新能源汽車內(nèi)部高壓電纜屏蔽設(shè)計(jì)*

彭立沙，王志輝，廖錦仁

（廣州南洋電纜有限公司，廣州 511356）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國對環(huán)境的保護(hù)力度不斷加大，汽車行業(yè)的大趨勢是傳統(tǒng)的燃油汽車將會(huì)逐漸被清潔的新能源汽車所取代。而作為新能源汽車內(nèi)部傳輸動(dòng)力的特種電纜則有非常廣闊的發(fā)展前景和市場環(huán)境。該種電纜應(yīng)該達(dá)到的技術(shù)要求為：電壓為300～1 000 V；電流為80～500 A；耐低溫-40 ℃；耐高溫125～150 ℃，個(gè)別發(fā)熱區(qū)域耐高溫需要達(dá)到175～200 ℃。電纜同時(shí)又需滿足長壽命、耐各種氣候環(huán)境，解決EMI（電磁干擾）等要求。

本文主要針對傳統(tǒng)車內(nèi)高壓電纜的屏蔽層壽命短、老化破裂后會(huì)致使屏蔽性能急劇下降的問題，通過改善工藝特點(diǎn)，改變屏蔽層的結(jié)構(gòu)以及制造方法，在保證電纜達(dá)到預(yù)期的屏蔽效果、柔軟度等各種性能都優(yōu)越的情況下盡可能地提高使用壽命，至少使其能和汽車的壽命保持一致，不能在汽車正常使用壽命內(nèi)產(chǎn)生性能衰減。

1 設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)汽車的保修期為3～5年，傳統(tǒng)汽車線纜主要適用于低電壓、低電流，因此線纜結(jié)構(gòu)簡單（大多為導(dǎo)體＋絕緣的簡單結(jié)構(gòu)）。尺寸小、傳輸?shù)碾妷汉碗娏餍?，對外界產(chǎn)生的干擾信號(hào)較微弱，一般不需要進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。

近幾年新能源電動(dòng)車的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了汽車行業(yè)的智能化和自動(dòng)化的高速發(fā)展，很多汽車設(shè)計(jì)時(shí)，往往遺漏和忽略了細(xì)節(jié)方面的情況，比如電纜壽命與汽車壽命匹配的問題，以前的汽車是機(jī)械化程度高，但是電子化程度較低，對于信號(hào)的干擾基本可以忽略，所以汽車用電纜基本不用考慮屏蔽的問題。但是如今汽車電子化程度越來越高，信號(hào)采集、傳輸、接收等會(huì)因汽車內(nèi)外部信號(hào)的干擾而產(chǎn)生信號(hào)失真，嚴(yán)重的還會(huì)造成安全事故。所以如今汽車很多重要的電子元器件都會(huì)認(rèn)真考慮防干擾性能設(shè)計(jì)，在防干擾的處理上一方面是屏蔽來自外界的干擾，另一方面是屏蔽元器件本身可能產(chǎn)生的電磁波對相鄰零部件產(chǎn)生干擾。

新能源汽車的三相電機(jī)已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)普遍使用，攜帶能量的正弦電壓相當(dāng)于不同頻率的方波脈沖信號(hào)，由于高頻率的脈沖具有陡峭的沿，因此會(huì)產(chǎn)生能量很強(qiáng)的諧波發(fā)射到周邊區(qū)域，對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，雖然新能源汽車用高壓電纜不像同軸電纜那樣需要傳輸數(shù)據(jù)，本身并不需要屏蔽外界的干擾，但是其需要通過屏蔽來防止或減少電流傳輸時(shí)產(chǎn)生的高頻輻射通過電纜影響到周邊部件，影響其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行[1-2]，為防止造成嚴(yán)重的后果，所以必須使用適當(dāng)?shù)钠帘畏绞絹砥帘坞娏鬏敃r(shí)電纜可能對相應(yīng)零部件產(chǎn)生的干擾。

電纜設(shè)計(jì)時(shí)通常采取的屏蔽組合為鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織的復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，但是鋁塑復(fù)合帶容易氧化碎裂，壽命短，碎裂后會(huì)急劇降低屏蔽性能。為了改善這一情況，新設(shè)計(jì)的電纜采用編織屏蔽層包覆在半導(dǎo)體屏蔽層上的方式（電纜截面如圖1 所示），將繞包鋁塑復(fù)合帶更改為擠出半導(dǎo)電屏蔽層，在保證良好屏蔽性能的基礎(chǔ)上，使電纜各部分的壽命達(dá)到一致，充分滿足新能源汽車對于各零部件的壽命要求。

