电动汽车用高压电缆的设计和开发

(北京福斯汽车电线有限公司 北京 100000)



电动汽车用高压电缆的设计和开发

施爱伟

(北京福斯汽车电线有限公司北京100000)

本文旨在厘清电动汽车高压电缆的用户(主机厂和线束厂)对用于连接高压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机的高压电缆的各种技术需求；提出了作为汽车零部件供应商和现有的标准的低压汽车电缆设计相比在机械和电气要求方面开发高压电缆面临的挑战。本文也阐述了采用设计方法、材料和电缆选型克服挑战，同时满足汽车行业的严格要求的途径。

电动汽车；高压电缆；电缆

一、概述

国际原油价的不断上涨，全社会对环境恶化全球变暖的更加关注，加之各国政府税收的倾斜和政策的扶持，促使在全世界范围内替代能源尤其是电动汽车的市场份额不断增长。电动汽车的基本原理似乎很简单。但深入分析，系统的制造商正在面临着一系列的挑战需要克服。对电动汽车高压电缆，其柔韧性，屏蔽，安全，尺寸等项目提出了新的技术要求，因为这些会影响大电流和高电压的组件的布线。而面对每一个可能的动力系统不同的技术要点，对所需的组件也提出了不同的特殊要求。

二、对电动汽车高压电缆的要求

创新的电动汽车设计对高压电缆和系统组件提出了新的挑战，这些要求不能完全采用现有的解决方案。具体要求分析如下。

1.电压。和常规汽车电缆的基本差异是结构需要按额定电压600V设计，而如果在商用车和公共汽车上使用，额定电压可高达1000V。相比之下，甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额定电压60V。

系统在产生的功率(P=U×I)不变的情况下，由于使用较低的电流，高电压可以减少在传输系统的功率损耗(PLOSS=I2×R)。

2.电流。由于电缆连接电池，逆变器和电动机，高压电缆需要传输高电流。根据系统组件的功率要求，电流可达到250A到450A。这么高的电流在常规驱动的车辆上是很难找到的。

3.温度。高电流传输的结果导致高功耗和组件的加热。因此高压电缆设计为承受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。

相比之下，目前的车辆通常使用电缆的额定温度到105℃就足够了，只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高压电缆通常要高于这个温度，如125℃或150℃。

电动汽车内如果通过的路由不利，主机厂甚至会提出更高的耐高温要求。如排气管附近，电机前面，电池背面等。

4.工作寿命。汽车行业通常在指定的温度等级电缆设计使用寿命为3000h。在公认的电缆标准(如ISO 6722、ISO 14572)，此值通常用于长期老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能超过3000h，在规定的温度累计运行时间甚至达到至12000h。

三、电动车电缆的标准化现状

针对上述的电动汽车应用的高压电缆的挑战和要求，有必要建立新的电缆标准，以满足供应商、线束厂以及主机厂的需要。

国际标准化组织道路车辆技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆工作组(ISO/TC22/SC3/WG4)在开展这项工作。

在ISO 6722上可以看到，基于常见的60V电缆标准进行了修订，以符合600V电缆的需求。因为它的大多要求还是很通用的，但往往不考虑高压电缆所需的特殊设计。ISO 14572也作了类似的修订。

目前电压高于600V高压电缆的标准化是各工作组的一个课题。标准号是ISO 17195。

SAE将调整目前的高压(额定600V)规范SAE J1654对高压电缆的要求，并涵盖从600到1000V的额定电压，新创建尚未发布的标准SAE J2840将定义为屏蔽类型的电缆。

LV是德国的五大汽车公司的共同采购规范，目前推出了额定电压600V的电动汽车高压电缆标准LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。

我国的高压屏蔽电缆的国家汽车行业标准正在制定中，其额定电压将达到1000V。

四、电动汽车高压电缆结构设计

标准的产品和非常具体的要求是很难界定的。本文的宗旨是解决基本的设计思路，通过应用先进的高压电缆结构原理克服上文所述的挑战。

1.导体设计。高压电缆的柔韧性，大多是由导体的设计所决定。这就是为什么高压电缆使用具有大量非常小的直径的单丝的特殊导体。一定数量的单丝先进行束绞，然后再同心的复绞，形成高压电缆需要的软导体。

多的根数另外一个好处是更好的耐弯曲。绞线节距缩短，还可以提高高压电缆的弯曲寿命。

图1 耐热150度XLPO电缆交流状态下的载流量和温升

2.柔韧性的优化。对车辆的电缆布线的可用空间值得仔细考虑。仅在车辆某个具体区域紧张的弯曲半径需要会导致整体电缆的柔韧性要求提高。如果可能在整体设计进行小的变更，避免紧弯曲的问题是非常有意义的。

电缆没有必要必须具有最高的柔韧性。确切的定义弯曲力，并结合结构和相应的测试设备，使电缆的设计者创建最合适应用的设计。特别是对较大截面的电缆，用比较柔韧或常规的结构设计替代高柔韧的设计会显着降低成本。

3.屏蔽效果的优化。在一定频率范围内定义的屏蔽效果对电缆的开发是非常必要的。没有关于频率信息的屏蔽效果不是很有用，这可能导致解决方案采用过度的尺寸和使用昂贵的组合屏蔽，从技术角度来看这已经不必要。

通常情况下，电动汽车电缆开发设计阶段可以用理论计算给出一个预期的效果值供考虑。然后用实物通过试验手段进行高压电缆的屏蔽效果验证。

六、结束语

电动汽车的高压线束和传统的布线系统比仍有很长的路要走。具体规范要求通常没有明确界定，这会造成技术上复杂化，从而导致昂贵的解决方案。

开发阶段涉及的所有各方必须采用系统为导向的方法对高压电缆技术和成本合理优化。这些当事方可能包括电缆，连接器和组件供应商商，线束厂以及主机厂。整个系统的知识积累和一个面向目标要求的高压电缆的规范是优化设计的基础。电缆制造的研发部门利用理论计算以及合适的测量设备验证有能力开发更适合应用的电缆。