浅谈纯电动汽车高压线束设计

浅谈纯电动汽车高压线束设计

洪伟

山东国金汽车制造有限公司 山东省淄博市  255000

【摘要】纯电动汽车是以动力电池作为能量来源、以驱动电机作为动力来源的可在道路上行驶的无轨车辆。驱动电机、动力电池、驱动电机控制器、车载充电机、DC-DC等高压电气元件共同构成了纯纯电动汽车的高压电气架构。随车纯纯电动汽车汽车技术的不断发展，动力电池总成的容量已达到上百千万时，同时动力电池的充电时间也在不断降低，因此必须采用高压大电流充电技术。作为连接纯电动汽车驱动电机、动力电池等高压电气元件的高压线束，其设计要求也变得更加严格。本文从高压线束的安全性及可靠性等出发，浅谈高压线束的设计要素。

【关键词】纯电动汽车高压线束安全性  可靠性

1.国内产品研制情况

近年新能源汽车渗透率加速提升。新能源电动车取消了发动机和发动机线束，通过电机驱动。燃油车通常使用12V电压，而新能源电动车通常使用400V或更高的驱动电压，低压线束无法满足动力传输需求。于是在低压线束的基础上，新能源车新增高压线束的需求，主要用在动力电池、驱动电机、车载充电机（OBC）、DC/DC转换器、高压配电盒、电动压缩机以及PTC上，是新增量市场。国内汽车市场快速发展，吉利、奇瑞、长城、长安、比亚迪等优秀国产品牌正逐渐崛起。自主品牌本土零部件采购率较高，为国产零部件企业带来发展机遇。随着同步开发和自主研发的能力的提升，加之成本优势和本地化服务优势，本土汽车零部件供应商在部分汽车零部件领域开始进口替代，我国汽车零部件行业正处于逐步实现国产替代的趋势之中。

2．高压线束的设计

随着国内纯电动汽车行业的快速发展，比亚迪、吉利、长安等为摆脱对国外高压线束产品的依赖，纷纷投入一定的研发资金展开高压大电流纯电动汽车所需的高压线束的自主研发工作。根据纯电动汽车高压电气系统对高压线束的使用要求，纯电动汽车的高压线束首先要高压大电流的使用性要求，其次还要需要满足抗电磁干扰、防水、抗振等安全可靠性要求。

2.1高压线束的设计

依据纯电动汽车的用户群体需求可以确定其功能需求及性能指标要求，进而制定出纯电动汽车高压线束的使用要求。高压线束将高压系统上各个部件相连，作为高压电源传输的媒介，是电动汽车上动力输出的主要载体，主要用于传输电能及屏蔽外界信号干扰。高压线束具有高电压、大电流、防护等级高及抗电磁干扰等特点，是纯电动汽车高压系统的神经网络，是整车性能和安全的关键零部件。当前有很多纯电动汽车的高压线束需要承受额定电压600V以上的高电压及额定电流高达600A以上的大电流，这将导致高压线束的电磁辐射及能量损耗大幅增加。为了降低电流传输过程中的损耗，高线束的直径需要大幅加大；为了降低高压线束的电磁辐射强度，避免电磁辐射对周边电子设备的电磁干扰，影响电子设备的正常使用功能，需要对内外导体采用同轴结构设计使线束内的导线形成同心圆分布，借助内外导线的共同作用达到线束周围电磁场为零的目的，从根本上屏蔽了高压线束的电磁辐射，保证纯电动汽车功能及性能正常，也保证周边电子电气设备不受电磁辐射的干扰。

