電動汽車高壓電纜材料及其制備工藝概述

葉永盛，鄧騰飛，李鍛能，廖錦仁

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣州南洋電纜有限公司,廣東廣州 510702)

0 引言

新時代新能源汽車產(chǎn)業(yè)擔(dān)負(fù)著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和保護(hù)大氣環(huán)境的雙重使命，極大帶動電動汽車用高壓電纜等相關(guān)配件的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各電纜廠商和認(rèn)證機(jī)構(gòu)紛紛投入大量精力到電動汽車高壓電纜的研發(fā)中。作為華南地區(qū)研發(fā)制造電線電纜的龍頭企業(yè)，廣州南洋電纜有限公司也進(jìn)軍了該領(lǐng)域，公司從芬蘭麥拉菲爾公司成套引進(jìn)目前國際技術(shù)領(lǐng)先的兩條500 kV的三層共擠立式交聯(lián)電纜生產(chǎn)線，并建設(shè)了華南地區(qū)最高的交聯(lián)立塔，還引進(jìn)了德國西科拉公司自動在線測徑測偏儀，研發(fā)了一系列新能源汽車內(nèi)部用高壓電纜新產(chǎn)品。

電動汽車用高壓電纜的各方面性能要求高，與傳統(tǒng)汽車電纜相比，高壓電纜至少需要達(dá)到額定電壓AC 600V/DC 900V，額定溫度要達(dá)到125～250 ℃才能基本滿足組件發(fā)熱的要求，同時應(yīng)該符合RoHSb標(biāo)準(zhǔn)、阻燃等級UL94V-0級標(biāo)準(zhǔn)要求和柔軟等性能。由于電纜在使用過程中會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，對內(nèi)部電氣部件形成EMI，因此具備良好的屏蔽性能是電動汽車安全工作的必要條件。

本文作者結(jié)合公司產(chǎn)品研發(fā)情況概述電動汽車用高壓電纜的材料及制備工藝。圖1為一典型電動汽車高壓電纜的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)主要分為七層。

1 高壓電纜的材料技術(shù)

1.1 電纜的導(dǎo)體材料

目前電纜導(dǎo)體層的材料主要有銅和鋁兩種。少數(shù)企業(yè)認(rèn)為鋁芯能夠大幅度降低它們的生產(chǎn)成本，通過在純鋁材料的基礎(chǔ)上添加銅、鐵、鎂、硅等多種元素，經(jīng)過特殊的工藝合成和退火處理等工藝，提高電纜的導(dǎo)電性能、彎曲性能和耐腐蝕性能，在滿足同等載流量的要求下，達(dá)到能與銅芯導(dǎo)體一樣的效果甚至更佳，進(jìn)而大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。但是大部分企業(yè)仍然把銅作為導(dǎo)體層的主要材料，首先銅的電阻率較低，其次銅大部分性能都優(yōu)于同級別的鋁，如載流量大、電壓損失低、能耗低和可靠性強(qiáng)等。目前導(dǎo)體選材一般采用國標(biāo)6類軟導(dǎo)體(單根銅絲伸長率必須大于25%，單絲直徑小于0.30)去保證銅單絲柔軟性、韌性強(qiáng)。表1列出了常用的銅導(dǎo)體材料所需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 常用銅導(dǎo)體材料的標(biāo)準(zhǔn)要求

1.2 電纜的絕緣層材料

電動汽車內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，在選用絕緣材料時，一方面要保障好絕緣層的安全使用，另一方面盡可能選擇易加工和使用廣泛的材料。目前常用的絕緣材料有聚氯乙烯(PVC)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、硅橡膠、熱塑性彈性體(TPE)等，其主要性能見表2。其中PVC中含有鉛，但《RoHS指令》中禁止使用鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴二苯醚(PBDE)和多溴聯(lián)苯(PBB)等有害物質(zhì)，因此近年來PVC已被XLPE、硅橡膠、TPE等環(huán)保材料替代。

