電動車高壓線束的設計制造

趙平堂，凌文丹， 李志攀，葛君超

（1.鶴壁汽車工程職業學院 汽車零部件及其功能材料研究中心；2.天海汽車電子集團汽車電器工程研究院，河南 鶴壁 458030）

在國家政策和環境污染的雙重壓力下，電動化已成為汽車技術的重要發展趨勢之一。汽車線束是線纜、連接器及其附屬零部件的總成，搭建成汽車電力和數據的網絡。高壓線束的主要功能是在有電壓和所需的安裝環境下安全傳遞電流。而電動汽車具有600V以上高壓及300A以上大電流系統［1］，對高壓線束的線束下線剝頭、壓接方式、屏蔽、高壓線束防護、高壓連接器設計、橡膠件及固定卡扣等技術提出了新的挑戰，我們課題組在這方面也做了大量研究工作，以提高高壓線束的安全可靠性。

圖1 同軸旋切裝置

1 屏蔽電纜線的下線剝頭

屏蔽電纜線下線剝頭時屏蔽層需要均勻完整的剝掉，散開的屏蔽線單股公差要求不能超過1mm，不允許損壞內部絕緣層。崔炳藝等［2］開發了一種同軸旋切裝置 （圖1），采用線材和切斷刀共用同一旋轉軸心，線材靜止刀具旋轉的方法，并且刀具采用不少于兩片沿X／Y兩個方向對切的布置方式，減少切斷過程中線材變形對同心的影響，解決了現有下線采用V形刀上下對切容易傷到內芯線的問題，可實現多層線纜切斷加工，可保證0.03mm的線皮切入精度，實現加工時既能切斷線纜外皮同時又不傷及內芯。

對于屏蔽層一般打散后剪切掉。唐志遠等設計了一種自動的電纜屏蔽層打散裝置［3］。根據電纜屏蔽層編織層的緊密程度，調節兩個毛刷輪子電機轉速，以達到打散不同緊密程度電纜屏蔽層的目的，能夠降低工作難度、提高工作效率，市場上這種類型的屏蔽層打散裝置（圖2）相對較多，打散后仍需人工剪切屏蔽層。黃波則采用高壓電纜屏蔽層處理專用刀［4］，刀片的進退是通過設置在刀殼尾部的微型金屬感應器控制的，通過微型金屬感應器的進給、探測帶動刀片前進，根據電纜屏蔽層的厚度適當調節刀片露出長度即可隨意對屏蔽層切割，由于刀片露出的長度只有屏蔽層厚，所以無論怎么劃都不會傷到電纜的主絕緣，這類設備就不需要人工剪切。

圖2 電纜屏蔽層打散裝置

2 高壓線束的壓接

汽車高壓線束傳輸的額定電流較大，最高可達幾百安，因此選用的電纜直徑也相對較大，這對電纜與接插件端子的壓接品質提出了較高的要求［5］。高壓線束的壓接方式是使其拉脫力和壓接電阻符合標準要求，保證其安全性的關鍵工序。目前行業中主要采用四方壓接 （圖3）和六方壓接 （圖4）方式實現其拉脫力和壓接電阻符合標準的要求。亦可通過類似鋁芯蓄電池線的四方或六方雙壓接進一步提高其拉脫力、降低壓接電阻［6］。

圖3 四方壓接剖面

圖4 六方壓接剖面

宋曉光等［6］則采用分段式壓接 （圖5），比整段式壓接使高壓線束具有更好的機械性能，采用圍壓、點壓相結合的壓接方法合理控制壓接高度、長度，可確保汽車高壓線束具有更好的機械和電氣性能。同時業內也出現了不用壓接的方式，而采用導體與高壓端子尾部超聲波焊接的方式來保證其機械和電氣性能 （圖6），這種方式不僅可以實現銅導體與銅端子的焊接，而且能實現鋁導體與銅端子的焊接。我們則采用金屬管和導體先3個環形凹槽壓接后與銅接觸頭摩擦焊接的方式 （圖7），既防止了銅鋁接觸導致的電偶腐蝕又提高了20%以上拉脫力［7］。把管套在剝開的屏蔽電纜的導體內芯上，對管和導體內芯進行壓接，并對壓接后的管和導體內芯端部切平；管和導體內芯端部切平后與銅接觸頭端的平面端進行摩擦焊接。

