전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 설계 및 개발

고전압 케이블 설계

가솔린 엔진은 기존 자동차에 동력을 공급합니다.기존 자동차에서 케이블의 역할은 제어 신호를 전송하는 것인데, 케이블이 견디는 전류와 전압은 매우 작습니다.따라서 케이블 직경이 작고 구조가 단순히 절연이 추가된 도체이므로 매우 간단합니다.그러나 전기 승용차용 고전압 케이블의 사용 요구 사항에 따르면 전기 승용차용 고전압 케이블은 주로 에너지를 전달하는 역할을 하므로 배터리에서 나오는 에너지를 다양한 하위 시스템으로 전달해야 합니다.따라서 전기 승용차용으로 설계된 고전압 배선 하네스는 고전압 및 고전류 전송 요구 사항을 충족해야 합니다.전기 승용차용 고전압 케이블은 상대적으로 높은 전압 (정격 전압 최대 600V) 과 큰 전류 (정격 전류 최대 600A) 를 견디며 전자기 방사가 비교적 강합니다.그 결과 케이블의 직경이 크게 늘어납니다.한편, 주변 전자 장비의 전자기 방사선으로 인한 강한 전자기 간섭을 피하고 다른 전자 장비의 정상적인 작동에 영향을 미치기 위해 케이블도 전자기 간섭 차폐 구조, 즉 동축 구조로 설계되었습니다.내부 도체와 외부 도체의 결합 작용 (차폐) 을 이용하여 케이블 내부의 자기장이 동심원으로 분산되고 전기장이 내부 도체에서 외부 도체로 향하고 종단되어 케이블 외부의 전자기장을 0으로 만듭니다. 즉, 전자기 방사선을 차단하여 전기 자동차의 정상 작동을 보장합니다.

초기 자동차 케이블의 주요 절연 재료는 PVC (폴리염화비닐) 였습니다.그러나 PVC에는 인체에 해로운 납이 포함되어 있습니다.최근에는 LSZH (저연 및 무할로겐 소재), TPE (열가소성 엘라스토머), XLPE (가교 폴리에틸렌) 및 실리콘 고무와 같은 소재로 점차 대체되고 있습니다.전기 승용차용 고전압 케이블은 고전압, 대전류, 전자기 간섭 방지, 내마모성 및 난연성 요구 사항을 충족해야 하기 때문에 이러한 재료의 성능을 다음과 같이 비교했습니다.

a. LSZH는 PO (폴리올레핀) 와 EPR (에틸렌-프로필렌 고무) 의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.그중에서도 PO 기반 케이블 소재가 주류입니다.PO 기반 LSZH 난연성 케이블 소재의 제형에는 AI (OH) 3 및 Mg (OH) 2 무기 난연제가 다량 함유되어 케이블 재료에 우수한 난연성, 저연기, 무할로겐 및 저독성 특성을 부여합니다.그러나 동시에 물리적 및 기계적 특성, 전기적 특성 및 압출 공정 특성 측면에서 다른 난연성 재료 및 할로겐 함유 난연 재료와도 차별화됩니다.
b. TPE는 고무 및 열가소성 플라스틱 특성을 지닌 폴리머 소재입니다.실온에서 고무의 높은 탄성을 나타내며 고온에서 가소 화 및 성형이 가능합니다.그러나 이 소재는 내마모성이 없어 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 사용 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
c. XLPE는 온도 저항 등급 75°C의 일반 PE (폴리에틸렌) 재료를 조사 및 가교 결합시켜 얻습니다. 온도 저항 등급은 150°C에 달할 수 있으며 물리적, 기계적 특성, 과부하 저항성 및 긴 수명 특성이 우수하지만 난연성은 없습니다.
d. 실리콘 고무는 항복 전압이 높아 아크 저항성, 내추적성 및 내오존성이 있습니다.또한 고온 및 저온 저항성이 우수하고 최대 200° C의 온도를 견딜 수 있으며 절연 성능이 우수하고 고온 및 고습 조건에서도 안정적이며 난연성이 있습니다.위 소재의 성능을 비교 한 결과, 실리콘 고무는 우수한 물리적 및 기계적 특성, 긴 수명 및 저렴한 가격으로 인해 전기 승용차용 고전압 케이블의 절연 재료로 첫 번째 선택이되었습니다.최종 설계된 전기 승용차용 고전압 케이블의 구조는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 전기 승용차용 고전압 케이블의 구조

