Проектирование и разработка высоковольтных жгутов проводов для пассажирских электромобилей

Проектирование высоковольтных кабелей

Бензиновые двигатели используются в традиционных автомобилях. Роль кабелей в традиционных автомобилях заключается в передаче управляющих сигналов, при этом ток и напряжение, которые они выдерживают, очень малы. Следовательно, диаметр кабеля невелик, а конструкция представляет собой просто проводник с добавленной изоляцией, что довольно просто. Однако в соответствии с требованиями к использованию высоковольтных кабелей для легковых электромобилей высоковольтные кабели для электромобилей в основном играют роль передачи энергии и должны передавать энергию от батареи к различным подсистемам. Следовательно, спроектированные высоковольтные жгуты проводов для легковых электромобилей должны соответствовать требованиям передачи высокого напряжения и высокого тока. Высоковольтные кабели для легковых электромобилей выдерживают относительно высокие напряжения (номинальное напряжение до 600 В) и большие токи (номинальный ток до 600 А), а электромагнитное излучение относительно сильное. В результате диаметр кабелей значительно увеличивается. Между тем, чтобы избежать сильных электромагнитных помех, вызванных электромагнитным излучением окружающего электронного оборудования и влияющих на нормальную работу другого электронного оборудования, кабели также спроектированы с защитой от электромагнитных помех, то есть используется коаксиальная структура. При совместном воздействии внутреннего проводника и внешнего проводника (экранирование) магнитное поле внутри кабеля распределяется по концентрическим окружностям, а электрическое поле направлено от внутреннего проводника к внешнему проводнику и заканчивается на нем, делая электромагнитное поле за пределами кабеля нулевым, то есть экранируя электромагнитное излучение, обеспечивая тем самым нормальную работу электромобилей.

В первые дни основным изоляционным материалом для автомобильных кабелей был ПВХ (поливинилхлорид). Однако ПВХ содержит свинец, который вреден для здоровья человека. В последние годы его постепенно заменили такие материалы, как LSZH (материалы с низким содержанием дыма и галогенов), TPE (термопластичный эластомер), XLPE (сшитый полиэтилен) и силиконовый каучук. Поскольку высоковольтные кабели для электромобилей должны отвечать требованиям высокого напряжения, большого тока, защиты от электромагнитных помех, а также износостойкости и огнестойкости, характеристики этих материалов сравнивались следующим образом:

а. LSZH можно разделить на две основные категории: PO (полиолефин) и EPR (этиленпропиленовый каучук). Среди них кабельные материалы на основе полипропилена являются основными. В состав огнестойких кабельных материалов LSZH на основе полипропилена входит большое количество неорганических антипиренов AI (OH) 3 и Mg (OH) 2, которые придают кабельным материалам хорошую огнестойкость, низкий уровень дыма, отсутствие галогенов и низкую токсичность. Однако в то же время это также отличает их от других негорючих материалов и галогенсодержащих огнезащитных материалов с точки зрения физико-механических свойств, электрических свойств и свойств процесса экструзии.
b. TPE представляет собой полимерный материал, обладающий характеристиками резины и термопластичного пластика. Он обладает высокой эластичностью резины при комнатной температуре и может быть пластифицирован и формован при высоких температурах. Однако этот материал не является износостойким и не соответствует требованиям использования высоковольтных жгутов проводов для легковых электромобилей.
c. XLPE получают путем облучения и сшивания обычных полиэтиленовых материалов со степенью термостойкости 75 °C. Его класс термостойкости может достигать 150 °C, он обладает отличными физико-механическими свойствами, устойчивостью к перегрузкам и длительным сроком службы, но не является огнестойким.
d. Силиконовый каучук обладает высоким пробивным напряжением, поэтому он обладает дугостойкостью, устойчивостью к слежению и озоностойкостью. Он также обладает хорошей устойчивостью к высоким и низким температурам, выдерживает температуру до 200 °C, обладает хорошими изоляционными характеристиками, стабилен в условиях высоких температур и высокой влажности, а также является огнестойким. После сравнения характеристик вышеперечисленных материалов силиконовый каучук стал первым выбором в качестве изоляционного материала высоковольтных кабелей для легковых электромобилей благодаря своим хорошим физико-механическим свойствам, длительному сроку службы и низкой цене. Структура окончательно разработанного высоковольтного кабеля для легковых электромобилей показана на рисунке 1.

