汽车研发：纯电动汽车高压线束设计与开发!

1、汽车研发：纯电动汽车高压线束设计与开发！新年到，好运来，一不小心，一年过去了，汽车大漫谈 也迎来了新年第一篇干货。话说这么久木有给大家带来这火 辣辣的美女，大家有木有想呢？不用说，肯定想 2018 汽车 大漫谈将持续不断的为大家贡献干货祝大家新年快乐、狗年 旺旺今天 漫谈君就和大家一起来看看纯电动汽车高压线束设计与开 发汽车线束是汽车电路的网络主体，连接汽车的电气电子部 件并使之发挥功能， 没有线束也就不存在汽车电路。 在目前， 不管是传统车还是电动车，线束编成的形式基本上是一样的， 它既要确保传送电信号，也要保证连接电路的可靠性，向电 子电气部件供应规定的电流值，防止对周围电路的电磁干扰，

2、并要排除电器短路。以电动车为例，电动车上电器件越来越 多，电气系统也越来越复杂，高压也越来越高，而高压线束 作为高压电气系统的关键零组件 ,其合理的设计为电动汽车 运行的安全提供保证。好消息：汽车大漫谈 2 群已开通，话 说都是汽车研发工程师，每天都在分享技术，有需要进群的 童鞋，加漫谈君微信： autotechstudy ，备注名称 + 专业哟， 方便邀请进群！一、电气系统概述电气系统是电动汽车的神 经，承担着能量与信息传递的功能， 对纯电动汽车的动力性、 经济性、安全性等有很大的影响，是电动汽车的重要组成部分。电气系统的组成： 1）高压电气系统： 动力电池、 驱动电机、 功率变换器等高压电

3、气设备。 2 ）低压电气系统：直流 12V 或 24V 的电源，一方面为灯光、雨刮等常规低压电器供电， 另一方面为整车控制器辅助部件、高压电气设备的控制电路 供电。主要由 DC/DC 功率变换器、辅助蓄电池和若千低压 电气设备组成。 3）整车网络化控制系统：整车控制器、电 机控制器、 电池管理系统、 高压电安全管理系统、 电动空调、 信息显示系统和通信系统等。 例如 CAN 通讯信息网络系统。 二、高压电气系统安全设计概述1 高压系统构成纯电动汽车高压系统框图如下所示。作为纯 电动汽车高压系统安全管理的单元，合理的功能布局和安全 可靠的控制策略是实现该系统功能的重要保证。 2 高压电气 安全系

4、统的总目标高压电气系统控制与安全管理和故障诊 断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全过程 的高压用电安全。三、高压电气系统安全设计 根据纯电动汽车安全标准要求，并从车载储能装置、功能安 全、故障保护、人员触电防护及高压电安全管理控制策略等 方面综合考虑，应对电动汽车高压电系统进行以下几个方面 设计。 1 高压电气电磁兼容性设计由于纯电动汽车上存在高 压交流系统，具有较强的电磁干扰性，因此高压线束设计时 电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线；电源线两端考虑 采用隔离接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合 至信号线；输入与输出信号线应避免排在一起造成干扰；输 入与输出信号线尽量避免

5、在同一个接头上，如不能避免时应 将输入与输出信号线错开放置。 2 高压部件和高压线束的防 护与标识设计高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高 压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件，如电机及其控 制系统、 电动空调系统、 DC/DC 电压转换器、 车载充电机等 及它们中间的连接接口，都需要达到一定的防水和防护等级。 并且高压部件应具有高压危险警告标识，以警示用户与维修 人员在保养与维修时注意这些高压部件。 由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束，为提示和警 示用户和维修人员，高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹 管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色，起到警 示作用，并且所选高压连接器

6、应达到 IP67 防护等级。 3预充 电回路保护设计因为高压设备控制器输入端存在大量的容 性负载，直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击，故为 避免接通时的高压电冲击，高压系统需采取预充电回路的方 式对高压设备进行预充电。下图所示为纯电动汽车高压系统 预充电回路原理图。 4 高压设备过载 /短路保护设计当汽车高 压附件设备发生过载或线路短路时，相关高压回路应能自动 切断供电，以确保高压附件设备不被损坏，保证汽车和驾乘 人员的安全。因此在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件，如在相关回路中设置保险和接触器，当发生过载或 短路而引起保险或接触器短路时，高压管理系统会通过对接 触器触点和相关控制

7、接触器闭合的有效指令进行综合判定， 若检测出相关电路故障，高压管理系统会发出声光报警以提 示驾驶员。 5 高压系统余电放电保护设计由于高压系统的电 机控制器和电动空调等高压部件存在大量的电容。当高压主 回路断开时，因高压部件电容的存在，高压系统中还存有很 高的电压和电能。为避免对人员和汽车造成危害，在切断高 压系统后应将电容的高压电通过并联在高压系统中的电阻 释放掉。四、电动汽车高压线束技术特性 1 高压线束整体要 求 1 ）高压线束的性能及可靠性需满足整车要求 2）高压线束满足高压电缆技术条件3）高压线束满足高压大电流的使用性要求 4）高压线束的电磁兼容性（ EMC ）满足 GB/T1838

