高壓氣體系統連接電機、電池、動力電子部件等部件。其中,高壓線束是連接電動汽車能源(燃料電池)和動力裝置的電氣通道,主要起著傳遞能量的作用。
一、高壓導線的選擇設計。
根據電動汽車高壓電氣系統對高壓線束的使用要求,設計的電動汽車高壓線束應滿足以下要求。
1、高電壓大電流的可用性要求
2、電磁干擾,防水,振動,耐磨損,阻燃,接觸可靠等安全可靠性要求。
普通汽車以汽油發動機為動力。普通汽車電纜的作用是傳輸控制信號,所受的電流和電壓都很小,因此電纜直徑較小,結構上也只是導體外加絕緣,非常簡單。
高壓電纜主要起到傳遞能量的作用,需要將電池的能量傳遞給各個子系統。根據電動汽車高壓電纜的使用要求,高壓線束必須滿足高壓大電流的傳輸。
電動車高壓電纜承受的電壓高(額定電壓高600V),電流大(額定電流高600A),電磁輻射強,直徑明顯增大。同時,為了避免電磁輻射對周圍電子設備造成強烈的電磁干擾,影響其他電子設備的正常運行,電纜還設計了抗電磁干擾屏蔽結構。
抗電磁干擾屏蔽結構,即采用同軸結構,利用內導體和外導體(屏蔽)的共同作用,將電纜中的磁場分布成同心圓,而電場從內導體向外導體指向,使電纜周圍外的電磁場為零,即屏蔽電磁輻射,從而保證電動車的正常運行。
硅橡膠破壞電壓高,具有電弧性、漏電痕跡性、臭氧性,同時具有良好的耐高低溫性、耐高溫性達到200℃、絕緣性好、高溫高濕條件下性能穩定、阻燃性。硅橡膠具有物理機械性能好、壽命長、價格低等優點,是電動汽車高壓電纜絕緣材料的優先事項。
二、連接端子的選擇。
使用溫度過高→連接器中的絕緣材料損壞→絕緣性能下降,甚至燒壞故障→接觸件加熱后彈性下降,或在接觸區形成絕緣膜→接觸可靠性下降→接觸電阻增大→使用溫度升高。
這最終導致連接接觸失效,必須合理設計電動汽車高壓大電流連接器中的大電流接觸器。當設計大電流接觸器時,選擇哪種接觸方式直接決定其質量和成本。
一般而言,接觸件的接觸形式主要有片、片、線三種。高壓大電流連接器最好采用大電流片簧接觸器。
片狀彈簧接觸件的插孔為冠狀彈簧孔,插孔內有1~2個片狀彈簧圈,每個片狀彈簧圈由多個片狀彈簧片組成,所有片狀彈簧片向內拱,形成彈性片狀彈簧圈;當插孔與插針匹配時,每個片狀彈簧片與插針接觸,產生擠壓力,保證多點穩定接觸;片狀彈簧插孔由黃銅車制件和冠狀彈簧沖壓件組成,產品一致性好,成本低。
同時,為提高接觸可靠性和載流能力,滿足大電流接觸件的其它指標要求,大電流片簧接觸件可采用雙層片簧插孔。同時,還需要計算大電流接觸件的接觸電阻、結構設計和樣品設計的修正。
三、連接器的耐高壓設計。
為滿足電動汽車高壓連接器的設計要求,高壓連接器的各部分必須通過結構設計和材料選擇具有足夠的介電強度,從而保證其耐高壓性能。
電動汽車高壓連接器的耐高壓性能設計主要包括爬電距離、界面間隙和絕緣材料。爬電距離是指工作電壓過高時,瞬時過電壓會導致電流沿絕緣間隙向外釋放電弧,損壞設備甚至操作人員。這個絕緣間隙是爬電距離,電弧連續的工作電壓決定爬電距離。
在設計高壓連接器的結構時,應盡可能增加爬電距離。考慮到連接器介質的耐壓性超過400伏特,經過仔細計算和檢查,連接器的爬電距離應設計在24毫米以上,以完全滿足高壓連接器600伏特的使用要求。
為了提高連接器的耐高壓性能,當連接器插入時,其界面部分應與無空氣間隙相匹配。連接器的界面主要包括插頭連接器和插座連接器的插入界面、連接器接觸器和電線的連接部分。這些部分需要完全填充介質,沒有空氣,以確保連接器不會被破壞。
為了防止界面間隙的存在,在設計高壓連接器時采取了以下措施:
插接界面采用軟絕緣材料,保證插接到位時填充空氣間隙。
插孔接觸件外的絕緣采用成型形式,填充接觸件外的間隙。
插頭和插座的接合面為錐形結構。
接觸件連接電纜后,部分電纜絕緣伸入連接器外殼絕緣。
為提高連接器的耐高壓性能,電動汽車的高壓連接器選擇了絕緣性能好、破壞電壓高、絕緣強度高、高溫高壓下穩定性好、電弧/漏電痕跡/吸濕性低的PPA塑料。
四、高壓屏蔽設計。
高壓線束的屏蔽性能設計主要包含高壓電纜本身、高壓電纜與高壓連接器的連接處、高壓連接器本身和高壓連接器連接界面的屏蔽性能設計。
改善高壓電纜本身的屏蔽性能:采用屏蔽結構。如果電纜是信號線和電源線的組合,就要多加注意。
提高高壓電纜與高壓連接器連接處的屏蔽性能:保證兩者接觸的可靠性(強工作時連接處不松動)。高壓電纜與高壓連接器內導體連接后,電纜編織與屏蔽層接觸,電纜編織與連接器連接處設置單獨的屏蔽金屬編織網。
談高壓線束的設計要點。
提高高壓連接器本身的屏蔽性能:連接器采用金屬外殼設計。
改善連接器插入界面的屏蔽性:
A.設計采用屏蔽彈簧結構,確保插頭與插座外殼的可靠接觸;
B.連接器頭部的導體低于外殼界面,防止導體接觸手指或其他金屬,起到一定的保護作用,提高安全性;
插入后,插座連接器與插頭連接器的屏蔽層可靠層接觸,使插入面與外部屏蔽。
高壓線束性能測試。
為了確定采用高壓大電流接觸件技術設計的高壓線束的結構合理性、接觸面積、接觸電阻、抗振性是否符合高可靠性、長壽命、高電流性能等要求,在某電動汽車高壓線束樣品開發完成后,根據相應的設計要求進行了相關性能測試,測試結果如表1所示。
五、簡談高壓線束性能檢測要點。
顯然,電動汽車高壓線束的各種性能都符合標準要求,其接觸結構、連接結構和整個高壓線束的設計都是合理的。從使用要求和測試結果可以看出,開發的高壓線束可以滿足電動汽車的使用要求。
隨著電動汽車工業的發展,高壓線束必將進一步發展,它能承受更高的電壓、更大的電流,并能應用于各種車型。同時,在功能上也會更完善,如有自己的測試能力,可實時監測線束的電流、溫度等變化。例如電子谷新能源汽車連接器系列,基本擁有控溫檢測,安全斷電的措施。