電動汽車用動力線纜電氣性能及試驗方法綜述

柳海明，吳艷艷，張廣玉，蔡淑蓉

（1.中國汽車技術研究中心有限公司 天津市電動汽車評價技術企業重點實驗室，天津300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

電動汽車因其電氣結構及使用特點，要求動力線纜必須采用高壓屏蔽線纜。對應的國家標準還在起草制定中。很多企業對高壓屏蔽線纜的技術指標要求不明確，對檢驗方法不了解。通常企業會比較關心線纜的絕緣耐壓、插接件的插拔次數、防水防塵等性能要求，但除此之外還應兼顧電磁性能方面的要求。電動汽車用動力線纜的電氣性能應至少包括電氣安全和電磁特性兩部分。

1 電氣安全

1.1 載流量

電纜傳輸電能會在線路產生損耗，損耗以熱量形式散發。在熱穩定條件下，線纜導體在長期允許工作溫度下所能通過的電流即為線纜最大允許的承載電流。針對電纜的安全載流量，國家標準詳細地給出了電流載流量內部影響因素和計算公式［1］。該承載電流與線纜導體的截面積、導電率和導體外部的絕緣材料有關。導線截面積與載流量呈正相關，通常安全載流量銅線為5～8 A/mm2，鋁線為3～5 A/mm2。文獻［2］給出了一種線纜載流量驗證試驗的方法，驗證結果表明依據標準計算結果可以作為線路設計和電纜選型的參考依據。文獻［3］結合系統用電負荷、連接方式梳理了線路長期運行載流量的選擇過程并計算了交流系統單芯電纜金屬層的感應電壓，對電動汽車電機三相線的選擇具有借鑒作用。

1.2 耐壓性能

一般純電動乘用車驅動系統的電壓范圍在48～400 V左右，而純電動商用車可達800～1 000 V，這對線纜的耐壓性能提出了更高要求。電動汽車高壓屏蔽線纜的金屬導體與屏蔽層之間、金屬導體與部件外殼之間、金屬導體與其它導體之間都應承受一定絕緣耐壓等級，不會出現介質擊穿或電弧現象。國家標準GB/T 11918.1給出了絕緣耐壓的試驗方法，在規定的部件之間持續1 min輸入50 Hz和60 Hz的電壓觀察試驗現象［4］。

1.3 絕緣電阻

絕緣電阻是與耐壓性能緊密聯系的另一表征安全特性的指標。國家標準GB/T 11918.1要求絕緣電阻不得小于5 MΩ，用500 V的電壓施加1 min后進行測量。標準給出了插頭、插座和本體之間絕緣電阻測量順序要求［4］。

2 電磁性能

電動汽車因其工作特性，高壓系統內部存在大量的功率轉換模塊，如車輛連接電網進行充電需要AC/DC轉換；動力電池提供的電能轉換成交流驅動電機輸出的機械能需要DC/AC轉換；車載電器工作的12V電源需要由動力電池高電壓轉換，從而需要DC/DC轉換裝置。所有這些轉換都會帶來電磁兼容方面的問題。一般來說，轉換效率越高，電路中du/dt或di/dt越大，電磁干擾越嚴重。因此，在電動汽車高壓系統中采用屏蔽線纜以降低電磁干擾成為普遍做法。電動汽車高壓屏蔽線纜電磁特性主要表現為屏蔽層接觸阻抗和屏蔽效能。

2.1 屏蔽層接觸阻抗

屏蔽層接觸阻抗又稱直流阻抗，體現了高壓屏蔽線纜與插接件、部件殼體之間的連接效果。如圖1所示，測量不同的接觸點之間的直流電阻，一般要求直流阻抗＜5mΩ。使用微電阻計即可完成試驗。

圖1 屏蔽層接觸阻抗測量示意圖

2.2 屏蔽效能

屏蔽效能（Shielding Effectiveness）是用來衡量屏蔽的效果，是指沒有屏蔽時空間某個位置的場強與有屏蔽時該位置的場強的比值，單位為分貝（dB）。