圖1 電纜截面圖

圖2 編織的菱形空隙

2 各種屏蔽結(jié)構(gòu)的分析

2.1 單獨(dú)銅絲屏蔽

單一的銅絲屏蔽，雖然不受鋁塑復(fù)合帶壽命的影響，整體使用壽命能滿足新能源汽車的壽命要求，但編織屏蔽的結(jié)構(gòu)方式為交叉織網(wǎng)的形式，交叉織網(wǎng)時(shí)，總會(huì)留下菱形的空隙，如圖2 所示，致使銅絲編織的面積覆蓋率不能達(dá)到100%，且空隙的面積和形狀會(huì)因編織規(guī)格參數(shù)不一樣而有差異。而空隙面積和形狀，又會(huì)對屏蔽效果產(chǎn)生直接的影響，導(dǎo)致屏蔽效果達(dá)不到最佳狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算及實(shí)際測試可以發(fā)現(xiàn)，隨著編織角度變化（菱形空隙的形狀也會(huì)相應(yīng)改變），轉(zhuǎn)移阻抗也會(huì)隨之改變[3]，如今汽車日益智能化、自動(dòng)化而使得對于各部件的抗干擾能力要求越發(fā)嚴(yán)苛。單獨(dú)使用銅絲編織進(jìn)行屏蔽已經(jīng)很難滿足使用要求，此方案現(xiàn)基本不再采用。

2.2 銅帶屏蔽

常規(guī)的屏蔽方式中，包銅帶屏蔽的方式屏蔽效果優(yōu)良，但是包銅帶屏蔽雖然可以達(dá)到良好的屏蔽效果與使用壽命要求，但是包銅帶的劣勢是電纜包銅帶后整體很硬，導(dǎo)致彎曲半徑過大，不適合在汽車的狹小空間中布線使用，滿足不了汽車設(shè)計(jì)的最基本要求，無法使用，所以此方案也可以直接剔除。

2.3 繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織復(fù)合屏蔽

目前市面上車內(nèi)屏蔽高壓電纜的屏蔽方式均為繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織的復(fù)合屏蔽方式，此方案具有優(yōu)良的屏蔽效果，也不會(huì)影響電纜的整體柔軟性和彎曲半徑，易于在汽車的狹小空間內(nèi)布線安裝，經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)屏蔽效果和彎曲半徑均能滿足車企和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。

但是經(jīng)過模擬汽車內(nèi)部的特殊環(huán)境的使用測試中，發(fā)現(xiàn)鋁塑復(fù)合帶在長期濕熱或者酸、堿、鹽性等特殊條件下，會(huì)加速鋁膜的氧化，使之變脆，容易破裂而導(dǎo)致電纜的屏蔽效果下降，從而產(chǎn)生一些不可預(yù)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。為了能夠解決這一問題，需尋找其他合適的代替方案。

2.4 擠塑半導(dǎo)電層+銅絲編織屏蔽

結(jié)合多年的高壓電力電纜的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓電纜中采用的絕緣屏蔽方式完全能夠運(yùn)用到新能源車內(nèi)高壓電纜的屏蔽設(shè)計(jì)中，經(jīng)過多年的高壓電力電纜使用驗(yàn)證，擠塑半導(dǎo)電屏蔽層的使用壽命，不會(huì)在短短幾年甚至十幾年內(nèi)產(chǎn)生較大的性能下降問題[4]。而且在現(xiàn)在成熟的3 層共擠生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，稍作更改，使用雙層共擠，將絕緣擠出和半導(dǎo)電層的擠出同時(shí)進(jìn)行，不僅能解決絕緣和屏蔽層之間的結(jié)合問題，避免夾層中有空氣，受熱后使電纜產(chǎn)生鼓包等問題，也不會(huì)在兩層結(jié)構(gòu)中進(jìn)入其他雜質(zhì)導(dǎo)致質(zhì)量問題，半導(dǎo)電屏蔽層的厚度也可以控制在0.3 mm 左右，不會(huì)額外增加電纜外徑和電纜重量，正好符合車企對于零部件的輕量化和小型化的要求。

經(jīng)過制樣測試，發(fā)現(xiàn)擠出半導(dǎo)電屏蔽層+鍍錫銅絲編織的復(fù)合屏蔽的結(jié)構(gòu)組合，能完全滿足壽命和屏蔽率兩種要求。生產(chǎn)過程中，在擠出絕緣層時(shí)，采用雙層共擠的方式，生產(chǎn)效率也比擠出絕緣后繞包鋁塑復(fù)合帶的效率高很多，成本上就會(huì)更有優(yōu)勢。經(jīng)過多次的生產(chǎn)和測試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能夠替代當(dāng)前的繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織的傳統(tǒng)復(fù)合屏蔽方式，完美解決了鋁塑復(fù)合帶的壽命對于電纜整體壽命的影響。