2.2高压连接器的设计
2.2.1大电流接触件的设计

温度限值是大电流接触器的重要设计指标，鉴于大电流接触器的接触部件限于自身材料特性限制都对使用温度有明确的限定，当其工作温度超出温度限制时，接触件就会发热并降低安全性，严重时会烧毁失效。依据纯电动汽车的使用场景及工作机理，大电流接触器温度过高的原因主要有纯电动汽车本身大功率电器件散热及大电流接触器自身问题两个方面。纯电动汽车上驱动电机、动力电池、电机控制器、DC-DC等电器元件工作过程中会散发热量导致其周边温度较高，有时会超过大电流接触器的温度限值，从而导致大电流接触器安全性下降甚至功能失效。作为大电流接触器的重要组成部分，接触件由于自身材料的特性再起工作过程中存在热损耗导致其温度不断升高，随着温度的升高接触件的接触电阻则会逐渐增大，最终导致其可靠性不断降低。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、线簧式三种。

2.2.2耐高压性能设计
   耐高压性是纯电动汽车高压连接器的重要设计指标之一。为满足设计要求最重要的是合理选择材料并进行结构设计，保证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。耐高压设计的主要内容有爬电距离、界面气隙和绝缘材料等。其中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材料的间隙向外释放电弧对操作人员及电器元件造成损失，此时绝缘间隙就是纯电动汽车高压连接器的爬电距离，爬电距离是由持续工作的电弧电压决定的。为了改善连接器的高压阻力，当插入连接器时，接口部分应该没有气隙。连接器的接口主要包括插头连接器的插头连接器和插座连接器。、连接器触点和导线的连接点。这些部件需要完全填充介质而不需要空气，以确保连接器不会损坏。线束加工厂为了防止界面气隙的存在，在高压连接器的设计中采取了以下措施：

  a、在配合接口处使用软绝缘材料，以确保在插入件就位时填充气隙；

  b、模拟、插孔触点外部的绝缘层，并填充触点外部的间隙；

  c、插头和插座的配合表面具有锥形结构；

  d、接触片连接到线束后，部分线束绝缘层伸入连接器外壳绝缘层。

为了提高纯电动汽车高压连接器的高压电阻，高压连接器必须具有良好的绝缘性能。

2.3高压线束的整体设计
2.3.1屏蔽性能设计

为保证纯电动汽车的高压线束具有出色的电磁屏蔽性能，必须对其高压线束进行屏蔽性能设计。屏蔽性能设计主要包括高压线束自身的屏蔽性能设计、高压线束与高压连接器结合处的屏蔽性能设计、高压连接器自身的屏蔽性能设计及高压连接器插合界面处的屏蔽性能设计。对高压线束自身采用屏蔽结构可提高其自身的屏蔽性能及高压线束与高压连接器结合处的屏蔽性能；采用屏蔽弹簧结构可以保证插头与插座壳体间可靠接触，进而保证高压连接器自身的屏蔽性能。

2.3.2机械防护和防尘防水设计

由于纯电动汽车高压线束的直径较大，需要进行专门的布线走向，即纯电动汽车高压线束布局在车外，因此必须对纯电动汽车高压线束进行机械防护和防尘防水设计。在接插的连接器间以及连接器连接线束的位置均采用了密封圈等防护措施，可以防止水汽和灰尘进入，从而确保连接器的密封环境，避免接触件之间短路的风险，避免产生火花等安全问题。

2.3.3使用寿命设计

纯电动汽车行驶在公路上，会受路面高低不平和车速快慢等因素的影响而产生高振动，导致高压线束与接触的零部件和其他线束间产生摩擦、磨损，以及高压线束本身的疲劳磨损。为了提高高压线束使用寿命和质量，应对高压线束和高压连接器间的连接进行加固，对高压连接器之间的连接采用锁紧结构，以及进行布线方案优化，高压线束材料选择耐磨材料，导线采用抗疲劳的铜绞线。

3.结论

本文首先介绍了国内外纯电动汽车高压线束的研发及发展现状，其次结合当前市场上纯电动汽车的配置、功能以及性能特点，对纯电动汽车用的高压线束的性能要求和设计要点（耐高压、耐大电流、耐环境、屏蔽性和安全可靠等）进行了简单分析，主要从高线线束设计、高压连接器设计以及高压线束的整体设计三个维度展开论述，主要目的是为广大纯电动汽车行业的设计人员提供参考。

参考文

[1]GB18384-2020《电动汽车安全要求》