如果用功率來表示屏蔽效能，公式為

式中：P0——未加屏蔽時觀測點的功率；P1——增加屏蔽后觀測點的功率。

對于電場，屏蔽效能的公式表示為

式中：E0——未加屏蔽時觀測點的電場強度；E1——增加屏蔽后觀測點的電場強度。

對于磁場，屏蔽效能的公式表示為

式中：H0——未加屏蔽時觀測點的磁場強度；H1——增加屏蔽后觀測點的磁場強度。屏蔽效能越大，其屏蔽效果越好。

在工程實踐中，屏蔽線纜的屏蔽效能通常有以下幾種評估方式。

2.2.1 屏蔽層編織密度與結構

由于國內目前暫時缺乏針對屏蔽線纜屏蔽效能的測試標準，汽車企業通常從屏蔽線纜屏蔽層編織密度和結構上定性地提出相應技術要求。

電動汽車用帶屏蔽層的高壓屏蔽線纜主要可以分為兩大類：一是單一金屬絲編織屏蔽層，成本相對較低，如圖2所示；二是金屬絲編織層與鋁塑復合帶屏蔽結構，如圖3所示。

圖2 單一金屬絲編織屏蔽層高壓屏蔽線纜

文獻資料表明，對于單一金屬絲編織屏蔽層線纜而言，編織角度小于45°的屏蔽性能要優于編織角度大于45°的線纜，在編織角度相近的情況下，編織密度越大時屏蔽性能越好［5］。一般車企對電動汽車高壓屏蔽線纜屏蔽層的編織密度要求要達到80%～90%左右。

圖3 金屬絲編織層與鋁塑復合帶屏蔽線纜

對于金屬絲編織層與鋁塑復合帶屏蔽結構的線纜，采用鋁塑復合帶內包的屏蔽效果要遠好于外包的結構，因為鋁塑復合帶外包時內部編織層不能完好地與線纜內導體貼合，從而引起電磁泄漏［5］。對于此類結構的屏蔽線纜，編織層編織密度至少應達到40%以上。

2.2.2 表面轉移阻抗

屏蔽層表面轉移阻抗是一種間接評價線纜屏蔽效能的方法。

圖4為屏蔽線纜模型。屏蔽線纜的表面轉移阻抗定義為單位長度的線纜屏蔽層上感應電壓跟流經內導體電流的比值，即

圖4 屏蔽線纜模型

式中：ZT——表面轉移阻抗；U2——感應電壓；I1——內導體電流；Lc——線纜的耦合長度。

表面轉移阻抗的測試方法主要有2種：三同軸法和線注入法。

文獻［6，7，8］詳細給出了三同軸法的原理及測試方法。三同軸法是把被測線纜置于同軸的無鐵磁性的良導體管（比如黃銅或純銅）內進行測量的方法。同軸電纜內導體、同軸電纜外導體和同軸的良導體管三者構成一個三同軸裝置。主要有2種操作方式：一種由同軸電纜注入信號，遠端管子取出耦合信號；另一種由遠端管子注入信號，同軸電纜取出耦合信號。測試布置如圖5所示。

圖5 三同軸法測試布置示意圖

式中：ZT——轉移阻抗；R1——內導體的終端電阻；R2——線纜外部屏蔽層連接的終端電阻；Lc——耦合長度；ameas——測量的衰減；acal——校準時測量的復合損耗；Km——匹配電路的電壓增益［6］。

三同軸法對測試夾具的精度要求比較高，以達到電路匹配減小反射。該方法適用于低頻范圍，一般不超過100 MHz。

線注入法是另一種常用的測試方法。與三同軸法相比，對測試夾具的要求相對較低。測試布置如圖6所示。試驗前首先進行校準，測量注入線路自身的損耗大小。測試時接收機測量屏蔽線纜內導體上的耦合電壓。同樣要求信號源注入的信號在耦合裝置上的反射盡可能小，至少衰減20 dB以上。線注入法在實施過程中通常每隔120°或90°圍繞屏蔽線纜屏蔽層布置一根注入線，每測量一次將被測線纜以芯線為軸旋轉，測量3～4次以獲得更準確的結果，測量結果取最大值。測試中應確保注入線纜與待測線纜的相對位置固定且阻抗匹配。

