电动汽车高压电缆性能要求及标准

1、电动汽车高压电缆性能要求及 标准作者:日期:电动汽车高压电缆性能要求及标准本文旨在厘清电动汽车高压电缆的用户（主机厂和线束厂）对用于连接高压电池、 逆变器、空调压缩机、三相发电机 和电动机的高压电缆的各种技术需求；提出了作为汽车零部件供应商和现有的标准的低压汽车电缆设计相比在机械和 电气要求方面开发高压电缆面临的挑战。本文也阐述了采用 设计方法、材料和电缆选型克服挑战，同时满足汽车行业的 严格要求的途径。关键词：电动汽车；高压电缆；设计开发一、概述国际原油价的不断上涨，全社会对环境恶化全球变 暖的更加关注，加之各国政府税收的倾斜和政策的扶持，促 使在全世界范围内替代能源尤其是电动汽车的市场份额

2、不 断增长。电动汽车主要包括三类，即纯电动汽车，混合动力 汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车和燃料电池汽车是完全由 一个电动马达驱动的，而混合动力汽车结合内燃机与电动 机，在加速和低速条件下内燃机的效率不高时由电动机支 持。他们共同的特点是使用高达600V的或更高的驱动电压，涉及到布线，他们都有着相同的基本要求，既是在EMI（电磁干扰）保护系统下的安全传输高的电流和电压。作为高压电缆是用于连接高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机 和电动机，实现动力电能的传输。电动汽车的基本原理似乎 很简单。但深入分析，系统的制造商正在面临着一系列的挑战需要克服。对电动汽车高压电缆， 其柔韧性，屏蔽，安全，

3、尺寸等项目提出了新的技术要求，因为这些会影响大电流和 高电压的组件的布线。而面对每一个可能的动力系统不同的 技术要点，对所需的组件也提出了不同的特殊要求。需要说 明的是电动汽车的高压系统并不是典型的高压系统，相关术 语如“高电压”和“高电流”必须仅限定在汽车领域范围内， 和常规汽车的低压系统相对而言。在其他领域参照系统则采 用完全不同的标准，如电力领域高电压定义起步就是几千伏 水平。二、对电动汽车高压电缆的要求创新的电动汽车设计对高压 电缆和系统组件提出了新的挑战，这些要求不能完全采用现 有的解决方案。具体要求分析如下。1.电压和常规汽车电缆 的基本差异是结构需要按额定电压600 V设计，而如

4、果在商用车和公共汽车上使用， 额定电压可高达1000 V。相比之下， 甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额 定电压60 V。系统在产生的功率(P = U X I)不变的情况下， 由于使用较低的电流，高电压可以减少在传输系统的功率损 耗(PLOSS= 12 X R)。2.电流由于电缆连接电池， 逆变器和电 动机，高压电缆需要传输高电流。 根据系统组件的功率要求， 电流可达到250A到450A。这么高的电流在常规驱动的车辆 上是很难找到的。3.温度高电流传输的结果导致高功耗和组 件的加热。因此高压电缆设计为承受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。相比之下，目前的车

5、 辆通常使用电缆的额定温度到105 C就足够了，只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高 压电缆通常要高于这个温度，如125 C或150 C。电动汽车内如果通过的路由不利，主机厂甚至会提出更高的耐高温要 求。如排气管附近，电机前面，电池背面等。 4.工作寿命汽 车行业通常在指定的温度等级电缆设计使用寿命为3000 h。在公认的电缆标准（如ISO 6722、ISO 14572），此值通常用于 长期老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能超过 3000 h，在规定的温度累计运行时间甚至达到至12000 h。5.屏蔽效果高压电缆的本身并不需要屏蔽，因为不像同轴电缆 那样传输

6、数据，但是需要防止或减少系统中的开关电源产生 的高频辐射通过电缆诱导到周边部件。和燃料驱动的车辆不 同，控制电动汽车的电机的三相交流电成为必须。携带能量 的正弦电压相当于不同频率的方波脉冲信号。由于高频率的 脉冲具有陡峭的沿，所以会产生能量很强的谐波发射到周边 区域。通过使用适当的屏蔽方法完全可以解决EMI问题。在某些情况下为满足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽 类型的组合。6.柔韧性混合动力汽车的开发在许多情况下面 临的挑战是，现有的系列平台原来只设计装载汽油发动机和 它的组件的空间纳入了更多的电气组件。即使不考虑布线， 空间的限制可以预计。此外，电缆和连接器通过路由也需要空间。通常的后果

7、是导致紧张的弯曲半径。由于常规电缆固 有的设计，高弯曲力难以克服。为了解决这个问题，高压电 缆高柔韧性是至关重要的。只有比较柔韧的设计，通过车辆 的路由才可以容易实现。7.耐弯曲如果电动机位于靠近车辆 的运动部位，然后导致连接的高压电缆连续振动，它要求被 设计成能承受高的循环弯曲，以确保良好的弯曲耐力。8.标识因为高电压带来应用风险增加，各种标准均定义高压电缆 必须在视觉上与普通汽车电缆区分，指定表面必须是鲜艳的 橙色。同时也可以印刷警示内容和特殊标记，女口 “小心！高压600V ”、咼电压的闪电标识等。三、电动车电缆的标准化现状针对上述的电动汽车应用的高 压电缆的挑战和要求，有必要建立新的电

8、缆标准，以满足供 应商、线束厂以及主机厂的需要。国际标准化组织道路车辆 技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆工作组(ISO/TC22/SC 3/WG4)在开展这项工作。在ISO 6722上可以看到，基 于常见的60 V电缆标准进行了修订， 以符合600V电缆的需 求。因为它的大多要求还是很通用的，但往往不考虑高压电 缆所需的特殊设计。ISO 14572也作了类似的修订。目前电 压咼于600V咼压电缆的标准化是各工作组的一个课题。标 准号是ISO 17195。SAE将调整目前的高压(额定600 V)规范 SAE J1654对高压电缆的要求，并涵盖从600到1000 V的额定电压，新创建尚未发布

