新能源汽車混合動力系統(tǒng)整車高壓線束設(shè)計

張春梅， 徐 濤

（1. 廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東廣州 511434；2. 上海市政工程設(shè)計研究總院（集團） 有限公司廣州分公司， 廣東廣州 511495）

在資源日益緊張的今天， 節(jié)能減排勢在必行，新能源汽車在突破技術(shù)瓶頸的前提下， 市場還是很廣闊的。 高壓線束在新能源汽車中屬于高安全件，所以高壓線束的設(shè)計及布置至關(guān)重要。

整車高壓線束主要的設(shè)計方案涉及到線束走向設(shè)計、 線徑設(shè)計、 高壓連接器選型、 充電口的類型和應用、 屏蔽設(shè)計、 高壓線束固定卡扣選型、 高壓線槽設(shè)計、 高壓互鎖HVIL設(shè)計、 GROMMET設(shè)計等。

1 高壓線束走向布置及劃分類型

圖1為混合動力高壓部件布局圖。 高壓系統(tǒng)在設(shè)計方面， 考慮到電磁干擾的因素， 整個高壓系統(tǒng)均由屏蔽層全部包覆。 目前國內(nèi)車型全部采用屏蔽高壓線， 日系車也有應用屏蔽網(wǎng)包覆在高壓線外側(cè)， 插件處處理實現(xiàn)屏蔽連接。 同時由于高壓已經(jīng)超出人體安全電壓， 車身不可像低壓系統(tǒng)一樣作為整車搭鐵點， 因此在高壓線束系統(tǒng)的設(shè)計上， 直流高壓電回路必須嚴格執(zhí)行雙軌制。 根據(jù)高壓線束的特性， 我們一般以高壓電器為中心對高壓線束進行劃分， 可分為電機高壓線、 電池高壓線、 充電高壓線等。

電機高壓線一般是連接控制器和電機的高壓線；電池高壓線一般是連接控制器和電池的高壓線； 充電高壓線一般是連接充電機和電池的高壓線。

2 高壓線束特性

高壓線束耐壓與耐溫等級的性能遠高于低壓線束等級， 國內(nèi)主機廠通常采用屏蔽高壓線， 近年來日本主機廠主要采用非屏蔽高壓線外包裹屏蔽網(wǎng)工序。 屏蔽高壓線可減少EMI、 RFI對整車系統(tǒng)的影響。 整條高壓線束回路均實現(xiàn)屏蔽連接， 電機、 控制器及電池等接口高壓線束屏蔽層， 通過插件等壓接結(jié)構(gòu)連接到電池電機控制器殼體， 再與車身搭鐵連接。 高壓線的屏蔽對于電纜傳導數(shù)據(jù)不是必須的， 但是可減少或避免高壓線的輻射。

耐壓性能： 常規(guī)汽車耐高壓額定600 V， 商用車及大巴士電壓可高達1 000 V； 耐電流性能： 根據(jù)高壓系統(tǒng)部件的電流量， 可達250～400 A； 耐溫性能： 耐高溫等級分為125 ℃、 150 ℃、 200 ℃不等，常規(guī)選擇150 ℃導線； 低溫常規(guī)－40 ℃。

3 線徑設(shè)計

需要綜合考慮以下幾方面： ①負載回路的額定電流值； ②電線導體的容許溫度； ③線束工作時周圍環(huán)境的溫度； ④導線自身通電時溫度上升引起的通電率降低； ⑤成捆線束容許電流的折減系數(shù)。

電線容許電流值×環(huán)境溫度引起的通電率降低×捆扎引起的折減系數(shù)﹥額定電流值。

鑒于環(huán)境溫度對通電率降低的影響 （駕駛室內(nèi)40 ℃、 發(fā)動機室80 ℃）， 導體阻抗的上升需做考慮。因此： 電線的耐熱溫度﹥環(huán)境溫度+導體通電時的溫度上升。

導線最大穩(wěn)態(tài)溫升應不超過額定溫度導線絕緣層、 插件材料或其他導線涉及的材料。 導線安培容量很多決定因素變量， 如： 導體尺寸、 絕緣材料、絕緣層厚度、 環(huán)境溫度、 導線捆綁尺寸、 導體材料。

