電動汽車用高壓電纜的設計和開發

(北京福斯汽車電線有限公司 北京 100000)

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電動汽車用高壓電纜的設計和開發

施愛偉

(北京福斯汽車電線有限公司北京100000)

本文旨在厘清電動汽車高壓電纜的用戶(主機廠和線束廠)對用于連接高壓電池、逆變器、空調壓縮機、三相發電機和電動機的高壓電纜的各種技術需求；提出了作為汽車零部件供應商和現有的標準的低壓汽車電纜設計相比在機械和電氣要求方面開發高壓電纜面臨的挑戰。本文也闡述了采用設計方法、材料和電纜選型克服挑戰，同時滿足汽車行業的嚴格要求的途徑。

電動汽車；高壓電纜；電纜

一、概述

國際原油價的不斷上漲，全社會對環境惡化全球變暖的更加關注，加之各國政府稅收的傾斜和政策的扶持，促使在全世界范圍內替代能源尤其是電動汽車的市場份額不斷增長。電動汽車的基本原理似乎很簡單。但深入分析，系統的制造商正在面臨著一系列的挑戰需要克服。對電動汽車高壓電纜，其柔韌性，屏蔽，安全，尺寸等項目提出了新的技術要求，因為這些會影響大電流和高電壓的組件的布線。而面對每一個可能的動力系統不同的技術要點，對所需的組件也提出了不同的特殊要求。

二、對電動汽車高壓電纜的要求

創新的電動汽車設計對高壓電纜和系統組件提出了新的挑戰，這些要求不能完全采用現有的解決方案。具體要求分析如下。

1.電壓。和常規汽車電纜的基本差異是結構需要按額定電壓600V設計，而如果在商用車和公共汽車上使用，額定電壓可高達1000V。相比之下，甚至更高。目前由內燃機驅動的汽車使用的電纜被設計為額定電壓60V。

系統在產生的功率(P=U×I)不變的情況下，由于使用較低的電流，高電壓可以減少在傳輸系統的功率損耗(PLOSS=I2×R)。

2.電流。由于電纜連接電池，逆變器和電動機，高壓電纜需要傳輸高電流。根據系統組件的功率要求，電流可達到250A到450A。這么高的電流在常規驅動的車輛上是很難找到的。

3.溫度。高電流傳輸的結果導致高功耗和組件的加熱。因此高壓電纜設計為承受較高的溫度。目前可以看出對溫度要求有進一步增加的趨勢。

相比之下，目前的車輛通常使用電纜的額定溫度到105℃就足夠了，只要是電纜不是用在發動機艙或其它耐較高的溫度的區域。電動汽車高壓電纜通常要高于這個溫度，如125℃或150℃。

電動汽車內如果通過的路由不利，主機廠甚至會提出更高的耐高溫要求。如排氣管附近，電機前面，電池背面等。

4.工作壽命。汽車行業通常在指定的溫度等級電纜設計使用壽命為3000h。在公認的電纜標準(如ISO 6722、ISO 14572)，此值通常用于長期老化試驗。在高壓應用領域的客戶的特殊要求可能超過3000h，在規定的溫度累計運行時間甚至達到至12000h。

三、電動車電纜的標準化現狀

針對上述的電動汽車應用的高壓電纜的挑戰和要求，有必要建立新的電纜標準，以滿足供應商、線束廠以及主機廠的需要。

國際標準化組織道路車輛技術委員會電氣電子分技術委員會車用電纜工作組(ISO/TC22/SC3/WG4)在開展這項工作。

在ISO 6722上可以看到，基于常見的60V電纜標準進行了修訂，以符合600V電纜的需求。因為它的大多要求還是很通用的，但往往不考慮高壓電纜所需的特殊設計。ISO 14572也作了類似的修訂。

目前電壓高于600V高壓電纜的標準化是各工作組的一個課題。標準號是ISO 17195。

SAE將調整目前的高壓(額定600V)規范SAE J1654對高壓電纜的要求，并涵蓋從600到1000V的額定電壓，新創建尚未發布的標準SAE J2840將定義為屏蔽類型的電纜。

LV是德國的五大汽車公司的共同采購規范，目前推出了額定電壓600V的電動汽車高壓電纜標準LV 216。其涵蓋單芯和多芯的屏蔽電纜。

我國的高壓屏蔽電纜的國家汽車行業標準正在制定中，其額定電壓將達到1000V。

四、電動汽車高壓電纜結構設計

標準的產品和非常具體的要求是很難界定的。本文的宗旨是解決基本的設計思路，通過應用先進的高壓電纜結構原理克服上文所述的挑戰。

1.導體設計。高壓電纜的柔韌性，大多是由導體的設計所決定。這就是為什么高壓電纜使用具有大量非常小的直徑的單絲的特殊導體。一定數量的單絲先進行束絞，然后再同心的復絞，形成高壓電纜需要的軟導體。

多的根數另外一個好處是更好的耐彎曲。絞線節距縮短，還可以提高高壓電纜的彎曲壽命。

圖1 耐熱150度XLPO電纜交流狀態下的載流量和溫升

2.柔韌性的優化。對車輛的電纜布線的可用空間值得仔細考慮。僅在車輛某個具體區域緊張的彎曲半徑需要會導致整體電纜的柔韌性要求提高。如果可能在整體設計進行小的變更，避免緊彎曲的問題是非常有意義的。

電纜沒有必要必須具有最高的柔韌性。確切的定義彎曲力，并結合結構和相應的測試設備，使電纜的設計者創建最合適應用的設計。特別是對較大截面的電纜，用比較柔韌或常規的結構設計替代高柔韌的設計會顯著降低成本。

3.屏蔽效果的優化。在一定頻率范圍內定義的屏蔽效果對電纜的開發是非常必要的。沒有關于頻率信息的屏蔽效果不是很有用，這可能導致解決方案采用過度的尺寸和使用昂貴的組合屏蔽，從技術角度來看這已經不必要。

通常情況下，電動汽車電纜開發設計階段可以用理論計算給出一個預期的效果值供考慮。然后用實物通過試驗手段進行高壓電纜的屏蔽效果驗證。

六、結束語

電動汽車的高壓線束和傳統的布線系統比仍有很長的路要走。具體規范要求通常沒有明確界定，這會造成技術上復雜化，從而導致昂貴的解決方案。

開發階段涉及的所有各方必須采用系統為導向的方法對高壓電纜技術和成本合理優化。這些當事方可能包括電纜，連接器和組件供應商商，線束廠以及主機廠。整個系統的知識積累和一個面向目標要求的高壓電纜的規范是優化設計的基礎。電纜制造的研發部門利用理論計算以及合適的測量設備驗證有能力開發更適合應用的電纜。