電動客用車高壓線束設計與開發

高壓電纜設計

汽油發動機為傳統汽車提供動力。傳統汽車電纜的作用是傳輸控制信號，它們承受的電流和電壓非常小。因此，電纜直徑很小，結構只是一個帶有添加絕緣體的導體，這很簡單。然而，根據電動乘用車高壓電纜的使用要求，電動客車的高壓電纜主要發揮傳輸能量的作用，需要將電池從電池的能量傳遞到各種子系統。因此，電動乘用車設計的高壓線束必須符合高壓和高電流傳輸的要求。電動乘用車的高壓電纜承受相對較高的電壓（額定電壓高達 600 V）和大電流（額定電流高達 600 A），電磁輻射相對強。因此，電纜的直徑大大增加。同時，為避免電磁輻射對周圍電子設備造成的強大電磁干擾，影響其他電子設備的正常運行，電纜還設計了防電磁干擾屏蔽結構，即採用同軸結構。利用內導體和外導體（屏蔽）的結合作用，電纜內的磁場以同心圓形分佈，電場從內導體指向外導體並終止，使電纜外部的電磁場為零，即屏蔽電磁輻射，從而確保電動車的正常運行。

早期，汽車電纜的主要絕緣材料是 PVC（聚氯乙烯）。然而，PVC 含有鉛，對人類健康有害。近年來，它逐漸被 LSZH（低煙和無鹵素材料），TPE（熱塑性彈性體），XLPE（交聯聚乙烯）和矽橡膠等材料逐漸取代。由於電動乘用車用高壓電纜需要滿足高壓、大電流、抗電磁干擾以及耐磨性和阻燃性的要求，因此這些材料的性能比較如下：

a. LSZH 可分為兩個主要類別：PO（聚烯酯）和 EPR（乙烯丙橡膠）。其中，基於 PO 的電纜材料是主流。以 PO 為基 LSZH 阻燃電纜材料的配方含有大量 AI (OH) 3 和 Mg (OH) 2 無機阻燃劑，使電纜材料具有良好的阻燃性、低煙、無鹵、低毒性特性。然而，同時，它還使它們在物理和機械性能，電性性和擠出過程性質上與其他非阻燃材料和含有鹵素的阻燃材料不同。
b. TPE 是一種具有橡膠和熱塑性塑性塑料特性的聚合物材料。它在室溫下表現橡膠的高彈性，在高溫下可塑化和成型。但是，這種材料不耐磨，並且無法滿足電動乘用車高壓線束的使用要求。
c. XLPE 是通過照射和交聯的普通 PE（聚乙烯）材料，耐溫等級為 75°C，其耐溫等級可達到 150°C，具有優異的物理機械性能、耐過載、使用壽命長的特性，但不是阻燃性。
d. 矽橡膠具有高破損電壓，因此具有電弧性、追蹤阻力和耐臭氧性。它還具有良好的耐高低溫性，可承受高達 200°C 的溫度，具有良好的絕緣性能，在高溫高濕條件下穩定，並且具有阻燃性。經過比較上述材料的性能之後，矽橡膠因其良好的物理機械性能、使用壽命長、價格低廉，成為電動客車高壓電纜絕緣材料的首選。最終設計的電動客用車高壓電纜的結構如圖 1。

圖 1 電動客車高壓電纜的結構

高壓連接器設計

通常，連接器（主要是指其中的觸點）有使用溫度限制。一旦使用溫度超過指定的限制，連接器將因熱量產生而降低其安全性，甚至可能故障或損壞。連接器的使用溫度增加主要有兩個原因：

一、汽車本身。汽車溫度最高的區域是引擎周圍。例如，傳統汽車發動機周圍的溫度可以達到 125°C 以上。
b. 連接器本身。連接器在使用過程中會產生熱量。連接器中的配對接點之間存在接觸電阻。接觸電阻越大，功率損耗越大，觸點的溫度越高，可靠性越低。在這方面，在設計電動客用車的高壓和高電流連接器時，應特別注意。為避免接頭中的絕緣材料因使用溫度過高而損壞，降低其絕緣性能，甚至造成燃燒和故障，以及防止觸點在加熱或在接觸區形成絕緣膜後的彈性降低，降低接觸可靠性，增加接觸阻力，進一步加劇使用溫度的增加，從而導致惡性循環中的接觸故障，有必要合理設計高電流電動乘用車高壓和高電流連接器中的接點。