3 電纜屏蔽效果

目前國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 25087-2010 道路車輛圓形、屏蔽和非屏蔽的60 V和600 V多芯絕緣電纜》6.3屏蔽效率條款[5]及汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 1037-2016 道路車輛用高壓電纜》4.10.5屏蔽效率條款[6]對于此類電纜的屏蔽效果測試有明確要求，主要有轉(zhuǎn)移阻抗測試和屏蔽衰減測試，其中又以三同軸法測試的轉(zhuǎn)移阻抗最常用[7]。目前行業(yè)中通常以此測試數(shù)據(jù)來衡量屏蔽效果的好壞。

如表1 所示，經(jīng)過測試結(jié)果對比分析，更改設(shè)計(jì)后的電纜，屏蔽效果并沒減弱，所以新設(shè)計(jì)的方案是可行有效的。

表1 兩種方案電纜轉(zhuǎn)移阻抗測試對比

4 電纜彎曲性能的測試

新能源汽車的開發(fā)在許多情況下面臨的挑戰(zhàn)是內(nèi)部空間的不足，現(xiàn)有的系列平臺(tái)只設(shè)計(jì)了裝載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和它的組件的空間，現(xiàn)在要納入更多的電氣組件，必須考慮到空間的合理利用[8]。

因汽車內(nèi)部的空間有限，布線的空間非常狹小，轉(zhuǎn)角半徑也小，柔軟性更好的電纜在整車廠裝配時(shí)更容易施工，方便客戶生產(chǎn)，客戶的產(chǎn)能也將更高。本文中所提到的“雙層共擠”的方式，不用多增加一道工序，同心度也能一起管控，減少了成品外徑，提高產(chǎn)品質(zhì)量，電纜整體的柔軟性也比傳統(tǒng)的繞包鋁塑復(fù)合帶方式生產(chǎn)的電纜好，整體性能及客戶使用方便性更強(qiáng)。兼顧了產(chǎn)能和質(zhì)量控制的雙重要求。兩種方案冷彎測試對比如表2所示。

表2 兩種方案冷彎測試對比

5 電纜的壽命測試

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的新能源汽車內(nèi)部高壓電纜結(jié)構(gòu)為導(dǎo)體+絕緣+鋁塑復(fù)合帶屏蔽+銅絲編織屏蔽+護(hù)套，而其中輔助屏蔽的鋁塑復(fù)合帶因自身材料的原因，壽命很短，在環(huán)境良好的情況下，壽命也達(dá)不到現(xiàn)有汽車的最低保修期（3 年），極端（潮濕、酸堿、鹽霧等）環(huán)境中，壽命甚至達(dá)不到3個(gè)月。

新設(shè)計(jì)的電纜希望在保證良好屏蔽效果的基礎(chǔ)上，使電纜各部分的壽命達(dá)到一致，新能源汽車高壓電纜的質(zhì)保期限也至少需要達(dá)到傳統(tǒng)汽車的質(zhì)保期。

兩種屏蔽材料長期濕熱老化測試對比如表3 所示。經(jīng)過測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，鋁塑復(fù)合帶在潮濕、高溫、酸堿、鹽霧等情況下，老化速度加快。材料變得極度脆弱，有彎折或有外力的作用下，就會(huì)破碎，使之處于失效狀態(tài)，降低整體的屏蔽效果。從而嚴(yán)重影響電纜整體的壽命。

表3 兩種屏蔽材料長期濕熱老化測試對比

擠出半導(dǎo)電層代替繞包鋁塑復(fù)合帶的設(shè)計(jì)，擠出的半導(dǎo)電層的壽命，是同電纜整體壽命一致，在無外力、外物的破壞下，完全可以使用5～10年時(shí)間。

6 結(jié)束語

本文通過對新能源的高壓電纜各種屏蔽結(jié)構(gòu)分析對比，擠塑半導(dǎo)電層+銅絲編織復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，相比常用的繞包鋁塑復(fù)合帶+銅絲編織屏蔽結(jié)構(gòu)，在不增加制造成本的前提下，提高了電纜的屏蔽效果以及使用壽命。擠塑半導(dǎo)電層+銅絲編織復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，值得推廣。

在我國保護(hù)環(huán)境，建設(shè)生態(tài)文明的大環(huán)境下，化石能源會(huì)逐步被清潔能源所代替。在不遠(yuǎn)的未來，新能源汽車一定會(huì)成為汽車的主流，銷量會(huì)不斷上升，市場對高壓電纜的需求量也會(huì)不斷增加，因此必須不斷提高高壓電纜的質(zhì)量，以保證新能源汽車的使用要求，高壓電纜的發(fā)展前景將十分廣闊。