表2 常用的絕緣材料性能對比

如今車內(nèi)高壓電纜一般采用具有阻燃效果的聚氯乙烯作為絕緣層材料，但其在高溫環(huán)境下容易老化，耐高溫性能較差。廣州南洋電纜有限公司的王志輝等[1]設(shè)計的一種新能源汽車內(nèi)部用高壓電纜中使用阻燃硅橡膠作為絕緣層材料，并將絕緣層擠包于內(nèi)包帶層外，讓電纜具備良好的耐高低溫效果，使電纜能夠長期在-60～200 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)使用。中天科技裝備電纜有限公司的姚騫等人[2]制備了一種新能源汽車內(nèi)部用高壓電纜，采用了自調(diào)配方的150 ℃輻照交聯(lián)乙丙橡膠合金材料，該材料在20 ℃體積電阻率不小于1×1012Ω·m，介電強(qiáng)度不小于30 MV/m，具備優(yōu)異的絕緣性能。

1.3 電纜的屏蔽層材料

屏蔽層分為半導(dǎo)電屏蔽層和編織屏蔽層兩部分，半導(dǎo)電屏蔽層是近些年來國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)一直努力攻克的難題，但由于技術(shù)方面落后于國外，導(dǎo)致國內(nèi)電纜所使用的高純聚乙烯、EVA等基體聚合物材料主要依賴進(jìn)口。國內(nèi)生產(chǎn)的導(dǎo)電炭黑也與國外生產(chǎn)的高質(zhì)量炭黑有差距，由于炭黑性價比高，各大炭黑廠商生產(chǎn)的高潔凈乙炔炭黑依然是市場上的主流。

半導(dǎo)電屏蔽材料在20 ℃和90 ℃以及老化后的體積電阻率是衡量屏蔽材料的重要技術(shù)指標(biāo)，它間接地決定了高壓電纜的使用壽命。在原材料毫無優(yōu)勢且質(zhì)量水平在短期內(nèi)無法提高的情況下，科研機(jī)構(gòu)和電纜料生產(chǎn)企業(yè)聚焦于屏蔽料的加工工藝、配方比的研究，同時尋求屏蔽料組分配比上的創(chuàng)新。

2 高壓電纜制備工藝

2.1 導(dǎo)體絞線工藝

目前，電動汽車用高壓電纜的發(fā)展迅速，對應(yīng)的成型工藝也與傳統(tǒng)電纜的成型工藝大有不同，兩種工藝流程對比如圖2所示。

由圖2可知，電纜的基礎(chǔ)工藝發(fā)展較久，因此在行業(yè)和企業(yè)也有各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在拉絲工藝過程中，根據(jù)單絲退扭方式，絞線設(shè)備可分為退扭絞線機(jī)、不退扭絞線機(jī)和退扭/不退扭絞線機(jī)[3]，由于銅導(dǎo)體結(jié)晶溫度高，退火溫度及時間較長，宜采用不退扭絞線機(jī)設(shè)備進(jìn)行連拉連退式拉制單絲，提高拉絲伸長斷裂率。

圖2 傳統(tǒng)電纜與高壓電纜工藝流程對比圖

目前，交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)在1～500 kV電壓等級間已全面取代了油紙電纜。XLPE導(dǎo)體有圓形緊壓和型線絞合[4-5]兩種較為常見的導(dǎo)體成型工藝。圓絲緊壓線芯一方面可以避免在交聯(lián)管道中的高溫、高壓將其屏蔽料和絕緣料壓入絞線間隙而造成廢品;另一方面還可以防止水分沿導(dǎo)體方向滲入，保障電纜安全運(yùn)行。型線絞合銅導(dǎo)體本身為同心絞結(jié)構(gòu)，多采用普通框式絞線機(jī)、叉絞線機(jī)等絞合生產(chǎn)，與圓形緊壓工藝相比，它能保證導(dǎo)體絞合圓整成型。

2.2 XLPE電纜絕緣生產(chǎn)工藝

對于高壓XLPE電纜的生產(chǎn)基本采用懸鏈?zhǔn)礁煞ń宦?lián)(CCV)和立塔式干法交聯(lián)(VCV)兩種成型工藝，實(shí)際上兩種工藝生產(chǎn)的電纜都存在交聯(lián)不充分等問題，會在絕緣層留有部分交聯(lián)副產(chǎn)物，對電纜的性能都有一定的影響[6]，表3為兩種工藝的優(yōu)劣對比。