圖5 分段式壓接

圖6 導體與端子超聲波焊接線束

圖7 導體與端子摩擦焊接

3 高壓線束的屏蔽

高壓系統在設計方面，考慮到電磁干擾的因素，整個高壓系統均由屏蔽層全部包覆。插件處處理實現屏蔽連接。高壓線束承載的電流大，電磁輻射較強，為了避免電磁輻射對周圍電子設備產生強烈電磁干擾，影響其他電子設備正常運行，電磁屏蔽性能對高壓線束至關重要。高壓線束的屏蔽性能主要包括高壓電纜自身的屏蔽、高壓電纜與高壓連接器結合處的屏蔽性能、高壓連接器自身的屏蔽性能［1］。一般高壓電纜的屏蔽方法是采用鍍錫銅絲編制屏蔽網后再纏繞鋁箔的方法，屏蔽可靠，但編制屏蔽網生產效率低。

我們研究的高壓電纜的屏蔽則采用寬13～17mm、厚0.1～0.15mm紫銅箔、或鍍錫紫銅箔、或青銅箔以30～50角度，相互之間疊壓1.5～2.5mm纏繞而成［8］，高壓線的導體及內外絕緣層采用與普通高壓線束一樣的材料和尺寸，不僅可以實現100%屏蔽，提高了屏蔽效果，同時屏蔽層的制作效率提高50%以上，節省了鋁箔層，壓接時免去了專用設備對剝頭屏蔽網的打撒工序。

葛小可則設計了一種石墨烯電磁屏蔽高壓電纜［9］（圖8），在石墨烯薄膜層設置若干軸向的石墨烯纖維束，采用石墨烯薄膜作為電磁屏蔽層，抗彎折能力好，在穿線彎折過程中，電磁屏蔽層不會斷裂失效。

圖8 石墨烯屏蔽高壓電纜

高壓電纜與高壓連接器結合處的屏蔽一般采用的屏蔽環（圖9），屏蔽環的尺寸依據高壓線束的線徑尺寸而變化并需要專用設備壓接，屏蔽環尺寸的變化則需要開發不同的模具加工，模具的開發需要投入較高的資金，這都增加了高壓線束的成本。我們采用寬13～17mm、厚0.1～0.15mm紫銅、鍍錫紫銅、或青銅膠帶在結合處纏繞代替屏蔽環［8］（圖10），減少了壓接屏蔽環設備，節省了屏蔽環模具的開發投入。

圖9 屏蔽環處理的高壓線束

圖10 銅膠帶屏蔽處理的高壓線束

高壓連接器是高壓線束的重要部件，高壓連接器自身的屏蔽性能一般采用金屬殼體設計。屏蔽型連接器結構復雜，需設計360°全方位屏蔽層 （圖11）［10］，可有效屏蔽電阻的干擾。各屏蔽層間多觸點接觸，降低接觸電阻，增加屏蔽效果。

圖11 一種屏蔽型高壓連接器

張紅娟等開發的一種高壓屏蔽連接器組件［11］，其特征在于所述的主鎖結構和副鎖結構之間設有多邊形結構（圖12）。多邊形結構包括弧面和與弧面相接的平面。高壓屏蔽連接器組件與用電器端屏蔽連續，采用屏蔽層上的凸起結構實現，保證了兩者之間良好的屏蔽導通。通過屏蔽層上鋸齒形結構及固定卡，實現屏蔽層與插座護套主體的一體性設計，增加了屏蔽層側向的緊固力及軸向上的保持力，提升產品品質。

圖12 高壓連接器多邊形屏蔽結構

圖13 自卷式結構高壓線束保護管

4 高壓線束保護設計

布置在底盤部分的高壓線束由于車輛會發生涉水、刮底盤等情況，在布置設計高壓線束的時候考慮防水、防泥沙飛濺、防刮傷等［12］，為了保護高壓電纜，一般的做法是在高壓電纜外層包裹一層保護管。傳統的保護管主要分為兩種，一種是PVC塑料管，另外一種是具有防腐功能的鍍鋅鋼管或鋁管。最近高耀軍等［13］開發了一種自卷式結構高壓線束保護管 （圖13）。采用耐割材料與聚酯單絲編織而成的基層101，與基層粘連的硅樹脂波紋涂層102，第1開口部103與所述第2開口部104形成重疊。波紋涂層的外表面呈波紋狀，具有的波峰與波谷結構用于承受撞擊力，具有良好的耐沖擊力，防撞擊能力達到75J，護套不破裂，導線銅芯不損傷。耐磨等級＞50萬次，阻抗＞10GΩ，擊穿電壓DC＞10kV，AC＞10kV。