고전압 커넥터 설계

일반적으로 커넥터 (주로 그 안의 접점을 가리킴) 에는 사용 온도 제한이 있습니다.사용 온도가 지정된 한계를 초과하면 커넥터는 열 발생으로 인해 안전성이 떨어지고 고장나거나 손상될 수도 있습니다.커넥터의 사용 온도가 상승하는 데에는 크게 두 가지 이유가 있습니다.

a. 자동차 자체.자동차에서 온도가 가장 높은 영역은 엔진 주변입니다.예를 들어, 기존 자동차의 엔진 주변 온도는 125°C를 초과할 수 있습니다.
b. 커넥터 자체.커넥터는 사용 중에 열을 발생시킵니다.커넥터의 결합 접점 사이에는 접촉 저항이 있습니다.접촉 저항이 클수록 전력 손실이 커지고 접점의 온도가 높아지며 신뢰성이 낮아집니다.이와 관련하여 전기 승용차용 고전압 및 고전류 커넥터를 설계할 때는 특별한 주의를 기울여야 합니다.과도한 사용 온도로 인한 커넥터 내 절연 재료의 손상을 방지하고 절연 성능을 저하시키거나 소손 및 고장을 유발할 뿐만 아니라 접점이 가열 또는 접촉 영역에 절연막을 형성한 후 탄성 저하를 경험하여 접점 신뢰성이 감소하고 접촉 저항이 증가하며 결국 연결 접점 실패로 이어지는 사용 온도 상승을 방지하려면 다음이 필요합니다. 고전류를 합리적으로 설계하십시오.전기 승용차용 고전압 및 고전류 커넥터의 접점.

고전류 접점을 설계할 때 접점 형태의 선택에 따라 커넥터의 품질과 비용이 직접 결정됩니다.일반적으로 접점의 접촉 형태에는 그림 2와 같이 주로 플레이트 유형, 판 스프링 유형 및 와이어 스프링 유형의 세 가지 유형이 있습니다.

그림 2 세 가지 유형의 접점 구조

판형 접점의 소켓은 슬롯과 수축된 개구부가 있는 원통형 배럴입니다.소켓은 베릴륨 브론즈 와이어 (로드) 를 사용하여 가공됩니다.원료 가격이 상대적으로 높고 이후의 수축 과정을 제어하기가 어렵습니다.제품 품질의 일관성을 보장하기가 어렵고 비용이 많이 듭니다.
리프 스프링식 접점의 소켓은 크라운 스프링 홀입니다.소켓에는 하나 또는 두 개의 리프 스프링 코일이 있습니다.각 판 스프링 코일은 여러 개의 스프링 잎으로 구성되며 모든 스프링 잎은 안쪽으로 아치형으로 형성되어 탄성 스프링 코일을 형성합니다.소켓과 핀이 결합되면 각 스프링 리프가 핀과 접촉하여 압착력을 발생시켜 안정적인 다점 접촉을 보장합니다.리프 스프링 타입 소켓은 황동 선삭 부품과 크라운 스프링 스탬핑 부품으로 구성되어 제품 일관성이 우수하고 비용이 저렴합니다.Amphenol Corporation의 특허받은 RADSOK 소켓 구조 (그림 3 참조) 는 쌍곡선 크라운 스프링 기술을 채택하여 접촉면적을 65% 까지 늘릴 수 있습니다.표면에는 내마모성이 뛰어난 은도금 층이 있습니다.

그림 3 암페놀 코퍼레이션의 RADSOK 소켓 구조

와이어 스프링 타입 접점의 소켓은 와이어 스프링 홀입니다.와이어 스프링 구멍의 구조는 와이어 스프링 유형 소켓이 스프링 와이어로 구성된다는 점을 제외하면 리프 스프링 유형 소켓의 구조와 유사합니다.와이어 스프링 형 소켓은 성능이 우수하지만 공정이 복잡하고 비용도 높습니다.
전기 승용차용 고전압 및 고전류 커넥터는 위의 다양한 접점 형태의 접점을 비교한 결과 고전류 리프 스프링식 접점을 채택했습니다.한편, 접점 신뢰성과 전류 전달 용량을 향상시키고 고전류 접점의 기타 지수 요구 사항을 충족하기 위해 고전류 리프 스프링형 접점은 이중 리드가 있는 2단 리프 스프링형 소켓을 채택했습니다.마지막으로 고전류 접점의 접촉 저항 계산, 구조 설계 및 샘플의 설계 수정을 통해 고전류 접점을 성공적으로 설계했습니다.