設計高電流觸點時，接觸形式的選擇將直接決定連接器的質量和成本。通常，接點的接觸形式主要包括三種類型：板型，葉彈簧型和線彈簧型，如圖 2 所示。

圖 2 三種接點類型的結構

板式接點的插座是帶有槽和收窄開口的圓柱筒管。插座使用丙烯酸銅線（棒）加工。原料的價格相對較高，後續的收縮過程難以控制。很難確保產品質量的一致性，成本高。
葉彈簧式接點的插座是一個冠彈簧孔。一個或兩個葉彈簧線圈放在插座中。每個葉彈簧線圈由多個彈簧葉組成，所有彈簧葉向內彎曲，形成彈性彈簧線圈。當插座和引腳配對時，每個彈簧葉與引腳接觸並產生壓力，以確保穩定的多點接觸。葉彈簧式插座由黃銅車削零件和冠彈簧沖壓部件組成，產品一致性好，成本低。安芬利公司的專利 RADSOK 插座結構（如圖 3 所示）採用超波形冠彈簧技術，可以增加接觸面積 65%。它的表面具有高耐磨鍍銀層。

圖 3 安芬洛公司 RADSOK 插座的結構

電線彈簧式接點的插座是一個線彈簧孔。線彈簧孔的結構與葉彈簧式插座的結構類似，除了電線彈簧式插座由彈簧線組成之外。雖然線彈簧式插座具有出色的性能，但其工藝複雜，成本也很高。
經過比較上述各種接觸形式的接點後，電動乘用車用高壓和高電流連接器採用高電流葉彈簧式接點。同時，為提高接觸可靠性和電流承載能力，並滿足高電流觸點的其他指數要求，高電流葉彈簧式接觸器採用雙排葉彈簧式插座。最後，通過高電流接點的接觸電阻的計算，結構設計和樣品的設計校正，成功設計了高電流接點。

高壓電阻性能設計

為了滿足電動客車高壓連接器的設計要求，有必要通過結構設計和材料選擇確保高壓連接器的每個部分都具有足夠的介電強度，以確保其高壓電阻性能。電動乘用車高壓連接器高壓電阻性能的設計主要包括爬行距離、介面空氣間隙、絕緣材料等各方面。
爬行距離是指當工作電壓過高時，瞬時過壓會導致電流沿絕緣間隙釋放弧形，損壞設備甚至操作員。此絕緣間隙是爬行距離，弧持續的工作電壓決定了爬行距離。設計高壓連接器的結構時，應盡可能增加爬行距離。考慮到連接器的介電阻電壓在 400 V 以上，經過仔細的計算和驗證後，接頭的爬行距離設計為 24 mm 以上，可以完全滿足 600 V
下高壓連接器的使用要求，為提高連接器的高壓電阻性能，當連接器配對時，應密切地安裝其界面，沒有空氣間隙。連接器的接口主要包括插頭連接器的配對接口，插座連接器，以及連接器接點和線材之間的連接部分。這些零件需要填充沒有空氣的介質，以可靠地確保連接器不損壞。為了消除介面空氣間隙的存在，在設計高壓連接器中採取以下措施：

a. 配接介面使用柔軟的絕緣材料，確保在配接位置時填滿空氣間隙。
b、插座接點外的絕緣體是成型的形式，填滿接點外的間隙。
c、插頭與插座的配對表面採用錐形結構。
d. 接點連接到電纜後，電纜絕緣的部分將延伸到連接器外殼的絕緣體中。

為了提高連接器的高壓電阻性能，為電動客車的高壓連接器選擇具有良好的絕緣性能、高故障電壓、絕緣強度高、高溫高壓下穩定性、電弧阻、追蹤阻、吸濕性低的 PPA（PP）塑料。