5 高壓線束橡膠件及固定卡扣設計

高壓線橡膠件要考慮強度問題，采用橡膠與塑料組合件 （圖14），對鈑金固定匹配、抗拉伸強度都要有保證。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，在橡膠圈設計上體積會大很多，同時固定強度要求也會很高，結構方面相對較復雜，材料選擇方面要求更高。同時，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。線束固定保護件之間的距離不得大于300mm［12］。

為解決出現線束固定壓緊力過大或松曠現象，易出現線束磨損問題，魏駟昌等設計的一種快速安裝式高壓線束固定裝置［14］，該裝置利用卡線槽卡住波紋管的波谷位置，有效杜絕了高壓線束竄動的情況。通過鎖止塊與固定支架上的安裝孔將底座與固定支架鎖緊連接，利用扣蓋上的鎖舌及底座上的鎖止槽實現對高壓線束的快速固定，提高了線束固定的可靠性及裝配施工效率。

針對高壓線束過孔密封件無法可靠地約束車身過孔處的高壓線束，影響車身的NVH （Noise、Vibration、Harshness）性能問題，陸焦等［15］設計的高壓線束過孔密封件中，設有與基座連接的過線管，且過線管靠近基座的一端設有彎曲形狀的導向段，利用該導向段可以承受高壓線束較大的彎折應力，從而減小彎折應力對基座與車身過孔之間密封狀態的影響，能夠可靠地對高壓線束進行約束，改善車身的NVH性能。

圖14 高壓線橡膠與塑料組合件

6 其它設計

高壓線束作為高壓電氣系統的關鍵零組件，為電動汽車運行的安全提供保證，但由于高壓線束在工作時會發熱，從而可能出現因高壓線束溫度過高造成起火的危險，造成高壓線束在使用中的安全隱患。針對這個安全隱患，劉帝平設計了一種溫度可監測的高壓線束［16］。該高壓線束在屏蔽層和外絕緣層之間設一熱敏電阻，通過熱敏電阻的阻值變化監測高壓線束溫度的變化，并對高壓線束持續高溫采取措施，從而消除高壓線束因高溫起火引起的安全隱患。

圖15 易散熱的高壓線束截面圖

葛小可則針對該問題設計了一種易散熱的汽車高壓線束［17］，采用導熱絕緣涂料層起到導熱和絕緣作用，并同時使用導熱纖維編織物層增加強度，最外層采用波紋管增加抗磨損能力 （圖15）。因為導熱絕緣涂料層具有導熱和絕緣兩種特性，在絕緣的同時，可以把銅導線通電時產生熱量向外傳導，導熱纖維編織布也具備導熱性，波紋管是金屬波紋管，波紋管上設有散熱孔，使得汽車高壓線束能夠快速散熱。導熱纖維編織布還起到增加高壓線束抗彎折疲勞強度的作用。

高壓連接器是高壓線束的安全部件，組件多且復雜 （圖16），而高壓大電流接觸結構是高壓連接器的核心，目前高壓大電流連接器接觸結構通常采用機加工的圓柱型線性接觸結構來降低接觸電阻，圓柱型接觸電流分布均勻可以防止局部過熱，但這類圓柱型線性接觸結構加工成本高。最近行業中開始研究采用模具加工的矩形高壓連接器［18］（圖17），以降低高壓線束中高壓連接器的成本。但筆者認為研究高壓片型接觸連接器應注意解決好片型接觸端子電流的邊緣效應問題 （片型接觸部位的邊緣電流會成倍增加），防止邊緣電流過大導致局部過熱問題的出現。

圖16 一種高壓連接器爆炸圖

圖17 矩形高壓連接器

7 結論

總之，由于電動車的高壓和大電流，在高壓線束的設計和制造中，無論是高壓線束的下線剝頭、壓接方式、屏蔽、高壓線束防護、橡膠件及固定卡扣設計制造，還是其它新技術的設計，在實現其大電流傳輸的同時，都要以充分考慮其安全性和屏蔽性為目的。