Рисунок 1 Структура высоковольтного кабеля для электромобилей

Конструкция высоковольтных разъемов

Обычно разъемы (в основном это касается содержащихся в них контактов) имеют ограничения по температуре использования. Как только рабочая температура превысит указанный предел, безопасность разъемов снизится из-за выделения тепла и даже может выйти из строя или повредиться. Повышение температуры использования разъемов обусловлено в основном двумя причинами:

а. Сам автомобиль. Область с самой высокой температурой в автомобиле находится вокруг двигателя. Например, температура вокруг двигателя традиционного автомобиля может превышать 125 °C.
b. Сам разъем. Во время использования коннектор будет выделять тепло. Между сопряженными контактами разъема существует контактное сопротивление. Чем больше контактное сопротивление, тем больше потери мощности, выше температура контактов и ниже надежность. В связи с этим особое внимание следует уделять при проектировании высоковольтных и сильноточных разъемов для электромобилей легковых автомобилей. Чтобы избежать повреждения изоляционных материалов в разъемах из-за чрезмерной температуры использования, снижения их изоляционных характеристик или даже выгорания и выхода из строя, а также предотвращения снижения эластичности контактов после нагрева или образования изоляционной пленки в зоне контакта, снижения надежности контактов, повышения контактного сопротивления и дальнейшего увеличения температуры использования, что в конечном итоге приведет к выходу из строя соединительных контактов в порочном круге, необходимо разумно спроектировать высокий ток контакты в высоковольтных и сильноточных разъемах для легковых электромобилей.

При проектировании сильноточных контактов выбор формы контакта напрямую определяет качество и стоимость разъема. Обычно контактные формы контактов в основном включают три типа: тип пластины, тип листовой пружины и тип проволочной пружины, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Структуры трех типов контактов

Гнездо пластинчатого контакта представляет собой цилиндрический цилиндр с прорезями и суженным отверстием. Розетка обработана проволокой (стержнем) из бериллиевой бронзы. Цена на сырье относительно высока, и последующий процесс сужения трудно контролировать. Трудно обеспечить постоянство качества продукции, а ее стоимость высока.
Гнездо контакта листового пружинного типа представляет собой отверстие в коронке пружины. В гнезде размещены одна или две витки листовой пружины. Каждый виток листовой пружины состоит из множества пружинных створок, и все пружинные листья выгнуты внутрь, образуя упругую пружинную катушку. При сопряжении гнезда и штифта каждая пружинная створка контактирует со штифтом и создает сжимающее усилие, обеспечивающее стабильный многоточечный контакт. Гнездо листового пружинного типа состоит из латунной токарной части и штампованной детали с корончатой пружиной, что обеспечивает хорошую консистенцию продукта и низкую стоимость. В запатентованной конструкции гнезда RADSOK (как показано на рисунке 3) корпорации Amphenol используется технология гиперболической корончатой пружины, которая позволяет увеличить площадь контакта на 65%. Его поверхность покрыта высокоизносостойким посеребренным слоем.

Рисунок 3 Структура разъема RADSOK корпорации Amphenol

Гнездо контакта пружинного типа представляет собой отверстие для проволочной пружины. Структура пружинного отверстия для проволоки аналогична конструкции гнезда с пластинчатой пружиной, за исключением того, что гнездо пружинного типа состоит из пружинных проволок. Хотя муфта с проволочной пружиной обладает отличными характеристиками, ее технологический процесс сложен, а стоимость также высока.
После сравнения контактов вышеуказанных различных форм контактов в высоковольтных и сильноточных разъемах для легковых электромобилей используется сильноточный контакт листовой пружины. Между тем, для повышения надежности контактов и пропускной способности по току, а также для удовлетворения других требований к индексам сильноточных контактов в сильноточных контактах с листовой пружиной используется двухступенчатая розетка типа листовой пружины с двойными язычками. Наконец, путем расчета контактного сопротивления сильноточного контакта, проектирования конструкции и корректировки конструкции образца был успешно спроектирован сильноточный контакт.