4 高壓連接器及充電口類型和應用

4.1 高壓連接器類型和應用

高壓連接器按有無屏蔽功能分為非屏蔽型連接器（圖2） 和屏蔽型連接器（圖3）。

非屏蔽型連接器結(jié)構(gòu)相對簡單， 無屏蔽功能，成本相對低。 使用在無需屏蔽的位置， 如充電回路、 電池包殼體內(nèi)部及控制器內(nèi)部等由金屬殼體包覆的電器上。

屏蔽型連接器結(jié)構(gòu)復雜， 有屏蔽要求， 成本相對高。 適用于必須有屏蔽功能的地方， 如電器外部與高壓線束的連接。

所有高壓連接器都要求防水， 根據(jù)使用位置不同， 防水等級也不一樣。 目前使用居多的有1P連接器 （圖4）、 2P連接器 （圖5） 及3P連接器， 超過3P的連接器比較少見， 通用性太小而且開發(fā)成本高，一般連接器廠家很少開發(fā)。

1P連接器結(jié)構(gòu)相對簡單， 成本相對低。 滿足高壓系統(tǒng)的屏蔽、 防水等要求， 但裝配工序復雜， 維修性差。 一般可以應用在電池包甩線、 電機甩線等， 也可以使用在高壓電器內(nèi)部電路連接， 如高壓電池包內(nèi)部等。

2P連接器結(jié)構(gòu)復雜， 成本相對高。 滿足高壓系統(tǒng)的屏蔽、 防水等要求， 維修性好。 一般用于直流電輸入輸出， 如高壓電池包上、 控制器端、 充電機直流電輸出端等。

4.2 維修開關(guān)類型和應用

維修開關(guān)在高壓系統(tǒng)中必不可少， 在高壓系統(tǒng)需要檢查維修時， 必須先斷開高壓電源， 主要就是通過斷開維修開關(guān)來實現(xiàn)斷開高壓總電源。

1） 帶熔斷絲開關(guān) （圖6） 一般安裝在高壓電池包上， 并要布置在方便插拔的位置。 特點： 帶熔斷絲， 結(jié)構(gòu)復雜， 成本相對高， 體積相對大， 適用于大電流的高壓系統(tǒng)上。

2） 不帶熔斷絲開關(guān) （圖7） 結(jié)構(gòu)簡單， 成本低， 體積相對小， 適用于布置空間緊張的位置。 如果維修開關(guān)內(nèi)部不帶熔斷絲， 高壓電氣系統(tǒng)中也應該要有熔斷絲對電路進行保護。

4.3 充電接口的類型和應用

兩種充電接口， 一種為車載充電機提供交流電能的接口， 另一種是為電動汽車提供直流電能的接口， 適用于交流額定電壓為220V和直流額定電壓不超過750 V的電動汽車傳導式充電接口。

1） 直流快充充電口（圖8） 滿足國標GBT 20234.3—2011。

車輛插頭和車輛插座分別包含9對觸頭， 其電氣參數(shù)值及功能定義見表1。

表1 直流快充觸頭電氣參數(shù)值及功能定義

車輛插頭和插座的觸頭布置方式如圖9和圖10所示。

充電口和充電座滿足國標要求， 直流快充系統(tǒng)， 電流電壓較大， 整個充電口和充電座的要求更高， 體積比慢充充電口和充電座更大， 成本較高。國標規(guī)定： 快充的額定直流電壓為750 V （DC）， 額定直流電流為125 A和250 A （DC） 兩種規(guī)格。

2） 交流慢充充電口 （圖11） 滿足國標GBT 20234.2—2011。

車輛插頭和車輛插座分別包含7對觸頭， 其電氣參數(shù)值及功能定義見表2。

表2 交流慢充觸頭電氣參數(shù)值及功能定義

車輛插頭和插座的觸頭布置方式如圖12和圖13所示。

充電口和充電座滿足國標要求， 慢充系統(tǒng)與快充系統(tǒng)相比， 工作電壓電流較小， 整個充電口和充電座要求比快充的低， 體積相對較小， 成本稍低。國標規(guī)定， 慢充額定交流電壓為交流250 V和440 V（AC）， 慢充額定交流電流為16 A和32 A （AC）。

