電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的設(shè)計(jì)

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引言

電動(dòng)乘用車(chē)，顧名思義是以電力驅(qū)動(dòng)，因此必須使用大功率的電機(jī)、大

容量的電池，并且為了減少充電時(shí)問(wèn)，利用高壓大電流充電技術(shù)，這其

中就需要借助于高壓電氣系統(tǒng)。電動(dòng)乘用車(chē)高壓電氣系統(tǒng)可將電機(jī)、電

池和動(dòng)力電子元器件等零部件全部連接在一起，其中電動(dòng)乘用車(chē)高壓線

束是連接電動(dòng)乘用車(chē)能量源（燃料電池）與動(dòng)力裝置的電氣通路。為了

滿足電動(dòng)乘用車(chē)的驅(qū)動(dòng)要求以及在各種行駛條件下線束連接可靠性和使

用安全性的要求，本文設(shè)計(jì)了一種高壓大電流（大功率）電動(dòng)乘用車(chē)高

壓線束。

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國(guó)內(nèi)外研制情況

目前，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)處于探索與少量試產(chǎn)階段，國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上都沒(méi)

有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，因此相關(guān)的零部件也處于試制階段。但相較與國(guó)內(nèi)主

要以線束裝配為主嚴(yán)重滯后的汽車(chē)線束整體技術(shù)水平，國(guó)外的汽車(chē)線束

相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)，已有高壓線束的解決方案。例如，最早進(jìn)入電動(dòng)及

混合動(dòng)力汽車(chē)充電連接器領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者一一安費(fèi)諾公司

（Amphenol）,其研制的電動(dòng)車(chē)高壓線束具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異、用

戶(hù)認(rèn)可度高等特點(diǎn)，可在超高溫度、振動(dòng)、有限空間及其他惡劣環(huán)境下

可靠工作，現(xiàn)已被各家國(guó)內(nèi)外汽車(chē)生產(chǎn)商所廣泛采用；TYCO、Delphi

（德?tīng)柛＃?、LS等其他國(guó)外公司緊隨其后，推出了各自的高壓線束解決

方案和相關(guān)產(chǎn)品。

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高壓線束的設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)我國(guó)在電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束領(lǐng)域的研究空白，擺脫我國(guó)電動(dòng)乘

用車(chē)中所需的高壓線束基本直接采購(gòu)國(guó)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀，展開(kāi)了一種高壓

大電流電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的自主研發(fā)。根據(jù)電動(dòng)乘用車(chē)高壓電氣系統(tǒng)

對(duì)高壓線束的使用要求，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束應(yīng)滿足以下要求

a、高壓大電流的使用性要求。b、抗電磁干擾、防水、抗振、耐磨、住

燃和接觸可靠等安全可靠性要求。

2.1高壓電纜的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)汽車(chē)是以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，傳統(tǒng)汽車(chē)線纜作用是傳輸控制信號(hào)，

承受的電流和電壓都很小，故電纜直徑較小，結(jié)構(gòu)上也僅是導(dǎo)體外加絕

緣，很簡(jiǎn)單。但根據(jù)電動(dòng)乘用車(chē)高壓電纜的使用要求，電動(dòng)乘用車(chē)高壓

電纜主要起傳輸能量的作用，需把電池的能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)子系統(tǒng)，因此

所設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束必須滿足高壓大電流傳輸。電動(dòng)乘用車(chē)高

壓電纜承受的電壓較高（額定電壓最高600V）、電流較大（額定電流最

高600A）,電磁輻射較強(qiáng)，故電纜的直徑明顯增大，同時(shí)為了避免電磁

輻射對(duì)周?chē)娮釉O(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)行，

電纜還設(shè)計(jì)了抗電磁干擾屏蔽結(jié)構(gòu)，即采用同軸結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)導(dǎo)體和外