Расчет характеристик высоковольтного сопротивления

Чтобы соответствовать требованиям к конструкции высоковольтных разъемов для легковых электромобилей, необходимо обеспечить достаточную диэлектрическую прочность каждой части высоковольтного разъема путем проектирования конструкции и выбора материала для обеспечения его высоковольтного сопротивления. Конструкция характеристик сопротивления высоковольтным разъемам для электромобилей в основном включает такие аспекты, как расстояние утечки, воздушный зазор на интерфейсе и изоляционные материалы.
Под расстоянием утечки понимается ситуация, когда при слишком высоком рабочем напряжении мгновенное перенапряжение приводит к возникновению дуги в зазоре между изоляциями, что приводит к повреждению устройств или даже операторов. Этот изоляционный зазор представляет собой расстояние утечки, а рабочее напряжение, при котором длится дуга, определяет расстояние утечки. При проектировании конструкции высоковольтного разъема следует максимально увеличить расстояние утечки. Учитывая, что выдерживаемое диэлектрическое напряжение разъема превышает 400 В, после тщательного расчета и проверки расстояние утечки разъема должно составлять более 24 мм, что может полностью соответствовать требованиям использования высоковольтного разъема при 600 В.
Для улучшения характеристик высоковольтного сопротивления разъема при сопряжении разъема его интерфейс должен быть плотно прилегает без воздушных зазоров. Интерфейс разъема в основном включает в себя сопрягаемый интерфейс штекерного разъема, разъем разъема и соединительные детали между контактами разъема и проводами. Эти детали должны быть заполнены средой, не содержащей воздуха, чтобы надежно предотвратить поломку разъема. Для устранения межфазных воздушных зазоров при проектировании высоковольтных разъемов были приняты следующие меры:

а. На стыковочном интерфейсе используются мягкие изоляционные материалы, обеспечивающие заполнение воздушных зазоров во время сопряжения.
b. Изоляция за пределами контакта разъема выполнена в форме формовки для заполнения зазоров за пределами контакта.
c. Сопрягаемые поверхности штекера и разъема имеют коническую структуру.
d. После подключения контакта к кабелю часть изоляции кабеля переходит в изоляцию корпуса разъема.

Чтобы улучшить характеристики высоковольтного сопротивления разъема, для высоковольтного разъема легкового электромобиля выбран пластик PPA (полифталамид) с хорошими изоляционными характеристиками, высоким пробивным напряжением, высокой прочностью изоляции, хорошей стабильностью при высоких температурах и высоком давлении, дуговым сопротивлением, сопротивлением слежения и низкой гигроскопичностью.

Общее структурное проектирование

Структура окончательно разработанного высоковольтного разъема для электромобилей показана на рисунке 4. Структура высоковольтного разъема изнутри наружу представляет собой последовательно внутренний проводник, изоляционный слой, экранирующий слой и внешнюю оболочку.

Рисунок 4 Структура высоковольтного разъема для электромобилей

Общая конструкция высоковольтных жгутов проводов

1 Проектирование характеристик экранирования

Чтобы проектируемые высоковольтные жгуты проводов имели отличные характеристики электромагнитного экранирования, а также отвечали основным требованиям надежного электрического соединения, была разработана конструкция экранирующих характеристик высоковольтных жгутов проводов. Конструкция характеристик экранирования высоковольтных жгутов проводов в основном включает в себя конструкцию экранирующих характеристик самих высоковольтных кабелей, конструкцию характеристик экранирования на стыке высоковольтных кабелей и высоковольтных разъемов, конструкцию экранирующих характеристик самих высоковольтных разъемов и конструкцию характеристик экранирования на стыке высоковольтных разъемов. Для улучшения характеристик экранирования самих высоковольтных кабелей высоковольтные кабели имеют экранирующую структуру. Этому следует уделять больше внимания, если кабель состоит из комбинации сигнальных линий и линий электропередач. Чтобы улучшить характеристики экранирования на стыке высоковольтных кабелей и высоковольтных разъемов, при условии обеспечения надежности контакта между ними, особенно при предотвращении ослабления соединения в условиях сильной вибрации после соединения внутренних проводников высоковольтного кабеля и высоковольтного разъема, кабельная оплетка контактирует с экранирующим слоем, а на стыке кабельной оплетки и разъема добавляется отдельная экранирующая металлическая оплетка для усиления эффект экранирования. Чтобы улучшить характеристики экранирования самих высоковольтных разъемов, разъемы имеют металлический корпус. Для улучшения характеристик экранирования на стыковом интерфейсе высоковольтных разъемов в конструкции использована конструкция экранирующей пружины, обеспечивающая надежный контакт между корпусами штекера и розетки. Внутренний проводник в головке разъема расположен ниже, чем поверхность внешней оболочки, что предотвращает прикосновение внутреннего проводника к пальцам или другим металлам, что играет определенную защитную роль и повышает безопасность. После сопряжения экранирующие слои разъема и штекерного разъема надежно контактируют, в результате чего поверхность сопряжения экранируется снаружи.

