电动乘用车高压线束的设计

电动乘用车高压线束的设计

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引言

电动乘用车，顾名思义是以电力驱动，因此必须使用大功率的电机、大

容量的电池，并且为了减少充电时问，利用高压大电流充电技术，这其

中就需要借助于高压电气系统。电动乘用车高压电气系统可将电机、电

池和动力电子元器件等零部件全部连接在一起，其中电动乘用车高压线

束是连接电动乘用车能量源（燃料电池）与动力装置的电气通路。为了

满足电动乘用车的驱动要求以及在各种行驶条件下线束连接可靠性和使

用安全性的要求，本文设计了一种高压大电流（大功率）电动乘用车高

压线束。

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国内外研制情况

目前，新能源汽车产业处于探索与少量试产阶段，国内乃至国际上都没

有形成产业规模，因此相关的零部件也处于试制阶段。但相较与国内主

要以线束装配为主严重滞后的汽车线束整体技术水平，国外的汽车线束

相关技术基础扎实，已有高压线束的解决方案。例如，最早进入电动及

混合动力汽车充电连接器领域的行业领导者一一安费诺公司

（Amphenol）,其研制的电动车高压线束具有结构简单、性能优异、用

户认可度高等特点，可在超高温度、振动、有限空间及其他恶劣环境下

可靠工作，现已被各家国内外汽车生产商所广泛采用；TYCO、Delphi

（德尔福）、LS等其他国外公司紧随其后，推出了各自的高压线束解决

方案和相关产品。

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高压线束的设计

为了弥补我国在电动乘用车高压线束领域的研究空白，摆脱我国电动乘

用车中所需的高压线束基本直接采购国外产品的现状，展开了一种高压

大电流电动乘用车高压线束的自主研发。根据电动乘用车高压电气系统

对高压线束的使用要求，所设计的电动乘用车高压线束应满足以下要求

a、高压大电流的使用性要求。b、抗电磁干扰、防水、抗振、耐磨、住

燃和接触可靠等安全可靠性要求。

2.1高压电缆的设计

传统汽车是以汽油发动机为动力，传统汽车线缆作用是传输控制信号，

承受的电流和电压都很小，故电缆直径较小，结构上也仅是导体外加绝

缘，很简单。但根据电动乘用车高压电缆的使用要求，电动乘用车高压

电缆主要起传输能量的作用，需把电池的能量传输到各个子系统，因此

所设计的电动乘用车高压线束必须满足高压大电流传输。电动乘用车高

压电缆承受的电压较高（额定电压最高600V）、电流较大（额定电流最

高600A）,电磁辐射较强，故电缆的直径明显增大，同时为了避免电磁

辐射对周围电子设备产生强烈电磁干扰，影响其他电子设备正常运行，

电缆还设计了抗电磁干扰屏蔽结构，即采用同轴结构，利用内导体和外

导体（屏蔽）共同作用，电缆内的磁场成同心圆分布，而电场从内导体

指向并止于外导体，使电缆周围外部的电磁场为零，亦即屏蔽了电磁辐

射，从而确保电动车正常运行。

早期汽车线缆用绝缘材料主要是PVC（索氯乙烯），但PVC中含有铅，

对人体有害，近些年来逐渐被LSZH（低烟无卤材料）、TPE（热塑性弹

性体）、XLPE（交联聚乙烯）、硅橡胶等材料替代。由于电动乘用车高

压电缆在满足高压大电流、抗电磁干扰的同时还要满足耐磨和阻燃等要

求，因此对这些材料性能进行了对比：

a、LSZH可分为P0（聚烯煌）类和EPR（乙丙橡胶）类两大类，其中以

PO类电缆料为主流,PO类LSZH阻燃电缆料的配方中有大鼠的AI

（OH）3、Mg（OH）2无机阻燃剂，从而使该电缆料具有较好的阻燃、

低烟、无卤、低毒等特性，但同时也使其在物理机械性能、电气性能以

及挤出工艺性能等方面与其他非阻燃材料及含卤阻燃材料存在差异。

b、TPE是一种兼具橡胶和热塑性塑料特性的高分干材料，在常温下显示

橡胶的高弹性，在高温下乂能塑化成型，但该材料不耐磨，不能满足电

动乘用车高压线束的使用要求。

c、XLPE是由耐温等级为75。（：的普通PE（聚乙烯）材料经过辐照交联后

制得的，其耐温等级可达到150汽，并具有优良的物理机械性能、抗过载

能力及长寿命等特点，但不阻燃。

d、硅橡胶的击穿电压高，故具有耐电弧性、耐漏电痕迹性、耐臭氧性，

其同时具有良好的耐高低温性，耐高温可达200国，绝缘性能良好，在

高温高湿条件下性能稳定、阻燃。在对比上述材料性能后，硅橡胶因具

有物理机械性能良好、使用寿命长、价格低廉等优点而成为了电动乘用

车高压电缆绝缘材料的首选。最终设计的电动乘用车高压电缆的结构如

图1所示。

内导体绝缘屏蔽护套

图1电动乘用车高压电缆的结构

2.2高压连接器的设计

2.2.1大电流接触件的设计

通常连接器（主要指其中的接触件）都有使用温度限制，一旦使用温度

超过规定限值，连接器就会因发热而降低安全性，乱至失效损坏。造成

连接器使用温度增高的原因主要有两方面：

电阻的计算、结构的设计以及样件设计修正，成功设计了大电流接触

件。

b）片簧式接触件

c）线簧式接触件

图2三种接触件的结构

图3安费诺公司RADSOK插孔的结构

