性、要件、環境から始めて、電気乗用車用の高電圧ワイヤーハーネスの性能要件と設計の要点（高電圧抵抗、高電流抵抗、耐環境性、シールド性能、安全性、信頼性など）を分析し、ケーブルの主な設計、コネクタとその接点の主な設計スキームをそれぞれ詳しく説明し、ワイヤーハーネスの全体的なスキームを示します。最後に、開発したサンプルのテスト状況を紹介します。使用要件と試験結果から、開発した高電圧ワイヤーハーネスは電気乗用車の使用要件を満たすことができると結論付けることができます。電気自動車産業の発展に伴い、高電圧ワイヤーハーネスはさらに発展し、より高い電圧や大電流に耐えられるようになり、さまざまな車両モデルで使用されることが予想されます。一方、機能面では、たとえばワイヤーハーネスの電流、温度などの変化をリアルタイムで監視できるというテスタビリティがあるなど、より完璧になります。