8、7 中规定的电动车辆电磁场辐射强度的限值5 ）高压线束的机械冲击及抗震动性要求须满足 GB743-2006 的相 关要求 6 ）防水、耐磨、阻燃和接触可靠等安全可靠性要求 2 高压插接件的技术要求 3 高压电缆线的技术要求 1 ）根据 整车工作电压，对电缆线进行初选 电缆线线径的选择：用电设备的电流强度为： I=P/UP负载功率U额定电压导线截面积计算公式为：A=I p L/UVLA导线截面积I电流p铜导线电阻率L导线长度 UVL 导线允许的电压降避免导线过渡发热，应该检查电流密度，公式为S=l/A2 ）工作温度：-40C125 C 3） 耐电压测试： AC2500V/1min ， 50HZ

9、五、高压线束的设计高 压线束的设计包括高压电缆、高压连接器的设计及高压线束 性能试验。 1 高压电缆的设计根据电动乘用车高压电缆的使 用要求，电动乘用车高压电缆主要起传输能量的作用，需把 电池的能量传输到各个子系统，因此所设计的电动乘用车高 压线束必须满足高压大电流传输。电动乘用车高压电缆承受 的电压较高 （额定电压最高 600V） 。电流较大 （额定电流最高 600A） 。电磁辐射较强。故电缆的直径较大，同时为了避免 电磁辐射对周围电子设备产生强烈电磁干扰,影响其他电子设备正常运行，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 ）共同作用。电缆内的 磁场成同心

10、圆分布。 而电场从内导体指向并止于外导体,使电缆周围外部的电磁场为零，亦即屏蔽了电磁辐射，从而确保 电动车正常运行。 硅橡胶因具有物理机械性能良好、使用寿命长、价格低廉等 优点而成为了电动乘用车高压电缆绝缘材料的首选。 2 高压 连接器的设计 1 ）大电流接触件的设计 在设计大电流接触件时 ,选用何种接触形式将直接决定连接 器的质量和成本。通常接触件的接触形式主要有片式、片簧 式和线簧式三种， 如下图所示。 A. 片式接触件的插孔为圆柱 简开槽并收口。 插孔采用铍青铜丝 （棒 ）加工 ,原材料价格较贵，且后续收口工序较难控制，产品质量一致性较难保证，成本 较高。 B. 片簧式接触件的插孔为冠簧

11、孔， 插孔内安放有 12 个片簧圈，每个片簧圈由多个弹簧片组成。所有弹簧片都向 里拱。组成具有弹性的弹簧圈，当插孔和插针相配时，每个 弹簧片都和插针接触并且产生挤压力 ,保证多点稳定接触； 片 簧式插孔由黄铜车制件及冠簧冲压件组成，产品一致性好 , 成本低。下图为某公司的插孔结构，即采用了双曲线冠簧技 术，接触面积可增加 65% 。其表面为高耐磨性的镀银层。 C. 线簧式接触件的插孔为线簧孔。插孔的结构和片簧式插 孔的结构相似，只是线簧式插孔由弹簧线组成。线簧式插孔 虽然性能优良 ,但是工艺复杂 ,成本也较高。在对上述各接触 形式接触件比较后，选用合适的接触件。2) 耐高压性能设计为了满足电动

12、乘用车高压连接器的设计要求，必须通过结构 设计和材料选择使高压连接器的各个部分均具有足够的介 电强度，确保其耐高压性能。电动乘用车高压连接器的耐高 压性能设计主要包括爬电距离、界面气隙和绝缘材料等方面。 爬电距离是指当工作电压过大时，瞬时过电压会导致电流沿 绝缘间的间隙向外释放电弧，损害器件甚至操作人员。这个 绝缘间隙就是爬电距离。电弧持续的工作电压决定了爬电距 离。在高压连接器结构设计时应尽可能增大爬电距离，考虑 到连接器介质耐压 4000V 以上。经过仔细计算与校核 , 将连 接器的爬电距离设计成 24mm 以上。即可完全满足高压连接 器 600V 的使用要求。 为了提高连接器的耐高压性能

13、 ,连接器 插合时，其界面部位应贴合无空气间隙。连接器的界面主要 包括插头连接器和插座连接器的插合界面、连接器接触件和 导线的连接部位。这些部位需要介质全填充无空气才能可靠 保证连接器不被击穿。 为了杜绝界面气隙的存在 ,在高压连接 器设计时采取了如下措施： A. 在插合界面处采用软绝缘材料， 以保证在插合到位的同时将空气间隙填实。 B. 插孔接触件外 的绝缘采用模塑的形式，将接触件外的间隙填实。 C. 插头 和插座的插合面采用锥面结构。 D. 接触件连接电缆后部分 电缆绝缘伸人连接器壳体绝缘。为了提高连接器的耐高压性 能 ,电动乘用车高压连接器选用了绝缘性能良好、 击穿电压高、 绝缘强度高、高温高压下稳定性好、耐电弧、耐漏电痕迹、 吸湿性低的 PPA（ 聚邻苯二甲酰胺 ）塑料。 3）整体结构设计 电动乘用车高压连接器的结构如下图所示。高压连接器的结 构从里到外依次为内导体、绝缘层。屏蔽层、外壳。3 高压线束的性能试验为了验证采用高压大电流接触件技术 设计的高压线束的结构合理性、接触面积、接触电阻、抗振 性等是否满足高可靠、 长寿命及大电流性能等要求 , 在电动乘 用车高压线束样品研制完成后按照相应的设