圖6 線注入法測試布置示意圖

線注入法的計算公式為

式中：ZTEn——近端測量的等效轉移阻抗；ZTEf——遠端測量的等效轉移阻抗；R2——線纜外部屏蔽層連接的終端電阻；Lc——耦合長度；ameasn和ameas1——分別為近端和遠端測量的衰減；acal——校準時測量的復合損耗；Km——匹配電路的電壓增益［6］。

線注入法的測試范圍一般可以覆蓋10 kHz～1 GHz。

通過實測和仿真計算對比，發現線纜在低頻段轉移阻抗近似等于直流阻抗值，隨著頻率的升高轉移阻抗會上升，當頻率足夠高時線纜的電阻分量可以忽略不計［8］。電動汽車高壓屏蔽線纜的屏蔽層表面轉移阻抗，一般要求在30 MHz頻率以下應至少低于50 mΩ/m。

2.2.3 屏蔽衰減

屏蔽衰減適用于測試線纜為電大尺寸時對屏蔽線纜的屏蔽效能評價，一般為30 MHz以上頻率范圍。主要測試方法有2種：三同軸法和功率吸收鉗法。

三同軸法測量屏蔽衰減的測試布置如圖5所示。其計算公式為

式中：as——屏蔽衰減，dB；U1——饋入到內部電路的電壓，V；U2——屏蔽線纜外部電路上接收機測得的電壓，V；Z1——受試線纜的特征阻抗，Ω；ZS——標準化的阻抗（等于150Ω）［6］。

功率吸收鉗法需要在近端和遠端分別進行測量，并取其最大值。測試布置如圖7所示。由于線纜表面傳播的電磁波會在發射板處產生發射，從而影響功率吸收鉗的測量結果，因此應在線纜上增加輔助吸收鉗。信號從受試線纜注入，線纜內導體與屏蔽層構成第一級電路，線纜的屏蔽層與周圍環境構成第二級電路［9］。從線纜屏蔽層泄漏到周圍環境的電磁波在近端和遠端分別被功率吸收鉗接收測得感應信號功率，選擇近端與遠端兩者中較大測量值作為測量結果進行計算，則線纜的屏蔽衰減表示為

式中：as——屏蔽衰減，dB；P0——矢量網絡分析儀輸出功率，W；Pn，Pf——分別為矢量網絡分析儀在近端和遠端測量的接收功率，W；am——測試裝置的插入損耗，dB；acab——從連接點到功率吸收鉗電流探頭位置的線纜衰減，dB。對于近端測量時acab可以忽略不計［6］。

圖7 功率吸收鉗法測試布置示意圖

文獻［10］中給出了鋁塑復合帶加編織外導體結構的屏蔽衰減示例，見表1。從表1中可以看出編織密度在40%～50%左右時，屏蔽線纜在50 MHz及以下已難以滿足60 dB屏蔽衰減的要求。結合電動汽車驅動系統的電磁兼容測試經驗和電動汽車整車電磁兼容國家標準的限值要求，筆者推薦針對動力線纜的屏蔽衰減要求100 MHz以下應至少滿足60 dB屏蔽衰減。

3 結束語

電動汽車用動力線纜的電氣特性目前國內暫無標準可依。筆者嘗試從電氣安全和電磁特性這兩方面給出技術要求和試驗方法，以供參考。其中電磁性能近年來受到眾多車企和新能源高壓部件供應商的關注。文中介紹的試驗方法雖然在國際上已經比較成熟，但國內檢測機構或實驗室配套的檢驗能力還有待進一步完善和提升。

表1 聚乙烯絕緣同軸電纜屏蔽衰減