고전압 저항 성능 설계

전기 승용차용 고전압 커넥터의 설계 요구 사항을 충족하려면 고전압 저항 성능을 보장하기 위해 구조 설계 및 재료 선택을 통해 고전압 커넥터의 각 부분이 충분한 유전 강도를 갖도록 해야 합니다.전기 승용차용 고전압 커넥터의 고전압 저항 성능 설계에는 주로 연면 거리, 인터페이스 에어 갭 및 절연 재료와 같은 측면이 포함됩니다.
연면 거리는 작동 전압이 너무 높을 때 순간적인 과전압으로 인해 전류가 절연체 사이의 틈을 따라 아크를 방출하여 장치 또는 작업자에게 손상을 입히는 상황을 말합니다.이 절연 간격은 연면 거리이고 아크가 지속되는 작동 전압에 따라 연면 거리가 결정됩니다.고전압 커넥터의 구조를 설계할 때는 연면 거리를 최대한 늘려야 합니다.커넥터의 유전체 내전압이 400V 이상이라는 점을 고려하여 신중한 계산 및 검증을 거쳐 커넥터의 연면 거리를 24mm 이상으로 설계하여 600V의 고전압 커넥터의 사용 요구 사항을 완전히 충족할 수 있습니다. 커넥터의 고전압 저항 성능을
향상시키려면 커넥터를 결합할 때 인터페이스를 에어 갭 없이 밀착시켜야 합니다.커넥터의 인터페이스에는 주로 플러그 커넥터의 결합 인터페이스, 소켓 커넥터 및 커넥터 접점과 와이어 사이의 연결 부품이 포함됩니다.커넥터가 파손되지 않도록 하려면 이러한 부품을 공기가 없는 매체로 채워야 합니다.인터페이스 에어 갭을 없애기 위해 고전압 커넥터 설계 시 다음과 같은 조치를 취했습니다.

a. 결합 계면에 부드러운 절연 재료를 사용하여 결합이 이루어지는 동안 에어 갭이 채워지도록 합니다.
b. 소켓 접점 외부의 절연체는 접점 외부의 틈을 메우기 위해 몰딩 형태로 되어 있습니다.
c. 플러그와 소켓의 결합 표면은 테이퍼 구조를 채택합니다.
d. 접점이 케이블에 연결되면 케이블 절연체의 일부가 커넥터 하우징의 절연체로 확장됩니다.

커넥터의 고전압 저항 성능을 향상시키기 위해 전기 승용차의 고전압 커넥터에는 절연 성능, 높은 항복 전압, 높은 절연 강도, 고온 및 고압에서의 안정성이 우수하고 아크 저항, 트래킹 저항 및 낮은 흡습성을 가진 PPA (폴리프탈아미드) 플라스틱이 선택됩니다.

전체 구조 설계

최종적으로 설계된 전기 승용차용 고전압 커넥터의 구조는 그림 4에 나와 있습니다.내부에서 외부로 이어지는 고전압 커넥터의 구조는 내부 도체, 절연층, 차폐층 및 외부 쉘이 순서대로 구성됩니다.