導(dǎo)體（屏蔽）共同作用，電纜內(nèi)的磁場(chǎng)成同心圓分布，而電場(chǎng)從內(nèi)導(dǎo)體

指向并止于外導(dǎo)體，使電纜周?chē)獠康碾姶艌?chǎng)為零，亦即屏蔽了電磁輻

射，從而確保電動(dòng)車(chē)正常運(yùn)行。

早期汽車(chē)線纜用絕緣材料主要是PVC（索氯乙烯），但PVC中含有鉛，

對(duì)人體有害，近些年來(lái)逐漸被LSZH（低煙無(wú)鹵材料）、TPE（熱塑性彈

性體）、XLPE（交聯(lián)聚乙烯）、硅橡膠等材料替代。由于電動(dòng)乘用車(chē)高

壓電纜在滿足高壓大電流、抗電磁干擾的同時(shí)還要滿足耐磨和阻燃等要

求，因此對(duì)這些材料性能進(jìn)行了對(duì)比：

a、LSZH可分為P0（聚烯煌）類(lèi)和EPR（乙丙橡膠）類(lèi)兩大類(lèi)，其中以

PO類(lèi)電纜料為主流,PO類(lèi)LSZH阻燃電纜料的配方中有大鼠的AI

（OH）3、Mg（OH）2無(wú)機(jī)阻燃劑，從而使該電纜料具有較好的阻燃、

低煙、無(wú)鹵、低毒等特性，但同時(shí)也使其在物理機(jī)械性能、電氣性能以

及擠出工藝性能等方面與其他非阻燃材料及含鹵阻燃材料存在差異。

b、TPE是一種兼具橡膠和熱塑性塑料特性的高分干材料，在常溫下顯示

橡膠的高彈性，在高溫下乂能塑化成型，但該材料不耐磨，不能滿足電

動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的使用要求。

c、XLPE是由耐溫等級(jí)為75。（：的普通PE（聚乙烯）材料經(jīng)過(guò)輻照交聯(lián)后

制得的，其耐溫等級(jí)可達(dá)到150汽，并具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、抗過(guò)載

能力及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，但不阻燃。

d、硅橡膠的擊穿電壓高，故具有耐電弧性、耐漏電痕跡性、耐臭氧性，

其同時(shí)具有良好的耐高低溫性，耐高溫可達(dá)200國(guó)，絕緣性能良好，在

高溫高濕條件下性能穩(wěn)定、阻燃。在對(duì)比上述材料性能后，硅橡膠因具

有物理機(jī)械性能良好、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而成為了電動(dòng)乘用

車(chē)高壓電纜絕緣材料的首選。最終設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車(chē)高壓電纜的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。

內(nèi)導(dǎo)體絕緣屏蔽護(hù)套

圖1電動(dòng)乘用車(chē)高壓電纜的結(jié)構(gòu)

2.2高壓連接器的設(shè)計(jì)

2.2.1大電流接觸件的設(shè)計(jì)

通常連接器（主要指其中的接觸件）都有使用溫度限制，一旦使用溫度

超過(guò)規(guī)定限值，連接器就會(huì)因發(fā)熱而降低安全性，亂至失效損壞。造成

連接器使用溫度增高的原因主要有兩方面：

電阻的計(jì)算、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及樣件設(shè)計(jì)修正，成功設(shè)計(jì)了大電流接觸

件。

b）片簧式接觸件

c）線簧式接觸件

圖2三種接觸件的結(jié)構(gòu)

圖3安費(fèi)諾公司RADSOK插孔的結(jié)構(gòu)

2.2.2耐高壓性能設(shè)計(jì)

為了滿足電動(dòng)乘用車(chē)高壓連接器的設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料

選擇使高壓連接器的各個(gè)部分均具有足夠的介電強(qiáng)度，確保其耐高壓性

能。電動(dòng)乘用車(chē)高壓連接器的耐高壓性能設(shè)計(jì)主要包括爬電距離、界面

氣隙和絕緣材料等方面。

爬電距離是指當(dāng)工作電壓過(guò)大時(shí)，瞬時(shí)過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致電流沿絕緣間的間

隙向外釋放電弧，損害器件甚至操作人員，這個(gè)絕緣間隙就是爬電距

離，電弧持續(xù)的工作電壓決定了爬電距離。在高壓連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)

盡可能增大爬電距離，考慮到連接器介質(zhì)耐壓400V以上，經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算

與校核，將連接器的爬電距離設(shè)計(jì)成24mm以上，即可完全滿足高壓連

接器600V的使用要求。

為了提高連接器的耐高壓性能，連接器插合時(shí)，其界面部位應(yīng)貼合無(wú)空

氣間隙。連接器的界面主要包括插頭連接器和插座連接器的插合界面、

連接器接觸件和導(dǎo)線的連接部位。這些部位需要介質(zhì)全填充無(wú)空氣才能

可靠保證連接器不被擊穿。為了杜絕界面氣隙的存在，在高壓連接器設(shè)

計(jì)時(shí)采取了如下措施：

a、在插合界面處采用了軟絕緣材料，以保證在插合到位的同時(shí)將空氣間

隙填實(shí)。

b、插孔接觸件外的絕緣采用了模塑的形式，將接觸件外的間隙填實(shí)。

c、插頭和插座的插合面采用錐面結(jié)構(gòu)。

d、接觸件連接電纜后部分電纜絕緣伸入連接器殼體絕緣。

為r提高連接器的耐高壓性能，電動(dòng)乘用車(chē)高壓連接器選用r絕緣性能

良好、擊穿電壓高、絕緣強(qiáng)度高、高溫高壓下穩(wěn)定性好、耐電弧、耐漏

電痕跡、吸濕性低的PPA（聚鄰苯二甲酰胺）塑料。

2.2.3整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最終設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車(chē)高壓連接器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。高壓連接器的結(jié)

構(gòu)從里到外依次為內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層、外殼。

外殼屏蔽層內(nèi)導(dǎo)體絕緣層

b）插座連接器

圖4電動(dòng)乘用車(chē)高壓連接器的結(jié)構(gòu)

