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2018
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纯电动汽车高压线束设计与开发
汽车线束是汽车电路的网络主体，连接汽车的电气电子部件并使之发挥功能，没有线束也就不存在汽车电路。在目前，不管是传统车还是电动车，线束编成的形式基本上是一样的，它既要确保传送电信号，也要保证连接电路的可靠性，向电子电气部件供应规定的电流值，防止对周围电路的电磁干扰，并要排除电器短路。以电动车为例，电动车上电器件越来越多，电气系统也越来越复杂，高压也越来越高，而高压线束作为高压电气系统的关键零组件,其合理的设计为电动汽车运行的安全提供保证。
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电气系统是电动汽车的神经，承担着能量与信息传递的功能，对纯电动汽车的动力性、经济性、安全性等有很大的影响，是电动汽车的重要组成部分。
电气系统的组成：
1）高压电气系统：动力电池、驱动电机、功率变换器等高压电气设备。
2）低压电气系统：直流12V或24V的电源，一方面为灯光、雨刮等常规低压电器供电，另一方面为整车控制器辅助部件、高压电气设备的控制电路供电。主要由DC/DC功率变换器、辅助蓄电池和若千低压电气设备组成。
3）整车网络化控制系统：整车控制器、电机控制器、电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、信息显示系统和通信系统等。例如CAN通讯信息网络系统。
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高压系统构成纯电动汽车高压系统框图如下所示。作为纯电动汽车高压系统安全管理的单元，合理的功能布局和安全可靠的控制策略是实现该系统功能的重要保证。
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高压电气安全系统的总目标高压电气系统控制与安全管理和故障诊断的总目标是确保纯电动汽车在静止、运行及充电等全过程的高压用电安全。
根据纯电动汽车安全标准要求，并从车载储能装置、功能安全、故障保护、人员触电防护及高压电安全管理控制策略等方面综合考虑，应对电动汽车高压电系统进行以下几个方面设计。
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高压电气电磁兼容性设计
由于纯电动汽车上存在高压交流系统，具有较强的电磁干扰性，因此高压线束设计时电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线；电源线两端考虑采用隔离接地，以免接地回路形成共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线；输入与输出信号线应避免排在一起造成干扰；输入与输出信号线尽量避免在同一个接头上，如不能避免时应将输入与输出信号线错开放置。
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高压部件和高压线束的防护与标识设计
高压部件的防护主要包括防水、机械防护及高压警告标识等。尤其是布置在机舱内的部件，如电机及其控制系统、电动空调系统、DC/DC电压转换器、车载充电机等及它们中间的连接接口，都需要达到一定的防水和防护等级。并且高压部件应具有高压危险警告标识，以警示用户与维修人员在保养与维修时注意这些高压部件。
由于纯电动汽车线束包括低压线束与高压线束，为提示和警示用户和维修人员，高压线束应采用橙色线缆并用橙色波纹管对其进行防护。同时高压连接器也应标识为橙色，起到警示作用，并且所选高压连接器应达到IP67防护等级。
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预充电回路保护设计因为高压设备控制器输入端存在大量的容性负载，直接接通高压主回路可能会产生高压电冲击，故为避免接通时的高压电冲击，高压系统需采取预充电回路的方式对高压设备进行预充电。下图所示为纯电动汽车高压系统预充电回路原理图。
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高压设备过载/短路保护设计
当汽车高压附件设备发生过载或线路短路时，相关高压回路应能自动切断供电，以确保高压附件设备不被损坏，保证汽车和驾乘人员的安全。因此在高压系统设计中应设置过载或短路的保护部件，如在相关回路中设置保险和接触器，当发生过载或短路而引起保险或接触器短路时，高压管理系统会通过对接触器触点和相关控制接触器闭合的有效指令进行综合判定，若检测出相关电路故障，高压管理系统会发出声光报警以提示驾驶员。
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高压系统余电放电保护设计
由于高压系统的电机控制器和电动空调等高压部件存在大量的电容。当高压主回路断开时，因高压部件电容的存在，高压系统中还存有很高的电压和电能。为避免对人员和汽车造成危害，在切断高压系统后应将电容的高压电通过并联在高压系统中的电阻释放掉。
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高压线束整体要求1）高压线束的性能及可靠性需满足整车要求
2）高压线束满足高压电缆技术条件
3）高压线束满足高压大电流的使用性要求
4）高压线束的电磁兼容性（EMC）满足GB/T18387中规定的电动车辆电磁场辐射强度的限值
5）高压线束的机械冲击及抗震动性要求须满足GB743-2006的相关要求
6）防水、耐磨、阻燃和接触可靠等安全可靠性要求
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高压插接件的技术要求
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高压电缆线的技术要求1）根据整车工作电压，对电缆线进行初选
电缆线线径的选择：
用电设备的电流强度为：I=P/U
P—负载功率 U—额定电压
导线截面积计算公式为：A=IρL/UVL
A—导线截面积 I—电流
ρ—铜导线电阻率 L—导线长度
UVL—导线允许的电压降
避免导线过渡发热，应该检查电流密度，公式为S=I/A
2）工作温度：-40℃~125℃
3）耐电压测试：AC2500V/1min，50HZ
高压线束的设计包括高压电缆、高压连接器的设计及高压线束性能试验。
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高压电缆的设计
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。故电缆的直径较大，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。
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。
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高压连接器的设计
1）大电流接触件的设计
在设计大电流接触件时,选用何种接触形式将直接决定连接器的质量和成本。通常接触件的接触形式主要有片式、片簧式和线簧式三种，如下图所示。
A. 片式接触件的插孔为圆柱简开槽并收口。插孔采用铍青铜丝(棒)加工,原材料价格较贵，且后续收口工序较难控制，产品质量一致性较难保证，成本较高。
B. 片簧式接触件的插孔为冠簧孔，插孔内安放有1~2个片簧圈，每个片簧圈由多个弹簧片组成。所有弹簧片都向里拱。组成具有弹性的弹簧圈，当插孔和插针相配时，每个弹簧片都和插针接触并且产生挤压力,保证多点稳定接触；片簧式插孔由黄铜车制件及冠簧冲压件组成，产品一致性好,成本低。下图为某公司的插孔结构，即采用了双曲线冠簧技术，接触面积可增加65%。其表面为高耐磨性的镀银层。
C. 线簧式接触件的插孔为线簧孔。插孔的结构和片簧式插孔的结构相似，只是线簧式插孔由弹簧线组成。线簧式插孔虽然性能优良,但是工艺复杂,成本也较高。
在对上述各接触形式接触件比较后，选用合适的接触件。
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4000V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人连接器壳体绝缘。
为了提高连接器的耐高压性能,电动乘用车高压连接器选用了绝缘性能良好、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。
3）整体结构设计
电动乘用车高压连接器的结构如下图所示。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。
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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。
高压线束作为电动汽车上动力输出的主要载体，是整车性能和安全的关键零部件之一。高压线束的研发和设计不仅要从整车的角度考虑，还要从原材料、连接器、组件供应商等各个环节的角度出发，在行业标准还不太规范的情况下，共同努力制定既符合当前实际使用环境，又具有行业前瞻性的统一标准。
这样，才能进一步提高电动汽车的安全性，同时也利于高压线束降低设计和制造成本，为推广电动汽车的发展作出应有的贡献。
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