由表3可知，兩種工藝都適用于中高壓及超高壓的XLPE交聯(lián)電纜的生產(chǎn)，但出于綜合考慮大部分電纜廠商都在生產(chǎn)線上使用CCV工藝。對于解決CCV工藝生產(chǎn)絕緣線芯過程中絕緣層由于重力作用而導(dǎo)致的偏心和圓整度問題，早在之前芬蘭麥拉菲爾公司開發(fā)出了獨(dú)特的專利技術(shù)——進(jìn)端熱處理技術(shù)(EHT技術(shù))[7]，并且這項技術(shù)對于絕緣線芯而言是非接觸式的，將熱熔融狀態(tài)的絕緣材料進(jìn)行了絕緣外表的冷卻處理,使得絕緣層產(chǎn)生一個向心的作用力,以致于使絕緣內(nèi)部處于熔融狀態(tài)的絕緣體能回到圓整的狀態(tài),從而消除絕緣下垂現(xiàn)象，所以可以很好地保證絕緣層和導(dǎo)體在內(nèi)的圓整度和同心度。在整個交聯(lián)生產(chǎn)過程中，配備在線監(jiān)測裝置可以隨時監(jiān)測絕緣線芯的偏心度以及絕緣層和內(nèi)外屏蔽層厚度，保證產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 CCV和VCV的優(yōu)劣對比表

2.3 擠出工藝

較早時期，電纜廠商多采用二次擠出工藝來生產(chǎn)電纜絕緣層線芯，第一步同時擠出導(dǎo)體屏蔽層和絕緣層，然后進(jìn)行交聯(lián)并繞到電纜盤上，放置一段時間后再擠出絕緣屏蔽。20世紀(jì)70年代期間，絕緣線芯出現(xiàn)了一種1+2三層擠出工藝，使得內(nèi)外屏蔽和絕緣可以在一道工序中完成[8]。該工藝先擠出導(dǎo)體屏蔽，經(jīng)過較短的距離(2～5 m)后，再在導(dǎo)體屏蔽上同時擠出絕緣和絕緣屏蔽。

但是前兩種方法都有很大弊端，于是在20世紀(jì)90年代末，電纜生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商推出了三層共擠生產(chǎn)工藝，將導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽同時擠出，表4為3種擠出工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對比。為了對比1+2工藝和三層共擠工藝生產(chǎn)的電纜，文獻(xiàn)[9]對兩種工藝生產(chǎn)的電纜根據(jù)IEEE 1407—1998進(jìn)行了加速老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明三層共擠工藝生產(chǎn)的電纜比1+2工藝生產(chǎn)的電纜具有更好的老化特性和擊穿強(qiáng)度。因?yàn)槿龑庸矓D機(jī)頭的流道中會產(chǎn)生掛膠老化，所以擠出機(jī)連接的伸縮套管內(nèi)表面也需拋光。在前些年國外也推出了新的擠出機(jī)機(jī)筒頭部和弧形網(wǎng)板設(shè)計[10]，通過均衡螺桿頭部空腔內(nèi)料流壓力來緩解積料產(chǎn)生,延長了連續(xù)生產(chǎn)時間，更換不停機(jī)換規(guī)格的機(jī)頭設(shè)計還可以大大節(jié)約停機(jī)費(fèi)用和提高效率。

表4 3種擠出工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 結(jié)束語

新能源汽車良好的發(fā)展前景與巨大的市場需要一系列具有高載流量、耐高溫、電磁屏蔽效果好、耐彎折、柔韌性強(qiáng)、工作壽命長等優(yōu)良性能的車內(nèi)高壓電纜產(chǎn)品投入生產(chǎn)并占據(jù)市場。

(1)性價比高的導(dǎo)體材料仍是鍍錫銅，并且其加工處理技術(shù)相對成熟。與之相關(guān)的型線絞合工藝經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和市場應(yīng)用情況證明后，比圓形緊壓工藝所生產(chǎn)產(chǎn)品的耐溫能力、抗氧化性等性能更優(yōu)。

(2)在絕緣層選材上，電纜的阻燃性對于汽車的安全行駛是剛需，因此硅橡膠是目前安全性較高的絕緣層材料。在XLPE電纜絕緣層的生產(chǎn)工藝中，選用CCV工藝顯然會提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，如果能夠引進(jìn)EHT技術(shù)并且進(jìn)一步改善絕緣層偏心和圓整度，不僅能領(lǐng)先行業(yè)水平，還能提高生產(chǎn)效益。

(3)目前市場上典型的電動汽車動力電纜屏蔽結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)電屏蔽層+金屬編織屏蔽，編織屏蔽是目前可靠性和柔軟性最高的金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，并且大幅度地電纜不被高功耗的電氣設(shè)備造成的電磁干擾，保障電動汽車使用安全。