5 屏蔽及EMC干擾設(shè)計

高壓線束每個接口均采用屏蔽處理， 前后電機接口處為屏蔽卡環(huán)與電氣盒導軌壓接， 控制器及電池箱插件采用有屏蔽功能的結(jié)構(gòu)件。

EMC是新能源車型面臨的一大問題， 電機、 控制器等高壓部件發(fā)出不同頻段的電磁波對整車音響倒車影像及變速器傳感器等產(chǎn)生干擾， 目前國標沒有詳細關(guān)于此方面的標準。 有些主機廠采用在相關(guān)高壓零件（包括設(shè)備和線束） 均增加磁環(huán) （圖14），整車EMC問題得到大大的改善。

5.1 磁環(huán)材質(zhì)

根據(jù)要抑制干擾的頻率不同， 選擇不同磁導率的鐵氧體材料， 鐵氧體材料的磁導率越高， 低頻的阻抗越大， 高頻的阻抗越小。

5.2 磁環(huán)性能

1） 磁環(huán)的效果與電路阻抗有關(guān) 電路的阻抗越低， 則磁環(huán)的濾波效果越好。 鐵氧體材料的阻抗越大， 濾波效果也越好。 電纜兩端安裝了電容式濾波連接器時， 其阻抗很低， 磁環(huán)的效果更明顯。

2） 磁環(huán)的安裝位置 一般盡量靠近干擾源。對于高壓系統(tǒng)的高壓線， 磁環(huán)盡量靠近電機、 控制器高壓線的進出口。

3） 磁環(huán)尺寸的確定 磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長， 阻抗越大。 內(nèi)徑一定要包緊導線， 因此， 要獲得大的衰減， 在磁環(huán)內(nèi)徑包緊導線的前提下， 盡量使用體積較大的磁環(huán)。

4） 電纜上磁環(huán)的個數(shù) 增加電纜上磁環(huán)的個數(shù)， 可以增加低頻的阻抗， 但高頻的阻抗會減小，這是因為寄生電容增加的緣故。

6 車底板高壓線束保護設(shè)計

高壓線束系統(tǒng)必須滿足整車總體布置及人機工程的要求， 對于布置在發(fā)動機艙及底盤部分的高壓線束應特別注意線束的保護方式。 布置在底盤部分的高壓線束應充分考慮車輛涉水、 刮底盤等情況，在布置設(shè)計高壓線束的時候充分考慮防水、 防泥沙飛濺、 防刮傷等因素， 可以采用塑料線槽、 金屬彎管設(shè)計來保護高壓線束。 線槽考慮可裝配性， 分槽蓋導槽將高壓線束扣合后固定在車底板上， 金屬管為彎折機器加工成型， 工藝相對繁瑣。 本田思域為線槽結(jié)構(gòu)， 豐田普瑞斯為金屬管結(jié)構(gòu)。

7 高壓互鎖HVIL設(shè)計

高壓部件帶有高壓互鎖人性化安全設(shè)計， 貫穿整車所有高壓部件， 拆卸前必須先斷開高壓互鎖結(jié)構(gòu)才可執(zhí)行拆卸操作。 由BMS、 HCU執(zhí)行控制反饋。

8 高壓線GROMMET方案設(shè)計

橡膠圈是固定在線束上的橡膠類部品， 和車體相應部分相配合， 起密封、 防水等效果， 多用于線束穿過車身鈑金的地方。

高壓線橡膠件考慮強度問題， 采用橡膠與塑料組合件， 對鈑金固定匹配、 抗拉伸強度都有保證。高壓線束一般較粗， 彎曲應力相對很大， 高壓連接器體積較大， 在橡膠圈設(shè)計上體積會大很多， 同時固定強度要求也會很高， 結(jié)構(gòu)方面相對較復雜， 材料選擇方面要求會更高。

9 高壓線束固定卡扣選型和包覆物

高壓線束由于強度大， 選擇推拉式螺柱固定卡扣， 便于裝配維修。 包覆物的作用主要有防磨、 降噪、 隔熱、 美觀等， 特性如表3所示。

表3 線束包覆物特性一覽表

10 結(jié)束語

高壓線束線徑的合理選擇， 固定保護的優(yōu)化布置， 成本控制都成為高壓線束設(shè)計的要務(wù)， 新能源汽車有著廣泛的市場前景。

［1］ GB／T 19751—2005， 混合動力電動汽車安全要求［S］.

［2］ GB／T 20234—2011， 電動汽車傳導充電用連接裝置［S］.

［3］ GB／T18487.1， 電動車輛傳導充電系統(tǒng)一般要求［S］.

［4］ SAE J1673—High Voltage Automotive Wiring［S］.