高壓導(dǎo)線的分類
導(dǎo)線按工藝特性可分為單芯導(dǎo)線和多芯導(dǎo)線,其區(qū)別在于多芯導(dǎo)線由多個(gè)單芯線組成,從本質(zhì)上來說,每個(gè)單芯線的電性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與單芯導(dǎo)線并無區(qū)別,如多芯電纜內(nèi)有用于信號傳輸,需要采取單獨(dú)屏蔽措施,保證信號不丟失。

單芯帶屏蔽導(dǎo)線示意圖

多芯帶屏蔽導(dǎo)線示意圖
高壓導(dǎo)線還可按是否帶有屏蔽層,區(qū)分為非屏蔽導(dǎo)線和屏蔽型導(dǎo)線。

單芯屏蔽高壓電纜

單芯非屏蔽高壓電纜
除了單芯屏蔽線,單芯非屏蔽高壓線,多芯屏蔽高壓線,多芯非屏蔽高壓線這四種排列組合而成的導(dǎo)線外,還可根據(jù)如下特征對高壓導(dǎo)線進(jìn)行分類。

其他高壓導(dǎo)線的分類列表
高壓導(dǎo)線的構(gòu)成
自外向內(nèi)解剖高壓導(dǎo)線,可見如下結(jié)構(gòu)示意圖。
高壓導(dǎo)線由二次護(hù)套(也成為外絕緣層)、鋁箔、屏蔽編織層、內(nèi)絕緣層和芯線(導(dǎo)體)組成。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可參照《QC-T1037道路車輛用高壓電纜汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》、《新能源汽車用高壓電纜TCAS 356-2019》。
部分高壓導(dǎo)線在屏蔽層和二次護(hù)套之間有一層包帶,包帶的作用是方便生產(chǎn)壓接端子時(shí)對絕緣層進(jìn)行剝離,類似無紡布的材料,纏繞在導(dǎo)線上,起到一定的隔離作用。
高壓導(dǎo)線的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)也是圍繞這幾層元素,包括二次護(hù)套外徑、內(nèi)絕緣層直徑、導(dǎo)體直徑、單根銅線直徑、銅線根數(shù)等。

高壓導(dǎo)線解剖圖
高壓導(dǎo)線絕緣層的作用
(1) 絕緣:防止芯線與其他外部導(dǎo)體接觸,導(dǎo)致回路短路。
(2) 保護(hù)芯線:避免內(nèi)部線芯受到液體及外部器件的磨損。
(3) IP防護(hù):包括防塵、防水、防觸碰(人體保護(hù))。
(4) 零件布置:為高壓線束提供一定的柔韌性,便于高壓線束在車身上布置。
(5) 防刮磨,阻燃等在耐候性和可靠性方面的特殊作用。
高壓導(dǎo)線絕緣層材料性能
和低壓導(dǎo)線僅有外絕緣層不同的是,高壓導(dǎo)線有內(nèi)外兩層絕緣層,外絕緣層也常被稱為二次護(hù)套。內(nèi)外絕緣層的制造材料一般有XLPO(交聯(lián)聚烯烴),SIR(硅橡膠)和TPE(熱塑性彈性體)三種。

常見絕緣材料的性能對比表
結(jié)合以上三種材料的特性對照表,可以得出三種材料在應(yīng)用層面的區(qū)別:
XLPO的應(yīng)用范圍較廣,與電機(jī)接觸的部分,使用壽命較弱,TPE材質(zhì)多適用于大規(guī)格線材及通信導(dǎo)線。
SIR硅橡膠除了以上特性外,還具有較好的密封性,在高溫高壓下,形變量小,適用于需要耐高溫,安裝空間小,彎曲半徑小的場合,作為電動車高壓導(dǎo)線的絕緣層材料,是再合適不過的了。

圖-SIR硅橡膠在不同溫度下的拉升強(qiáng)度和斷裂伸長率

圖-SIR 硅橡膠在不同溫度下的機(jī)械強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度

圖- SIR硅橡膠在不同油品中的耐油測試的體積變化率

圖- SIR硅橡膠在200℃,3000小時(shí)的老化試驗(yàn)中的表現(xiàn)
高壓導(dǎo)線屏蔽層的作用
電動汽車高壓電纜承受的電壓較高(額定電壓最高600V),電流較大(額定電流最高600A),電磁輻射較強(qiáng)。雖然高壓導(dǎo)線本身并不會產(chǎn)生很大的電磁干擾,但導(dǎo)線的耦合電壓和耦合電流基本都來自于導(dǎo)線連接的終端,即高壓用電器。
導(dǎo)線兩端,即端子壓接處,集中存在電磁干擾。因此,目前絕大部分的高壓導(dǎo)線都設(shè)計(jì)了抗電磁干擾的屏蔽結(jié)構(gòu),采用同軸結(jié)構(gòu),利用內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體(屏蔽層)的共同作用,導(dǎo)線內(nèi)的磁場成同心圓分布,而電場從內(nèi)導(dǎo)體指向并止于外導(dǎo)體,使電纜周圍外部的電磁場為零,即屏蔽了電磁輻射,又消除該區(qū)域的耦合電壓和耦合電流。
高壓線束零件在整車的電磁兼容(EMC)測試中,需要滿足ISO 14572的要求,轉(zhuǎn)移阻抗≤31mΩ/m,屏蔽衰減≥70dB,滿足整車EMC要求。

