淺談純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)級(jí)高壓線束開(kāi)發(fā)

劉洋，劉丹，婁鋒

（1.華晨汽車(chē)工程研究院新能源工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141；2.沈陽(yáng)燃?xì)饧夹g(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

前言

對(duì)于國(guó)家發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的相關(guān)政策，主要規(guī)劃的內(nèi)容為新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展將以純電驅(qū)動(dòng)為新能源汽車(chē)發(fā)展和汽車(chē)工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，當(dāng)前重點(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化，而電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)也獲得了前所未有的發(fā)展和機(jī)遇。高壓線束作為關(guān)鍵零部件也得以迅速的發(fā)展。高壓線束（高壓線纜和高壓接口）是高壓電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零組件，并為電動(dòng)汽車(chē)的可靠運(yùn)行和安全提供了保證。

整車(chē)高壓線束的主要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案涉及到線纜整車(chē)布局、線纜線徑選型、高壓連接器選型、充電線纜及接口類(lèi)型及應(yīng)用、線纜固定及防護(hù)設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、高壓安全（HVIL）設(shè)計(jì)等。

1 整車(chē)布置

圖1為純電動(dòng)汽車(chē)高壓部件布局圖。通過(guò)純電動(dòng)汽車(chē)高壓部件的布局位置來(lái)合理布置電池到PDU、電機(jī)控制器到電機(jī)、交直流充電等各個(gè)高壓部件之間的高壓連接線束。

高壓線束如需要通過(guò)銳邊或過(guò)孔時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)或方式，在前期對(duì)于整車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)線束的布置時(shí)需要盡量避開(kāi)熱源振動(dòng)源不然與之要保持足夠的距離。

高壓線束均具有較大的外徑和重量，為避免應(yīng)力的集中，線纜最小彎曲半徑一般要大于該線徑直徑的5倍，要合理分布載荷，需要增加支撐固定裝置，線束直線布置固定點(diǎn)間距≤300mm，過(guò)彎布置固定點(diǎn)分別在弧線的兩個(gè)端點(diǎn)固定，固定點(diǎn)與連接器間距≤150mm，才得以承受線束的重量和振動(dòng)載荷。固定裝置必須采用汽車(chē)級(jí)扎帶和絕緣支架等。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)高壓部件布局圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)線束需要考慮部件運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)的影響，要對(duì)線束的尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，既要滿足長(zhǎng)度分布的應(yīng)力，也要避免過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的線束堆積。對(duì)于線束運(yùn)動(dòng)要增加膠圈緩沖和導(dǎo)向槽的固定結(jié)構(gòu)，避免線束與其它零組件剮蹭，導(dǎo)致線束損傷。

線束布置過(guò)程中要考慮 EMC電磁干擾因素，采用屏蔽高壓線纜，避免高頻噪聲發(fā)射，高低壓線纜必須分開(kāi)排布，避免線束相互交叉重疊造成相互干擾。

考慮線束布置的美觀性，走向需與依附件方向一致，避免斜方向，對(duì)于發(fā)艙內(nèi)線束盡量在結(jié)構(gòu)件或零組件的下方或內(nèi)側(cè)走線，整車(chē)底部外露高壓線束應(yīng)采用護(hù)管、護(hù)板進(jìn)行遮蔽防護(hù)。

考慮安裝與維護(hù)，對(duì)于同一部位的接插件為防止錯(cuò)插應(yīng)選用不同的規(guī)格和定位方式的接插件，接插件末端需要留有一定量的余量以便插拔。

考慮高壓安全性，此高壓電已超出人體安全電壓，車(chē)身不能像低壓系統(tǒng)一樣的搭鐵方式，必須采用雙軌制。

2 線纜選型

2.1 電纜線徑

依據(jù)整車(chē)各個(gè)高壓電氣元件布局圖分清主回路和支路，確定高壓線束所連接的高壓部件的負(fù)責(zé)特性。特性包括工作電壓、額定功率、峰值功率、額定電流、峰值電流、持續(xù)時(shí)間等。

工作溫度及環(huán)境溫度的對(duì)于電纜線徑也是有影響的，由于高電流傳輸會(huì)導(dǎo)致高功耗和相關(guān)組件的提高溫升，從而高壓電纜設(shè)計(jì)必須要能夠承受較高的溫度。如果線纜的布置環(huán)境超過(guò)了電纜允許的工作溫度，則必須選擇較大截面積的電纜。對(duì)于 Tmax達(dá)到 180℃時(shí)，導(dǎo)體截面積需升一擋使用，Tmax達(dá)到250℃時(shí)，導(dǎo)體截面積需升二擋使用。

