电动乘用车高压线束的设计和开发

高压电缆的设计

汽油发动机为传统汽车提供动力。电缆在传统汽车中的作用是传输控制信号，它们承受的电流和电压非常小。因此，电缆直径小，结构只是一个添加了绝缘层的导体，非常简单。但是，根据电动乘用车高压电缆的使用要求，电动乘用车的高压电缆主要起着传输能量的作用，需要将来自电池的能量传递到各个子系统。因此，为电动乘用车设计的高压线束必须满足高压和大电流传输的要求。电动乘用车的高压电缆承受相对较高的电压（额定电压高达600 V）和较大的电流（额定电流可达600 A），并且电磁辐射相对较强。结果，电缆的直径显著增加。同时，为避免电磁辐射对周围电子设备造成的强烈电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行，电缆还设计了抗电磁干扰屏蔽结构，即采用同轴结构。利用内导体和外导体（屏蔽）的组合作用，电缆内部的磁场分布在同心圆中，电场从内部导体指向外导体并终止于外导体，使电缆外部的电磁场为零，即屏蔽电磁辐射，从而确保电动汽车的正常运行。

在早期，汽车电缆的主要绝缘材料是聚氯乙烯（聚氯乙烯）。但是，聚氯乙烯含有铅，对人体健康有害。近年来，它已逐渐被低烟无卤材料（低烟无卤材料）、TPE（热塑性弹性体）、XLPE（交联聚乙烯）和硅橡胶等材料所取代。由于电动乘用车的高压电缆需要满足高压、大电流、抗电磁干扰以及耐磨性和阻燃性的要求，因此对这些材料的性能进行了如下比较：

a. 低烟无卤可分为两大类：PO（聚烯烃）和EPR（乙烯-丙烯橡胶）。其中，PO基电缆材料是主流。PO基低烟无卤阻燃电缆材料的配方中含有大量的AI（OH）3和Mg（OH）2无机阻燃剂，赋予了电缆材料良好的阻燃性、低烟、无卤素和低毒的特性。但是，与此同时，它也使它们在物理和机械性能、电气性能和挤出工艺特性方面与其他非阻燃材料和含卤素的阻燃材料不同。
b. 热塑性弹性体是一种具有橡胶和热塑性塑料特性的聚合物材料。它在室温下表现出橡胶的高弹性，可以在高温下进行塑化和成型。但是，这种材料不耐磨，不能满足电动乘用车高压线束的使用要求。
c. XLPE 是通过对耐温等级为 75 °C 的普通聚乙烯（聚乙烯）材料进行辐照和交联而获得的，其耐温等级可以达到 150 °C，具有优异的物理机械性能、抗过载性能和长使用寿命的特性，但它不具有阻燃性。
d、硅橡胶具有很高的击穿电压，因此具有电弧性、耐跟踪性和耐臭氧性。它还具有良好的耐高温和低温性，可承受高达200°C的温度，具有良好的绝缘性能，在高温和高湿度条件下保持稳定，并且具有阻燃性。通过比较上述材料的性能，硅橡胶由于其良好的物理机械性能、较长的使用寿命和低廉的价格，已成为电动乘用车高压电缆绝缘材料的首选。最终设计的电动乘用车高压电缆的结构如图 1 所示。

图 1 电动乘用车用高压电缆的结构

高压连接器的设计

通常，连接器（主要指其中的触点）有使用温度限制。一旦使用温度超过规定的极限，连接器将因发热而降低其安全性，甚至可能失效或损坏。连接器使用温度升高主要有两个原因：

a. 汽车本身。汽车中温度最高的区域位于发动机周围。例如，传统汽车发动机周围的温度可以达到 125 °C 以上。
b. 连接器本身。连接器在使用过程中会产生热量。连接器中配对的触点之间存在接触电阻。接触电阻越大，功率损耗越大，触点温度越高，可靠性越低。在这方面，在设计电动乘用车的高压和大电流连接器时应特别注意。为了避免因使用温度过高而损坏连接器中的绝缘材料，降低其绝缘性能，甚至导致烧坏和故障，以及防止触点在接触区域受热或形成绝缘膜后弹性下降，降低触点可靠性，增加接触电阻，进一步加剧使用温度的升高，最终导致连接触点失效的恶性循环，必须合理设计大电流电动乘用车的高压和大电流连接器中的触点。