圖-高壓導(dǎo)線在電磁干擾中的影響
高壓導(dǎo)線屏蔽層的構(gòu)成

圖-兩種不同形式的屏蔽層構(gòu)成
高壓導(dǎo)線屏蔽層分為屏蔽絲編織層和鋁箔層,常規(guī)的屏蔽層結(jié)構(gòu)有:
①僅屏蔽絲編織層
②屏蔽絲編織層(靠近內(nèi)絕緣層)+鋁箔層(靠近外絕緣層)
③鋁箔層(靠近內(nèi)絕緣層)+屏蔽絲編織層(靠近外絕緣層)三種狀態(tài)。
當(dāng)然,還有部分高壓導(dǎo)線采用直接在電纜外層套上編織網(wǎng)、鋁管和兩者之組合的形式對導(dǎo)線進(jìn)行EMC防護(hù)。

圖-不同形式的屏蔽層構(gòu)成
(1) 屏蔽絲編織層
屏蔽絲編織層的本質(zhì)是一種帶金屬編織物外殼的導(dǎo)線,其作用是低頻屏蔽,主要由0.2mm2或0.15mm2的鍍錫銅絲編織而成,其編制密度須達(dá)到90%以上。
屏蔽絲線徑、編織角度、每錠絲數(shù)和編織機(jī)張力是編織屏蔽絲的幾個(gè)重要參數(shù)。
常規(guī)屏蔽絲的現(xiàn)金有0.2mm2和0.15mm2兩種規(guī)格,線徑越粗,屏蔽效果越好。
主機(jī)廠和高壓導(dǎo)線制造商一般將屏蔽層的編制角度定義在50°~60°范圍內(nèi),在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的加工效率最高。
每錠的屏蔽絲數(shù)量由各個(gè)導(dǎo)線制造商確定,每錠的屏蔽絲數(shù)量越多,編織節(jié)距就越大, 相對的張力就會相應(yīng)小一些。
(2) 鋁箔層
鋁箔一般選用鋁塑復(fù)合帶,主要由鋁、高溫焦化的膠和耐溫等級為80℃的PET材料組成。其作用是高頻屏蔽。
鋁箔包裹在高壓導(dǎo)線內(nèi)絕緣層外的包覆力是通過制造機(jī)器預(yù)設(shè)的,其具體大小根據(jù)導(dǎo)線供應(yīng)商不同而有所差異。
絕大部分高壓導(dǎo)線的鋁箔層位于編織層外側(cè),少量高壓導(dǎo)線的鋁箔層位于編織層內(nèi)側(cè),不論哪種方式,鋁箔層都應(yīng)和編織層接觸并導(dǎo)通。
屏蔽層需要接地,將外來的干擾信號導(dǎo)入大地,從而避免干擾信號進(jìn)入內(nèi)層線芯干擾。
需要注意的是,屏蔽層不允許多點(diǎn)接地,因?yàn)椴煌拥攸c(diǎn)會存在電位差,如果屏蔽層多點(diǎn)接地,會在屏蔽層形成電流,感應(yīng)到導(dǎo)線上形成電流,感應(yīng)到信號線上形成干擾,不但無法起到屏蔽作用,反而引起干擾。
在高壓導(dǎo)線出廠時(shí),不論是鋁箔還是編織屏蔽層,都處于未打散狀態(tài)(即完整包裹在導(dǎo)線內(nèi)絕緣層),屏蔽層打散工作(包括鋁箔的切斷和屏蔽絲的擴(kuò)張)一般由高壓線束總成供應(yīng)商完成,在導(dǎo)線和連接器連接安裝前進(jìn)行。
(3) 磁環(huán)
高壓線束與高壓連接器的連接處會收到比較嚴(yán)重的EMC干擾,因此每個(gè)高壓連接器的接口處均需采用屏蔽處理。例如,前后電機(jī)接口處為屏蔽卡環(huán)與電氣盒導(dǎo)軌壓接,控制器及電池箱接插件則采用有屏蔽功能的結(jié)構(gòu)件。
在高壓線束和高壓設(shè)備上普遍增加磁環(huán)是較為常見且高效的做法。
磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導(dǎo)磁體,磁環(huán)是電子電路中常用的抗干擾原件,對于高頻噪聲有很好的抑制作用。
磁環(huán)材質(zhì)
根據(jù)要抑制干擾的頻率不同,選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料,鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高,低頻的阻抗越大,高鋁的阻抗越小。
磁環(huán)性能
磁環(huán)的效果與電路阻抗有關(guān),電路的阻抗越低,則磁環(huán)的濾波效果越好。鐵氧體材料的阻抗越大,濾波效果越好。導(dǎo)線兩端安裝了電容式濾波連接器時(shí),其阻抗很低,磁環(huán)的效果更明顯。
磁環(huán)的安裝位置一般盡量靠近干擾源。對于高壓系統(tǒng)的高壓線束,磁環(huán)應(yīng)盡量靠近電機(jī)、控制器高壓導(dǎo)線的進(jìn)出口。
磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大,軸向越長,阻抗越大。內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線,因此,要獲得大的衰減,在磁環(huán)內(nèi)徑包緊導(dǎo)線的前提下,盡量使用體積較大的磁環(huán)。
增加電纜上磁環(huán)的個(gè)數(shù),可以增加低頻阻抗,但由于寄生電容增加的緣故,高頻阻抗會相應(yīng)減小。