그림 4 전기 승용차용 고전압 커넥터의 구조

고전압 배선 하네스의 전체 설계

1. 차폐 성능 설계

설계된 고전압 배선 하네스가 안정적인 전기 연결의 기본 요구 사항을 충족하는 것 외에도 우수한 전자기 차폐 성능을 갖도록 고전압 배선 하네스의 차폐 성능 설계가 수행되었습니다.고전압 배선 하네스의 차폐 성능 설계에는 주로 고전압 케이블 자체의 차폐 성능 설계, 고전압 케이블과 고전압 커넥터 사이의 접합부에서의 차폐 성능 설계, 고전압 커넥터 자체의 차폐 성능 설계 및 고전압 커넥터의 결합 인터페이스에서의 차폐 성능 설계가 포함됩니다.고전압 케이블 자체의 차폐 성능을 향상시키기 위해 고전압 케이블은 차폐 구조를 채택합니다.케이블이 신호선과 전력선의 조합으로 구성된 경우에는 더 주의를 기울여야 합니다.고전압 케이블과 고전압 커넥터 사이의 접합부에서 차폐 성능을 향상시키기 위해 둘 사이의 접촉의 신뢰성을 보장하고 특히 고압 케이블과 고전압 커넥터의 내부 도체가 연결된 후 강한 진동 조건에서 연결이 느슨해지지 않도록 보장하고 케이블 브레이드가 차폐 층과 접촉하고 케이블 브레이드 사이의 접합부에 별도의 차폐 금속 브레이드를 추가합니다. 그리고 차폐 효과를 강화하는 커넥터.고전압 커넥터 자체의 차폐 성능을 향상시키기 위해 커넥터는 금속 하우징 설계를 채택합니다.고전압 커넥터의 결합 인터페이스에서 차폐 성능을 향상시키기 위해 플러그와 소켓 하우징 간의 안정적인 접촉을 보장하는 차폐 스프링 구조가 설계에 채택되었습니다.커넥터 헤드의 내부 도체는 외부 쉘 인터페이스보다 낮아 내부 도체가 손가락이나 기타 금속에 닿지 않도록 방지하여 특정 보호 역할을 하고 안전성을 높입니다.결합 후에는 소켓 커넥터와 플러그 커넥터의 차폐층이 확실하게 접촉하여 결합 표면이 외부로부터 보호됩니다.

2 기계적 보호 및 방진 및 방수 설계

전기 승용차용 고전압 케이블의 직경이 비교적 크고 특수한 배선 경로, 즉 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스가 차량 외부에 설치되기 때문에 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스에 대한 기계적 보호 및 방진 및 방수 설계가 필요합니다.고전압 와이어링 하네스의 기계적 보호 및 방진 및 방수 성능을 향상시키기 위해 플러그된 커넥터 사이와 커넥터가 케이블에 연결되는 위치에 실링 링과 같은 보호 조치를 채택하여 수증기와 먼지가 유입되는 것을 방지하여 커넥터의 밀폐 환경을 보장하고 접점 간의 단락 위험을 방지하며 수분 유입을 방지하여 스파크 발생과 같은 안전 문제를 방지합니다.

3 서비스 수명 설계

전기 승용차는 도로를 주행하며 고르지 않은 노면 및 차량 속도와 같은 요인의 영향을 받아 높은 진동이 발생하여 고전압 와이어링 하네스와 접촉 부품 및 기타 와이어링 하네스 사이의 마찰 및 마모뿐만 아니라 고전압 와이어링 하네스 자체의 피로 마모가 발생합니다.고전압 배선 하네스의 수명과 품질을 향상 시키려면 고전압 케이블과 고전압 커넥터 간의 연결을 강화하고 고전압 커넥터 간 연결에 잠금 구조를 채택하고 배선 방식을 최적화하고 고전압 배선 하네스에는 내마모성 재료를 선택하고 도체에는 피로 방지 구리 연선을 사용해야 합니다.또한 고전압 커넥터 간의 연결 링크는 고전압 배선 하네스 자체의 약점입니다.고전압 배선 하네스의 수명을 늘리고 동시에 고전압 전기 시스템의 사용 요구 사항을 충족하려면 고전압 커넥터의 삽입 및 추출 시간과 연결 품질을 보장해야 합니다.

4 전체 구조 설계

최종적으로 설계된 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 구조는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 구조

이 기사에서는 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 기능 및 응용 분야와 국내외의 연구 개발 상황을 간략하게 소개합니다.전기 승용차의 사용 특성, 요구 사항 및 환경을 시작으로 전기 승용차용 고전압 와이어링 하네스의 성능 요구 사항 및 설계 핵심 사항 (고전압 저항, 고전류 저항, 환경 저항, 차폐 성능, 안전 및 신뢰성 등) 을 분석하고 케이블의 주요 설계, 커넥터 및 접점의 주요 설계 방식을 각각 자세히 설명하고 와이어 링 하네스의 전체 구성을 제공합니다.마지막으로 개발된 샘플의 테스트 상황을 소개합니다.사용 요구 사항 및 테스트 결과를 통해 개발된 고전압 와이어링 하네스는 전기 승용차의 사용 요구 사항을 충족할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.전기 자동차 산업의 발전에 따라 고전압 와이어 링 하네스는 더욱 발전하고 더 높은 전압과 더 큰 전류를 견딜 수 있으며 다양한 차량 모델에 사용될 것입니다.한편 기능 측면에서도 테스트 용이성, 즉 와이어링 하네스의 전류, 온도 등의 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 등 더욱 완벽해질 것입니다.