2 Механическая защита и пыле- и водонепроницаемая конструкция

Поскольку диаметр высоковольтного кабеля для легковых электромобилей относительно велик и требует специальной трассы проводки, то есть высоковольтный жгут проводов для электромобилей прокладывается снаружи транспортного средства, необходимо обеспечить механическую защиту и пыле- и водонепроницаемость высоковольтного жгута проводов для легковых электромобилей. Для улучшения механической защиты и пыле- и водонепроницаемости высоковольтного жгута проводов применяются такие защитные меры, как уплотнительные кольца между подключенными разъемами и в местах соединения разъемов с кабелями, чтобы предотвратить попадание водяного пара и пыли, тем самым обеспечивая герметичную среду разъемов, избегая риска короткого замыкания между контактами и предотвращая попадание влаги во избежание проблем безопасности, таких как образование искр.

3 Расчет срока службы

Электрические пассажирские транспортные средства движутся по дороге, и на них будут влиять такие факторы, как неровное дорожное покрытие и скорость движения транспортных средств, что приводит к сильным вибрациям, которые вызывают трение и износ высоковольтного жгута проводов с контактирующими частями и другими жгутами проводов, а также усталостный износ самого высоковольтного жгута проводов. Чтобы продлить срок службы и качество высоковольтного жгута проводов, следует усилить соединение между высоковольтным кабелем и высоковольтным разъемом, использовать замковую конструкцию для соединения между высоковольтными разъемами, оптимизировать схему проводки, выбрать износостойкие материалы для высоковольтного жгута проводов, а для проводников следует использовать противоусталостные медные многожильные провода. Кроме того, соединительное звено между высоковольтными разъемами является слабым местом самого высоковольтного жгута проводов. Чтобы продлить срок службы высоковольтного жгута проводов и одновременно удовлетворить требования к использованию высоковольтной электрической системы, необходимо обеспечить время установки и извлечения, а также качество соединения высоковольтных разъемов.

4 Общее структурное проектирование

Структура окончательно разработанного высоковольтного жгута проводов для электромобилей показана на рисунке 5.

Рисунок 5 Структура высоковольтного жгута проводов для пассажирских электромобилей

В этой статье кратко описываются функции и применение высоковольтных жгутов проводов для легковых электромобилей, а также исследования и разработки в стране и за рубежом. Исходя из характеристик использования, требований и условий эксплуатации легковых электромобилей, анализируются требования к эксплуатационным характеристикам и ключевые моменты конструкции (высокое сопротивление напряжению, высокое сопротивление току, устойчивость к окружающей среде, характеристики экранирования, безопасность и надежность и т. д.) высоковольтных жгутов проводов для легковых электромобилей, а также подробно описывается основная конструкция кабелей, основные конструктивные схемы разъемов и их контактов соответственно, а также приводится общая схема жгута проводов. Наконец, в нем представлена тестовая ситуация разработанных образцов. Исходя из требований к использованию и результатов испытаний, можно сделать вывод, что разработанный высоковольтный жгут проводов может соответствовать требованиям использования электромобилей для легковых автомобилей. С развитием индустрии электромобилей высоковольтные жгуты проводов, несомненно, будут развиваться и дальше, смогут выдерживать более высокие напряжения и большие токи и будут использоваться в различных моделях транспортных средств. Между тем, с точки зрения функций они также будут более совершенными, например, благодаря их тестируемости, то есть возможности отслеживать изменения тока, температуры и т. д. жгута проводов в режиме реального времени.