整體結構設計

最終設計的電動客用車高壓連接器的結構如圖 4。高壓連接器從內到外的結構是內導體、絕緣層、屏蔽層和外殼順序。

圖 4 電動客車高壓連接器的結構

高壓線束整體設計

1 屏蔽性能設計

為了使設計的高壓線束具有出色的電磁屏蔽性能，除了滿足可靠電氣連接的基本要求之外，還進行了高壓線束的屏蔽性能設計。高壓線束的屏蔽性能設計主要包括高壓電纜本身的屏蔽性能設計，高壓電纜與高壓連接器之間的屏蔽性能設計，高壓連接器本身的屏蔽性能設計，以及高壓連接器配對介面的屏蔽性能設計。為了提高電壓電纜本身的屏蔽性能，高壓電纜採用屏蔽結構。當電纜由信號線和電源線組成時，應更加注意這一點。為提高高壓電纜與高壓連接器之間的屏蔽性能，以確保兩者之間接觸的可靠性，尤其是確保高壓電纜內導體與高壓連接器連接後不會鬆散，電纜編織接觸屏蔽層，並在電纜編織與連接器之間的接頭加一個單獨的屏蔽金屬編織，以加強屏蔽效果。為了提高電壓連接器本身的屏蔽性能，連接器採用金屬外殼設計。為改善高壓連接器配接介面的屏蔽性能，設計中採用屏蔽彈簧結構，以確保插頭和插座外殼之間的可靠接觸。連接器頭部的內導體比外殼介面低，防止內導體接觸手指或其他金屬，發揮一定的保護作用，提高安全性。配接後，插座連接器和插頭連接器的屏蔽層可靠接觸，使配對表面免受外部保護。

2 機械保護和防塵設計

由於電動客車高壓電纜的直徑相對較大，需要特殊的佈線路線，也就是說，電動客車的高壓線束放置在車外，因此需要對電動客車的高壓線束進行機械保護和防塵防水設計。為改善高壓線束的機械保護和防塵性能，插頭連接器之間和連接器連接到電纜的位置採用密封環等保護措施，以防止水蒸和灰塵進入，從而確保連接器的密封環境，避免觸點之間短路風險，防止水分進入以避免發生火花等安全問題。

3 使用壽命的設計

電動乘用車在道路上行駛，會受到道路表面不均勻和車輛速度等因素影響，導致高壓線束與接觸部件和其他線束之間的摩擦和磨損，以及高壓線束本身的疲勞磨損。為提高高壓線束的使用壽命和質量，應加強高壓電纜與高壓連接器之間的連接，應採用鎖定結構進行高壓連接器之間的連接，應優化佈線方案，應選擇耐磨材料做為高壓線束，導體應使用防疲勞銅束線。此外，高壓連接器之間的連接連結是高壓線束本身的弱點。為了提高電壓線束的使用壽命，同時滿足高壓電氣系統的使用要求，有必要確保高壓連接器的插入抽取時間和連接質量。

4 整體結構設計

最終設計的電動客用車高壓線束的結構如圖 5。

圖 5 電動客車高壓線束結構

本文簡要介紹電動客車高壓線束的功能和應用，以及國內外的研發情況。從電動乘用車的使用特性、要求和環境開始，分析電動乘用車用高壓線束的性能要求和設計關鍵點（高電阻、高電流阻、環境阻、屏蔽性能、安全性和可靠性等），並分別詳細介紹電纜的主要設計、連接器及其接點的主要設計方案，並提供線束的整體方案。最後，它介紹了開發樣品的測試情況。從使用要求和測試結果，可以得出結論，研發的高壓線束可以滿足電動客車的使用要求。隨著電動汽車行業的發展，高壓線束一定會進一步發展，能夠承受更高的電壓和更大的電流，並將用於各種車型。同時，在功能方面，它們也將更完美，例如具有其可測試性，即可實時監控線束的電流，溫度等的變化。