2.3高壓線束的整體設(shè)計(jì)

2.3.1屏蔽性能設(shè)計(jì)

為了使所設(shè)計(jì)的高壓線束在滿足基本的可靠電氣連接要求外，還具有出

色的電磁屏蔽性能，展開(kāi)了高壓線束的屏蔽性能設(shè)計(jì)。高壓線束的屏蔽

性能設(shè)計(jì)主要包括高壓電纜自身的屏蔽性能設(shè)計(jì)、高壓電纜與高壓連接

器結(jié)合處的屏蔽性能設(shè)計(jì)、高壓連接器自身的屏蔽性能設(shè)計(jì)及高壓連接

器插合界面處的屏蔽性能設(shè)計(jì)。為了提高高壓電纜自身的屏蔽性能，高

壓電纜采用了屏蔽結(jié)構(gòu)，如果電纜為信號(hào)線與電源線組合而成時(shí)則更應(yīng)

注意這點(diǎn)。為了提高高壓電纜5高壓連接器結(jié)合處的屏蔽性能，在保證

兩者接觸的可靠性，特別是確保在強(qiáng)烈動(dòng)情況下連接處不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)的

情況下，在高壓電纜與高壓連接器內(nèi)導(dǎo)體連接后，電纜編織與屏蔽層接

觸，并在電纜編織與連接器接合處加套一層單獨(dú)的屏蔽金屬編織網(wǎng)，加

強(qiáng)屏蔽效果。為了提高高壓連接器自身的屏蔽性能，連接器采用了金屬

殼體設(shè)計(jì)。為了提高連接器插合界面處的屏蔽性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用了屏蔽

簧結(jié)構(gòu)，以保證插頭與插座殼體間可靠接觸；連接器頭部?jī)?nèi)導(dǎo)體低于外

殼界面，防止內(nèi)導(dǎo)體接觸到手指或其他金屬，起到一定的保護(hù)作用，增

加安全性；插合后，插座連接器與插頭連接器的屏蔽層可靠接觸，使插

合面與外界屏蔽。

2.3.2機(jī)械防護(hù)和防塵防水設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)乘用車(chē)高壓電纜的直徑較大，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的布線走向，即電

動(dòng)乘用車(chē)高壓線束布局在車(chē)外，因此必須對(duì)電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束進(jìn)行機(jī)

械防護(hù)和防塵防水設(shè)計(jì)。為了提高高壓線束的機(jī)械防護(hù)和防塵防水性

能，在接插的連接器間以及連接器連接電纜的位置均采用了密封圈等防

護(hù)措施，防止水汽和灰塵進(jìn)入，從而確保連接器的密封環(huán)境，避免接觸

件之間短路的風(fēng)險(xiǎn)，以及防止?jié)駳膺M(jìn)入，避免產(chǎn)生火花等安全問(wèn)題。

2.3.3使用壽命設(shè)計(jì)

電動(dòng)乘用車(chē)行駛在公路上，會(huì)受路面高低不平和車(chē)速快慢等因素的影響

而產(chǎn)生高振動(dòng)，導(dǎo)致高壓線束與接觸的零部件和其他線束間產(chǎn)生摩擦、

磨損，以及高壓線束本身的疲勞磨損。為了提高高壓線束使用壽命和質(zhì)

量，應(yīng)對(duì)高壓電纜和高壓連接器間的連接進(jìn)行加固，對(duì)高壓連接器之間

的連接采用鎖緊結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行布線方案優(yōu)化，高壓線束材料選擇耐磨

材料，導(dǎo)線采用抗疲勞的銅絞線。此外，高壓連接器間的連接環(huán)節(jié)是高

壓線束本身的薄弱點(diǎn)，為了提高高壓線束使用壽命，同時(shí)滿足高壓電氣

系統(tǒng)的使用要求，必須保證高壓連接器的插拔次數(shù)和連接質(zhì)量。

2.3.4整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最終設(shè)計(jì)的電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的結(jié)構(gòu)

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3高壓線束的性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證采用高壓大電流接觸件技術(shù)設(shè)計(jì)的高壓線束的結(jié)構(gòu)合理性、接

觸面積、接觸電阻、抗振性等是否滿足高可靠、長(zhǎng)壽命及大電流性能等

要求，在電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束樣品研制完成后按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行

了相關(guān)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)，該電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束

的各項(xiàng)性能都滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，其接觸件結(jié)構(gòu)、連接器結(jié)構(gòu)及整個(gè)高壓

線束的設(shè)計(jì)具有一定的合理性。

表1電動(dòng)乘用車(chē)高壓線束的主要性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求測(cè)試結(jié)果

絕緣電阻/MQ之20005000

介質(zhì)耐壓/V“0004000

電流試驗(yàn)/A2210210

接觸電阻/mQW10.65

鹽霧48h