2.2.2耐高压性能设计

为了满足电动乘用车高压连接器的设计要求，必须通过结构设计和材料

选择使高压连接器的各个部分均具有足够的介电强度，确保其耐高压性

能。电动乘用车高压连接器的耐高压性能设计主要包括爬电距离、界面

气隙和绝缘材料等方面。

爬电距离是指当工作电压过大时，瞬时过电压会导致电流沿绝缘间的间

隙向外释放电弧，损害器件甚至操作人员，这个绝缘间隙就是爬电距

离，电弧持续的工作电压决定了爬电距离。在高压连接器结构设计时应

尽可能增大爬电距离，考虑到连接器介质耐压400V以上，经过仔细计算

与校核，将连接器的爬电距离设计成24mm以上，即可完全满足高压连

接器600V的使用要求。

为了提高连接器的耐高压性能，连接器插合时，其界面部位应贴合无空

气间隙。连接器的界面主要包括插头连接器和插座连接器的插合界面、

连接器接触件和导线的连接部位。这些部位需要介质全填充无空气才能

可靠保证连接器不被击穿。为了杜绝界面气隙的存在，在高压连接器设

计时采取了如下措施：

a、在插合界面处采用了软绝缘材料，以保证在插合到位的同时将空气间

隙填实。

b、插孔接触件外的绝缘采用了模塑的形式，将接触件外的间隙填实。

c、插头和插座的插合面采用锥面结构。

d、接触件连接电缆后部分电缆绝缘伸入连接器壳体绝缘。

为r提高连接器的耐高压性能，电动乘用车高压连接器选用r绝缘性能

良好、击穿电压高、绝缘强度高、高温高压下稳定性好、耐电弧、耐漏

电痕迹、吸湿性低的PPA（聚邻苯二甲酰胺）塑料。

2.2.3整体结构设计

最终设计的电动乘用车高压连接器的结构如图4所示。高压连接器的结

构从里到外依次为内导体、绝缘层、屏蔽层、外壳。

外壳屏蔽层内导体绝缘层

b）插座连接器

图4电动乘用车高压连接器的结构

2.3高压线束的整体设计

2.3.1屏蔽性能设计

为了使所设计的高压线束在满足基本的可靠电气连接要求外，还具有出

色的电磁屏蔽性能，展开了高压线束的屏蔽性能设计。高压线束的屏蔽

性能设计主要包括高压电缆自身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接

器结合处的屏蔽性能设计、高压连接器自身的屏蔽性能设计及高压连接

器插合界面处的屏蔽性能设计。为了提高高压电缆自身的屏蔽性能，高

压电缆采用了屏蔽结构，如果电缆为信号线与电源线组合而成时则更应

注意这点。为了提高高压电缆5高压连接器结合处的屏蔽性能，在保证

两者接触的可靠性，特别是确保在强烈动情况下连接处不会产生松动的

情况下，在高压电缆与高压连接器内导体连接后，电缆编织与屏蔽层接

触，并在电缆编织与连接器接合处加套一层单独的屏蔽金属编织网，加

强屏蔽效果。为了提高高压连接器自身的屏蔽性能，连接器采用了金属

壳体设计。为了提高连接器插合界面处的屏蔽性能，设计时采用了屏蔽

簧结构，以保证插头与插座壳体间可靠接触；连接器头部内导体低于外

壳界面，防止内导体接触到手指或其他金属，起到一定的保护作用，增

加安全性；插合后，插座连接器与插头连接器的屏蔽层可靠接触，使插

合面与外界屏蔽。

2.3.2机械防护和防尘防水设计

由于电动乘用车高压电缆的直径较大，需要进行专门的布线走向，即电

动乘用车高压线束布局在车外，因此必须对电动乘用车高压线束进行机

械防护和防尘防水设计。为了提高高压线束的机械防护和防尘防水性

能，在接插的连接器间以及连接器连接电缆的位置均采用了密封圈等防

护措施，防止水汽和灰尘进入，从而确保连接器的密封环境，避免接触

件之间短路的风险，以及防止湿气进入，避免产生火花等安全问题。

2.3.3使用寿命设计

电动乘用车行驶在公路上，会受路面高低不平和车速快慢等因素的影响

而产生高振动，导致高压线束与接触的零部件和其他线束间产生摩擦、

磨损，以及高压线束本身的疲劳磨损。为了提高高压线束使用寿命和质

量，应对高压电缆和高压连接器间的连接进行加固，对高压连接器之间

的连接采用锁紧结构，以及进行布线方案优化，高压线束材料选择耐磨

材料，导线采用抗疲劳的铜绞线。此外，高压连接器间的连接环节是高

压线束本身的薄弱点，为了提高高压线束使用寿命，同时满足高压电气

系统的使用要求，必须保证高压连接器的插拔次数和连接质量。

2.3.4整体结构设计

最终设计的电动乘用车高压线束的结构如图5所示。

图5电动乘用车高压线束的结构

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3高压线束的性能试验

为了验证采用高压大电流接触件技术设计的高压线束的结构合理性、接

触面积、接触电阻、抗振性等是否满足高可靠、长寿命及大电流性能等

要求，在电动乘用车高压线束样品研制完成后按照相应的设计要求进行

了相关性能测试，测试结果如表1所示。可见，该电动乘用车高压线束

的各项性能都满足了标准要求，其接触件结构、连接器结构及整个高压

线束的设计具有一定的合理性。

表1电动乘用车高压线束的主要性能测试结果

测试项目设计要求测试结果

绝缘电阻/MQ之20005000

介质耐压/V“0004000

电流试验/A2210210

接触电阻/mQW10.65

盐雾48h