电动客车高压线束设计
所属分类： 展晟动态 发布时间：2022-09-08
1.1与传统内燃机车型的区别纯电动客车的行驶特点和运行工况与传统内燃机车型的区别：1）安全要求。为了满足车辆动力性要求，本项目车型配置额定电压384V容量100Ah的聚合物锂离子电池组，应保证高压系统运行安全，并具备触电防护措施。2）工况复杂。车辆主要在城市运行，路况相对复杂，频繁地起步、加减速和制动停车，电器负荷变化大，同时还要考虑制动能量回馈对电器系统的影响。3）多电压系统。车辆中有12V低压直流电源、动力电池高压直流电源以及220V充电交流电源三种电压系统。4）工作时间长。车辆充电时间为8~10h，系统应在无人看管的条件下长时间可靠运行。
纯电动客车的运行特点决定了线束的特殊性，相比低压线束，高压线束具有以下特点：1）高电压。车辆动力电池最高电压达到420V，要求线束绝缘材料具有更高的介电强度和规格尺寸。
2）大电流。动力电池容量为100Ah，按国标试验方法的恒流放电9I3计算[1]，输出电流可达300A，线束能够稳定运行，就需要更大的连接器接触面积和导线截面积。3）密封性。水和灰尘的侵蚀将导致线束绝缘性能下降，造成高压击穿、漏电等安全隐患，要求线束有更高的防护等级。4）高耐热。车辆大电流运行时的焦耳效应会产生热量，导致线束自身和周围温度上升，使线束产生更大的温升[2]，要求线束具有更好的耐热性能，客车国标规定非热源附件线束的耐温为105℃[3]，高压线束耐热性一般要达到125℃，甚至更高。5）抗电磁干扰。电动车辆运行时，反复变化的电器负荷与系统中大量采用的变频技术，造成线束电压、电流和频率的剧烈波动，产生较大的电磁干扰，并对车辆本身及周围环境的电气电子设备造成影响，所以线束需要对电磁干扰进行屏蔽，以满足电磁兼容性（EMC）要求[4]。6）耐久性能。线束应具有耐温、耐候、耐介质腐蚀、耐振以及导线破损防护等性能，并具备较大的安全余量和连接寿命，保证车辆长期可靠运行。7）成本高。车辆运行条件和使用环境的特殊性，导致高压线束成本昂贵。设计中，应避免结构与规格的过度选配，造成成本上升。车辆的动力电池除了驱动动力电机外，还为动力转向、空调采暖、DC/DC转换器等大功率用电设备提供电能，同时接收交流充电机提供的慢充电流、外部充电桩提供的快充电流，以及车辆制动时电机的能量回馈电流，为此车辆设计高压分配器与高压线束进行电能的分配和传输，如图1所示。
纯电动客车在不同工况运行时，电器设备的用电负荷变化较大，所以线束设计需要综合考虑电器负载的额定电流、峰值电流及工作时间等参数。以纯电动客车的电机系统为例，根据电机功率计算变频器的输入峰值功率Pb1：
动力电池在整车大负荷运行时，往往会造成较大的电压降。根据锂电池充放电曲线，此压降按低于标称电压的10%计算，则电机变频器的峰值输入电流Ibmax：
用上述方法计算出主要电器负载的功率和电流，如表1所示。
高压线束主要由线缆、插接件、防护结构和固定件等部分组成。根据连接部件和使用环境的不同，对线束各部分的设计要求也有所不同。线缆的选配内容主要是确定导线截面积和绝缘层材质。目前高压线缆已有成熟的标准体系，结构上分为单芯和多芯电缆，导线主要采用软铜绞线，以满足导线内阻和柔软弯曲的使用要求；绝缘层要求耐温阻燃，多为复合结构，常见有交联聚烯烃和PVC材质；对于防电磁辐射功能，主要通过绝缘层内部的裸铜网或线缆外层的镀锡铜网实现屏蔽，其编制密度≥90%；按安全标准规定，动力电缆颜色为橙色或外套橙色护管。线缆选配的主要参数有：载流量特性、导体电阻、热阻、耐温等，可以根据厂商资料中的线缆温升和载流量曲线，或者按照经验参数进行设计选配。电机负载运行会出现短时过载现象，所以电缆选配时应考虑载流量是否满足车辆长期运行条件，线缆过流持续时间相对较短，热量向外扩散较少，因此，可不考虑散热过程，近似认为产生热量全部用于导体温升[5-6]，可用以下公式估算绝缘层能够承受的过流持续时间：
仍以电机变频器线缆为例，如采用耐温125℃、截面积35mm2规格的线缆，可承受的连续工作电流为158A，峰值电流下电缆可持续运行时间为150s。用同样的方法得出各线缆的推荐线径。