2.2 線纜結(jié)構(gòu)

高壓線纜從類(lèi)型上分為單芯電纜和多芯電纜，高壓電纜截面為圓形，護(hù)套顏色為橙色。多芯電纜是由多個(gè)單芯線組成，單芯線必須同時(shí)滿足單芯電纜的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并如多芯電纜內(nèi)有用于信號(hào)傳輸請(qǐng)采用單獨(dú)屏蔽，保證信號(hào)不丟失。導(dǎo)線主要采用多芯軟銅絞線，以滿足導(dǎo)線的內(nèi)阻和柔軟彎曲度的技術(shù)要求，絕緣層必須要耐高低溫耐阻燃，多為復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)于 EMC的防護(hù)，采用帶屏蔽層的高壓電纜采用裸銅或鍍銅線編織在內(nèi)護(hù)套層上，其編織密度≥90%。

3 高壓連接器選型

3.1 高壓連接器

電性能方面；需要考慮額定工作電壓、額定工作電流、絕緣電阻、耐壓等級(jí)、屏蔽和互鎖等相關(guān)電性能參數(shù)。

環(huán)境性能方面；需要考慮工作溫度、環(huán)境溫度、鹽霧等級(jí)、阻燃等級(jí)、耐溶液試劑以及禁用物質(zhì)等方面的要求。根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求還會(huì)有其他方面的要求。

機(jī)械性能方面；根據(jù)不同的工況來(lái)測(cè)試耐振動(dòng)以及相應(yīng)的機(jī)械壽命。

安全性能方面；采用高壓互鎖，高壓互鎖分為內(nèi)置式和外置式，因內(nèi)置式布局緊湊體積小，電動(dòng)汽車(chē)上均采用內(nèi)置式，并通過(guò)VMS或BMS等控制器檢測(cè)高壓互鎖，要求高壓連接器分開(kāi)后，帶電部分能夠在1S內(nèi)降低到60Vd.c和30Va.c以下。才能保證人身安全。

3.2 維修開(kāi)關(guān)

MSD即手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)是保證純電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣安全的關(guān)鍵部件，是能夠在關(guān)鍵時(shí)刻實(shí)現(xiàn)高壓系統(tǒng)電氣隔離的執(zhí)行部件，能夠?qū)⒎謹(jǐn)嘌b置和熔斷器兩者高度整合，在內(nèi)部配置合適的熔斷器同時(shí)也可以起到電路過(guò)流和短路保護(hù)的保護(hù)，合理的設(shè)計(jì)和操作維修開(kāi)關(guān)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的電氣安全起到至關(guān)重要的作用。

3.3 充電接口

充電接口目前分為兩種，交流充電接口和直流充電接口，而交流接口是將交流電網(wǎng)電源通過(guò)纜上控制與保護(hù)裝置接入到車(chē)載充電機(jī)。直流接口是將帶控制引導(dǎo)功能的直流供電設(shè)備直接接入到電動(dòng)汽車(chē)電池上。交流接口額定電壓 250Va.c或 440Va.c，額定電流電流不超過(guò) 63A，直流接口額定電壓750Vd.c或1000Vd.c，額定電流不超過(guò)250A，根據(jù)整車(chē)布置要求來(lái)確定充電接口的額定電壓電流值，交直流充電接口其他相關(guān)電氣特性等參數(shù)必須滿足國(guó)標(biāo) GBT20234.2-2015和GBT20234.3-2015的要求。

4 線束固定及防護(hù)

4.1 線束固定

線束固定方式多種多樣，依據(jù)整車(chē)各個(gè)高壓器件的布置情況，合理選用線束或接插件的固定方式，目前常用的緊固定方式包括、一體式固定扎帶附楔形固定頭、一體式固定扎帶附杉樹(shù)形固定頭等適用于圓孔方式固定；一體式焊接螺柱固定扎帶、帶焊接螺柱固定件隔離式雙夾頭扎帶等適用于焊接螺柱固定；固定扎帶和管夾類(lèi)卡扣組件等適用于與管道、軟管及線束等固定；板材邊緣卡扣等適用于厚度不超過(guò)3mm的金屬或朔料邊緣固定；重型固定器適用于線徑≥35mm2；電纜導(dǎo)管支座適用于將電纜從框架軌道上抬升使電纜與車(chē)身突出部件分離防止電纜磨損；連接器卡扣適用于固定高壓連接器；波紋管卡扣適用于快速固定波紋管。