9、的标准SAE J2840将定义为屏蔽类型的电缆。LV是德国的五大汽车公司的共同采购规范， 目前推出了额定电压 600 V的电动汽车高压电缆标准 LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。我国的高压屏蔽电缆 的国家汽车行业标准正在制定中，其额定电压将达到1000V。四、电动汽车高压电缆结构设计标准的产品和非常具体的要 求是很难界定的。本文的宗旨是解决基本的设计思路，通过 应用先进的高压电缆结构原理克服上文所述的挑战。1.导体设计高压电缆的柔韧性，大多是由导体的设计所决定。这就 是为什么高压电缆使用具有大量非常小的直径的单丝的特 殊导体。一定数量的单丝先进行束绞，然后再同心的复绞， 形成高压电缆需

10、要的软导体。多的根数另外一个好处是更好 的耐弯曲。绞线节距缩短，还可以提高高压电缆的弯曲寿命。2.绝缘材料绝缘材料的选择主要是考虑耐热要求和机械强 度。相比标准的电池电缆，可以合理选择比较软的材料，使 特殊设计的绞合导体保持柔韧性。3.成缆电缆当多芯时通常需要将线芯绞合起来。为了弥补绞合高压电缆线芯造成的变 形，需要采用所谓退扭的专用设备。这个过程中，专用的绞 线机配备的放线盘相对绞合方向反向旋转。这为防止电缆的 变形张力很有必要。根据电缆的结构，通常使用填充，以保 证屏蔽电缆较高的同心度，最终取得一个令人满意的高压电 缆。在绞合缆芯使用包带可以保持电缆的柔韧性。4.屏蔽由于EMC（电磁兼容性

11、）的要求，使用多根铜丝组成编织屏蔽。 镀锡铜丝可以使其抵抗环境影响如氧化等变得更加强大。用 细的铜丝可以保持设计的柔韧性屏蔽需要有一个90%以上的覆盖率克服前面介绍的 EMI问题。屏蔽效果的不同需要， 编织屏蔽可以结合其他各种屏蔽，如铝塑符合薄膜。屏蔽外 可以绕包一层无纺布，以确保在装配过程中轻松的剥下护 套。5.护套和线芯的绝缘一样，护套材料根据热和机械性的要求选择。由于直接接触，像耐液体和耐磨等的环境属性对 护套也尤其重要。这些特性主要取决于所选护套材料类型， 而在一定程度也受护套结构设计影响。如果特殊要求，如克 服安装车辆环境的磨损，要求增加耐磨性，这在选择材料时 就需要考虑。通常使用测

12、试设备模拟现实情况用于验证这些 特性。选择比较软的材料，受益的是柔韧性，而这可能会导 致高压电缆较低的耐磨。根据相关规范中规定，挤出外套应 是一个鲜艳的的橙色，根据规定也可以添加特殊的警示高压 的标记。五、电动汽车高压电缆的特性和优化完美复杂的设计和使用 高品质的材料，结果将导致昂贵的电缆成本。经验表明，针 对具体的高压电缆，往往可以通过截面，温度要求，柔韧性 以及屏蔽效果的优化而量体裁衣。重量和成本节省可以彰 显，过度尺寸和过度的组件可以避免。1.截面积和温度等级的优化电缆的选择大多是根据环境温度和传送电流的指标。在这方面，最重要的特性是“电缆截面”和“电缆所用材料 的耐热等级”。导体的电压

13、降转化为热能加热的高压电缆的 导体。这种热可部分转移到环境，使导线运行温度降低。较 低的温度梯度可以转移较少的热量。连续负载电流的电缆可 以导致承受最高的额定温度。该温度可以造成所用材料的老 化。电缆设计者面临的挑战，设计最合适应用的电缆：过度 的导体规格可能会导致成本和重量增加，较大的外径。最坏 的情况，仅考虑可能的最高的负载电流和环境温度，将导致 采用大截面电缆，耐高温材料，如有机氟或硅材料。确定电 流和负载环境温度的关系从技术和经济角度看是很有意义 的。应考虑真正的驱动器周期性的动态电流峰值，允许合理 的定义最坏情况下负载电流和峰值电流。一个好的设计的先 决条件是对基本条件的了解，如必须

14、首先确定环境温度和电 缆负载。一般大截面高压电缆在温度变化方面具有较大惯 性，所以车辆加速或减速的电流峰值不会导致一个大的导体 温度的影响。允许有时短期温度峰值即使超过在以上定义的 电缆温度等级，高压电缆处理这些峰值的能力通常是由热过 载性能定义。从而电缆不需要设计为较高的工作温度等级， 没有必要采用超过指定工作温度的电缆。可以综合考虑常驻 负载电流以及单脉冲或系列脉冲连同各种参数，如环境温 度。理论基础和现实中获得的经验相结合，可以初步确定、 选择和得到优化的满足应用的高压电缆。图1耐热150度XLPO电缆交流状态下的载流量和温升2.柔韧性的优化对车辆的电缆布线的可用空间值得仔细考虑。仅在车辆某个 具体区域紧张的弯曲半径需要会导致整体电缆的柔韧性要 求提高。如果可能在整体设计进行小的变更，避免紧弯曲的 问题是非常有意义的。电缆没有必要必须具有最咼的柔韧 性。确切的定义弯曲力，并结合结构和相应的测试设备，使 电缆的