在设计大电流触点时，接触形式的选择将直接决定连接器的质量和成本。通常，触点的接触形式主要包括三种类型：板型、板弹簧型和钢丝弹簧型，如图 2 所示。

图 2 三种触点的结构

板式触点的插座是带有槽和收缩开口的圆柱形枪管。插座使用铍青铜线（棒）加工。原材料的价格相对较高，随后的收缩过程难以控制。很难确保产品质量的一致性，而且成本很高。
叶片弹簧式触点的插座是冠形弹簧孔。插座中放置了一个或两个钢板弹簧线圈。每个钢板弹簧线圈由多个弹簧片组成，所有弹簧叶向内拱起，形成弹性弹簧线圈。当插座和引脚配对时，每个弹簧片都会与引脚接触并产生挤压力，以确保稳定的多点接触。叶片弹簧式套筒由黄铜车削零件和冠弹簧冲压件组成，产品一致性好，成本低廉。安费诺公司获得专利的 RADSOK 插座结构（如图 3 所示）采用双曲冠弹簧技术，可将接触面积增加 65%。它的表面有一层高耐磨的镀银层。

图 3 安费诺公司 RADSOK 插座的结构

钢丝弹簧式触点的插座是钢丝弹簧孔。钢丝弹簧孔的结构与叶片弹簧式插座相似，不同之处在于钢丝弹簧式插座由弹簧线组成。尽管钢丝弹簧式插座具有优异的性能，但其工艺复杂，成本也很高。
在比较了上述各种接触形式的触点后，电动乘用车的高压和大电流连接器采用了大电流板簧式触点。同时，为了提高触点可靠性和载流能力，满足大电流触点的其他指标要求，大电流板簧式触点采用了带有双簧片的两级板簧式插座。最后，通过计算大电流触点的接触电阻、结构的设计以及样品的设计校正，成功地设计了大电流接点。

高压电阻性能的设计

为了满足电动乘用车高压连接器的设计要求，必须通过结构设计和材料选择来确保高压连接器的每个部分都具有足够的介电强度，从而确保其耐高压性能。电动乘用车用高压连接器耐高压性能的设计主要包括漏电距离、接口气隙和绝缘材料等方面。
漏电距离是指当工作电压过高时，瞬时过压将导致电流沿绝缘体间隙释放出电弧，从而损坏设备甚至操作员的情况。该绝缘间隙是漏电距离，电弧持续的工作电压决定了漏电距离。在设计高压连接器的结构时，应尽可能增加漏电距离。考虑到连接器的介电耐压在 400 V 以上，经过仔细计算和验证，连接器的漏电距离设计为 24 mm 以上，完全可以满足 600 V 高压连接器的使用要求。
为了提高连接器的耐高压性能，连接器配对时，其接口应紧密贴合，无气隙。连接器的接口主要包括插头连接器的配接接口、插座连接器，以及连接器触点和电线之间的连接部分。这些部件需要用没有空气的介质填充，以可靠地确保连接器不会损坏。为了消除接口气隙的存在，在高压连接器的设计中采取了以下措施：

a. 在配接接口处使用软质绝缘材料，以确保在配接到位时填充气隙。
b、插座触点外部的绝缘层采用成型形式，以填补触点外部的间隙。
c、插头和插座的配合面采用锥形结构。
d、触点连接到电缆后，部分电缆绝缘层延伸到连接器外壳的绝缘层中。

为了提高连接器的耐高压性能，选择了具有良好的绝缘性能、高击穿电压、高绝缘强度、在高温高压下稳定性好、耐电弧、耐痕性、低吸湿性的PPA（聚苯二甲酰胺）塑料作为电动乘用车的高压连接器。