4.2 線束防護(hù)

波紋管防護(hù)；采用閉口式波紋管其特點(diǎn)具有耐磨、阻燃、耐熱等特點(diǎn)，波紋管的耐溫范圍在-40～150℃，短時(shí)間還能達(dá)到200℃，而市面上常見(jiàn)材質(zhì)有PA（尼龍）、PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯），分別在阻燃、耐磨性和抗彎曲疲勞性方面各有優(yōu)勢(shì)，波紋管顏色必須采用橙色，用于區(qū)分整車(chē)低壓線束，并采用橡膠護(hù)套塑封或PVC膠帶纏繞與線纜固定密封。

護(hù)管防護(hù)；對(duì)于在狹小空間或特殊部位布置的線束，需采用專(zhuān)用的電線束護(hù)管進(jìn)行遮擋與防護(hù)。一般護(hù)管都具有化學(xué)性能穩(wěn)定，不老化，耐腐蝕力強(qiáng)等特點(diǎn)。

護(hù)板防護(hù)；對(duì)于布置在底盤(pán)部分的高壓線束（電池總正總負(fù)）保護(hù)方式，設(shè)計(jì)護(hù)板時(shí)要考慮防水、防泥沙飛濺、防剮蹭等因素。護(hù)板多數(shù)采用ABS+PC具有高抗沖、高耐熱、低溫時(shí)具備高沖擊強(qiáng)度、耐燃性。

護(hù)套防護(hù)；對(duì)于易損傷易沖擊的部位可以采用自卷式護(hù)套，其特點(diǎn)是耐高溫、防沖擊、防切割、輕巧以及易于安裝。

膠帶防護(hù)；對(duì)于線束來(lái)說(shuō)膠帶用處非常的廣，常用于保護(hù)、捆扎、絕緣、阻燃、標(biāo)記等作用，高壓線束均采用阻燃性較好的PVC膠帶，耐溫能夠達(dá)到80℃。

5 屏蔽EMC設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，反復(fù)變化的電器負(fù)荷與系統(tǒng)中大量采用的變頻技術(shù)，造成線纜電壓、電流的劇烈波動(dòng)，并產(chǎn)生了較大的 EMC電磁干擾，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)本身及周?chē)h(huán)境的電子電氣產(chǎn)品設(shè)備造成影響，故線束在設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮對(duì)防護(hù)電磁干擾的屏蔽設(shè)計(jì)，以滿足整車(chē)對(duì)電磁兼容性的要求。

純電動(dòng)汽車(chē)在整車(chē)線束中包括高壓線束也包括低壓線束，對(duì)于從 EMC屏蔽的角度設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，選用屏蔽線纜時(shí)，不僅要考慮其屏蔽性能，屏蔽網(wǎng)密度，還要考慮機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境的影響等特性，當(dāng)整個(gè)電纜受到過(guò)多的機(jī)械、天氣和潮濕的影響時(shí)，連接處的屏蔽會(huì)收到最嚴(yán)重的影響。高壓連接器也要選著金屬連接器或選著帶屏蔽功能的朔料連接器。

高壓線束每個(gè)接口均采用屏蔽處理，前后電機(jī)接口處為屏蔽卡環(huán)與電氣盒導(dǎo)軌壓接，控制器及電池箱接插件采用有屏蔽功能的結(jié)構(gòu)件。目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有關(guān)于此方面的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)廠家在相關(guān)的高壓零組件包括設(shè)備和線束均增加磁環(huán)。

磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導(dǎo)磁體，磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾元件，對(duì)于高頻噪聲有很好的抑制作用。磁環(huán)在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時(shí)阻抗很小，當(dāng)信號(hào)頻率升高磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高。那么在磁環(huán)作用下，對(duì)于高壓系統(tǒng)的高壓線束，磁環(huán)盡量靠近電機(jī)、控制器高壓線束的進(jìn)出口。能很好的抑制高頻干擾信號(hào)的通過(guò)。

6 高壓安全HVIL

High Voltage Interlock Loop即HVIL（高壓互鎖回路）是通過(guò)使用低壓電信號(hào)，來(lái)檢查整個(gè)高壓模塊、導(dǎo)線及連接器的電氣完整性情況。

當(dāng)互鎖發(fā)生故障后，必須保證整車(chē)高壓系統(tǒng)下電且在故障排除前高壓系統(tǒng)不能上電，同時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的警示信號(hào)。