线束插接件的作用是保证线缆与用电器能够便捷可靠地连接与拆卸。纯电动客车高压插接件的选型具有以下要求：1）电性能。为了应对高电压、大电流的使用环境，接插件通过高密度触片、端子表面镀银等技术，增加插件的接触面积，降低接触阻抗；配合屏蔽电缆的应用，接插件多采用金属材质或在内部设计屏蔽结构；参考相关标准，本车插接件的额定工作电压≥600V，绝缘耐压≥2000V[7]，绝缘电阻≥500MΩ，湿热试验后≥20MΩ。2）环境性能。工作温度为-40~125℃；耐腐蚀、耐油、其塑胶材质具有阻燃性能；插接件最低防护等级为IP55，对于充电插头在充电或不用时，最低防护等级为IP44。3）机械性能。插件耐振动和冲击；带有自锁和防误插结构；插拔寿命≥500次，对于充电插头额定负载和空载连接寿命≥5000次；并满足部件表面温度、插拔力以及防车辆碾压等要求[8]。目前，高压插接件与线缆连接后件往往通过用灌胶、塑封等手段加工成整体部件，所以插接件的功率选配需要考虑线束的整体性能，可参考厂商提供的电缆长时工作和过载特性曲线（见图2和图3），其推荐连续电流应大于用电器的额定电流，用电器峰值电流和持续时间则处在推荐的瞬时电流和工作时间范围以内。以电机变频器插接件为例，查表推荐采用AmphenolRT360系列中的8mm规格插件，其40℃时的额定电流200A，大于部件额定电流130.21A；其持续工作60s可承受的瞬时电流为600A，大于用电器峰值电流372.25A。用同样方法选配各高压线束规格，并注意线缆屏蔽。
为防止线束摩擦，以及与锐边物体、热表面物体的接触，线束应有防护结构，常见措施有：1）波纹管。线缆外部套装闭口式波纹管具有耐磨、阻燃、耐热特点，国标规定波纹管耐温在-40~150℃，常见材质有PA（尼龙）和PP（聚丙烯），分别在阻燃、耐磨性和抗弯曲疲劳性方面各有优势，波纹管颜色为橙色，采用橡胶护套塑封或PVC胶带缠绕与线缆固定密封。2）护管。对于在狭小空间或特殊部位布置的线缆，常增加专用的护管、护板等部件进行遮挡与保护。3）胶带。胶带在线束上应用较广，常用于保护、捆扎、绝缘、阻燃、标记等作用，高压线缆多采用耐磨性和阻燃性较好的PVC胶带，耐温为80℃。4）防护接头。对于连接部件内部的线束，线缆外部还应增设电缆防水接头、防折弯电缆接头等结构。
1）高压线缆过锐边或过孔时应设计保护结构，布置时应避开热源或与之保持足够的距离。2）高压线缆具有较大的外径，为避免应力集中，线束最小弯曲半径通常要大于线径的3~5倍，同时线缆也具有较大质量。为了合理分布载荷，需要对线束进行支承和固定，通常直线布置的线缆固定点间距≤300mm，固定点与接插件间距≤120mm，以承受线束的重量和振动载荷。固定装置常采用特殊网状扎带和绝缘材质支架等。3）对于部件内部装配的连接件接头，需要选取正确规格的紧固件，以保证接头与电器极板的接触面积和紧固力矩。4）电机线束应考虑部件运动与振动的影响，设计合理的线束尺寸，既要有足够的长度分布应力，也要避免过长导致线缆积聚；对于位移幅度较大的线缆，增设缓冲和导向功能的固定结构，线缆运动时与其他零部件保持合理距离；对于运动中产生噪声的部位，应增设海绵、绒布、胶带等部件，避免噪声。5）接插件应尽可能放置在驾驶室或电器舱室内部，以避免雨水和灰尘的侵蚀，布置在底盘的线束应设计遮挡结构，避免车辆涉水与石子迸溅的不利影响；插接件尽量避免垂直布置，以避免水和灰尘的累积问题。6）线束布置要考虑电磁干扰因素。如布线时，避免90°的折线，可减少线路高频噪声发射；对于高、低压线束，尤其是信号线束，必须分开排布，避免线缆交叉布置造成的相互干扰。7）外露的高压线束还应考虑布置的美观性，线束走向应与依附件方向一致，尽量避免斜方向布置；机舱线缆尽量放置在车身结构件或部件的下方及内侧；对于线缆较多的部位，应开发专用线束护板进行遮蔽。8）高压线束布置应具有合适的空间进行安装与维修，在同一部位的插接件应选用不同的规格和定位结构，防止错装；接插件连接应尽量保证能够单手操作，接插件末端线束应预留合理长度，以便于插接件拆装。
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