整体结构设计

最终设计的电动乘用车高压连接器的结构如图 4 所示。高压连接器从内到外的结构依次是内部导体、绝缘层、屏蔽层和外壳。

图 4 电动乘用车高压连接器的结构

高压线束的总体设计

1 屏蔽性能设计

为了使设计的高压线束除了满足可靠电气连接的基本要求外，还具有优异的电磁屏蔽性能，进行了高压线束的屏蔽性能设计。高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆本身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接器接头处的屏蔽性能设计、高压连接器本身的屏蔽性能设计以及高压连接器配接界面的屏蔽性能设计。为了提高高压电缆本身的屏蔽性能，高压电缆采用了屏蔽结构。当电缆由信号线和电力线组合在一起时，应更加注意这一点。为了提高高压电缆和高压连接器之间接头处的屏蔽性能，在确保两者接触可靠性的前提下，特别是在高压电缆的内部导体与高压连接器连接后，在强振动条件下连接不会松动，电缆编织层接触屏蔽层，并在电缆编织层和连接器的接头处添加单独的屏蔽金属编织层以加强屏蔽效果。为了提高高压连接器本身的屏蔽性能，连接器采用了金属外壳设计。为了提高高压连接器配接界面的屏蔽性能，在设计中采用了屏蔽弹簧结构，以确保插头和插座外壳之间的可靠接触。连接器头部的内部导体低于外壳的接口，以防止内部导体接触手指或其他金属，起到一定的保护作用，提高安全性。配合后，插座连接器的屏蔽层与插头连接器的屏蔽层保持可靠的接触，从而使配接表面与外部隔离开来。

2 机械保护和防尘防水设计

由于电动乘用车用高压电缆的直径相对较大，需要特殊的布线路线，即电动乘用车的高压线束布置在车辆外部，因此有必要对电动乘用车的高压线束进行机械保护和防尘防水设计。为了改善高压线束的机械保护以及防尘和防水性能，在插拔的连接器之间以及连接器与电缆的连接位置采用了密封圈等保护措施，以防止水蒸气和灰尘进入，从而确保连接器的密封环境，避免触点之间短路的风险，并防止湿气进入以避免火花产生等安全问题。

3 使用寿命的设计

电动乘用车在道路上行驶，将受到不平坦路面和车速等因素的影响，从而产生高振动，这将导致高压线束与接触部件和其他线束之间的摩擦和磨损，以及高压线束本身的疲劳磨损。为提高高压线束的使用寿命和质量，应加强高压电缆与高压连接器之间的连接，对高压连接器之间的连接应采用锁定结构，优化接线方案，为高压线束选择耐磨材料，导体应使用抗疲劳的铜绞线。此外，高压连接器之间的连接链路是高压线束本身的弱点。为了提高高压线束的使用寿命，同时满足高压电气系统的使用要求，必须确保高压连接器的插拔时间和连接质量。

4 总体结构设计

最终设计的电动乘用车高压线束的结构如图 5 所示。

图 5 电动乘用车高压线束的结构

本文简要介绍了电动乘用车高压线束的功能和应用以及国内外研发情况。从电动乘用车的使用特点、要求和环境出发，分析了电动乘用车高压线束的性能要求和设计要点（耐高压、耐大电流、耐环境、屏蔽性能、安全性和可靠性等），分别阐述了电缆的主要设计、连接器及其触点的主要设计方案，并给出了线束的总体方案。最后，它介绍了开发样品的测试情况。从使用要求和测试结果可以得出结论，所开发的高压线束可以满足电动乘用车的使用要求。随着电动汽车行业的发展，高压线束必将进一步发展，能够承受更高的电压和更大的电流，并将用于各种车辆模型。同时，在功能方面，它们也将更加完美，例如具有可测试性，即能够实时监控线束的电流，温度等的变化。