帶有高壓模塊充高壓回路斷開(kāi)的時(shí)候，防止由于高壓回路存在的容性負(fù)載，（必須在規(guī)定時(shí)間里直流電壓應(yīng)降到不超過(guò)60Vd.c，或B級(jí)電路存儲(chǔ)總能量小于0.2J），導(dǎo)致人員接觸帶電部件而發(fā)生觸電事故。

帶有高壓模塊充高壓回路斷開(kāi)的時(shí)候，防止高壓線纜帶電、整車(chē)意外上電導(dǎo)致人員接觸帶電部件而發(fā)生觸電事故。

使用過(guò)程中，防止由于人為操作問(wèn)題、車(chē)輛顛簸、產(chǎn)品老化、線路磨損等帶來(lái)的局部發(fā)熱和拉弧導(dǎo)致產(chǎn)品性能急劇下降、起火事故、保證車(chē)輛和人身安全。

7 高壓安全HVIL

7.1 開(kāi)發(fā)過(guò)程

高壓線束的開(kāi)發(fā)要與整車(chē)開(kāi)發(fā)流程相輔相成，圖2為線束開(kāi)發(fā)流程圖。

圖2 線束開(kāi)發(fā)流程圖

7.2 生產(chǎn)過(guò)程

生產(chǎn)過(guò)程要求；依據(jù)圖紙要求進(jìn)行裁線要求切口整齊不能有毛刺，尺寸上要考慮公差——穿入絕緣護(hù)套（波紋管、護(hù)管、雙壁熱縮管）——?jiǎng)兤ね庥^整齊，尺寸嚴(yán)格按照連接器插針要求——端子壓接壓接質(zhì)量受力均勻，不能有壓破漏銅現(xiàn)象——組裝依據(jù)圖紙要求的接口定義——運(yùn)用萬(wàn)用表進(jìn)行導(dǎo)通檢測(cè)——尺寸檢驗(yàn)——外觀檢查——包裝入庫(kù)。

8 發(fā)展趨勢(shì)

8.1 技術(shù)進(jìn)步

高壓線束技術(shù)的發(fā)展還體現(xiàn)在線束加工工藝上，涉及到電池包電壓采集和溫度采集的線束對(duì)壓接工藝要求很高，高壓線束在大線徑部分由于端子材料限制，必須要使用液壓設(shè)備，不能用傳統(tǒng)沖壓工藝。在加工有防水要求的部分時(shí)必須采用新設(shè)備。

而對(duì)于未來(lái)更高電壓電流平臺(tái)車(chē)型，由于大電流會(huì)使其電纜迅速增加發(fā)熱量，而增加線纜線徑會(huì)導(dǎo)致安裝使用布局都很困難，從而要考慮對(duì)于線纜熱管理方面的未來(lái)技術(shù)發(fā)展，而是否要采取高壓線束的冷卻方式，還需要實(shí)際數(shù)據(jù)或樣車(chē)驗(yàn)證來(lái)解決。

8.2 輕量化

為了降低油耗和減輕整車(chē)重量，整車(chē)上數(shù)量繁多的線束成為企業(yè)輕量化的重點(diǎn)目標(biāo)。當(dāng)前汽車(chē)線束使用的材料以銅為主，為節(jié)省純電動(dòng)汽車(chē)高壓線束用銅量，未來(lái)趨勢(shì)是采用比銅芯線輕40%的鋁芯線或采用銅包鋁芯線，這樣不僅僅能夠大幅度的降低成本也能夠降低重量，提高提升性價(jià)比。雖然鋁芯線所占用的空間比銅芯線要大，但可以通過(guò)對(duì)在整車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中調(diào)整布局空間解決，而銅包鋁芯線要采用硬銅線或銅合金線制作的，因此抗拉強(qiáng)度要比純銅芯線要大。

9 結(jié)論

隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，高壓線束作為電動(dòng)汽車(chē)上動(dòng)力傳輸?shù)闹饕d體，是整車(chē)性能和安全的關(guān)鍵零組件之一，高壓線束的研發(fā)和設(shè)計(jì)不僅要從整車(chē)的角度考慮，還要從原材料、高壓連接器、相關(guān)組件供應(yīng)商等各個(gè)環(huán)節(jié)的角度出發(fā)，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未定的情況下，我們要不斷的深入了解其應(yīng)用，持續(xù)的改進(jìn)和完善，共同努力制定既符合當(dāng)前實(shí)際使用環(huán)境，又具有行業(yè)前瞻性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)。

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[2] 張春梅.新能源汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)整車(chē)高壓線束設(shè)計(jì).汽車(chē)電器,2013.

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