新能源汽车内部高压电缆屏蔽设计

智能汽车电子与软件 2024-07-30 17:06

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摘要：新能源汽车的能源发生方式就是电池的充放电，所以如何保障电动汽车内部电气系统的可靠性是电动汽车设计及品质管控的重点。动力电缆作为动力传输的动脉，起着关键性的作用。重点分析了电缆屏蔽结构的性能和寿命，更改了传统的工艺及材料设计，通过实际验证，得出实验数据，将改进后的电缆与目前大量使用的电缆的各项测试进行对比，最终得出结论：改善设计后的电缆，整体寿命明显提升，其他各项测试指标也均能达到相关标准的要求。

0 引言

随着时代的发展，我国对环境的保护力度不断加大，汽车行业的大趋势是传统的燃油汽车将会逐渐被清洁的新能源汽车所取代。而作为新能源汽车内部传输动力的特种电缆则有非常广阔的发展前景和市场环境。该种电缆应该达到的技术要求为：电压为300～1 000 V；电流为80～500 A；耐低温-40 ℃；耐高温125～150 ℃，个别发热区域耐高温需要达到175～200 ℃。电缆同时又需满足长寿命、耐各种气候环境，解决EMI（电磁干扰）等要求。

本文主要针对传统车内高压电缆的屏蔽层寿命短、老化破裂后会致使屏蔽性能急剧下降的问题，通过改善工艺特点，改变屏蔽层的结构以及制造方法，在保证电缆达到预期的屏蔽效果、柔软度等各种性能都优越的情况下尽可能地提高使用寿命，至少使其能和汽车的寿命保持一致，不能在汽车正常使用寿命内产生性能衰减。

1 设计理念

传统汽车的保修期为3～5年，传统汽车线缆主要适用于低电压、低电流，因此线缆结构简单（大多为导体＋绝缘的简单结构）。尺寸小、传输的电压和电流小，对外界产生的干扰信号较微弱，一般不需要进行屏蔽设计。

近几年新能源电动车的迅猛发展带动了汽车行业的智能化和自动化的高速发展，很多汽车设计时，往往遗漏和忽略了细节方面的情况，比如电缆寿命与汽车寿命匹配的问题，以前的汽车是机械化程度高，但是电子化程度较低，对于信号的干扰基本可以忽略，所以汽车用电缆基本不用考虑屏蔽的问题。但是如今汽车电子化程度越来越高，信号采集、传输、接收等会因汽车内外部信号的干扰而产生信号失真，严重的还会造成安全事故。所以如今汽车很多重要的电子元器件都会认真考虑防干扰性能设计，在防干扰的处理上一方面是屏蔽来自外界的干扰，另一方面是屏蔽元器件本身可能产生的电磁波对相邻零部件产生干扰。

新能源汽车的三相电机已经在行业内普遍使用，携带能量的正弦电压相当于不同频率的方波脉冲信号，由于高频率的脉冲具有陡峭的沿，因此会产生能量很强的谐波发射到周边区域，对周围的电子设备产生强烈的电磁干扰，虽然新能源汽车用高压电缆不像同轴电缆那样需要传输数据，本身并不需要屏蔽外界的干扰，但是其需要通过屏蔽来防止或减少电流传输时产生的高频辐射通过电缆影响到周边部件，影响其他电子设备的正常运行，为防止造成严重的后果，所以必须使用适当的屏蔽方式来屏蔽电力传输时电缆可能对相应零部件产生的干扰。

电缆设计时通常采取的屏蔽组合为铝塑复合带+铜丝编织的复合屏蔽结构，但是铝塑复合带容易氧化碎裂，寿命短，碎裂后会急剧降低屏蔽性能。为了改善这一情况，新设计的电缆采用编织屏蔽层包覆在半导体屏蔽层上的方式（电缆截面如图1所示），将绕包铝塑复合带更改为挤出半导电屏蔽层，在保证良好屏蔽性能的基础上，使电缆各部分的寿命达到一致，充分满足新能源汽车对于各零部件的寿命要求。

2 各种屏蔽结构的分析

2.1单独铜丝屏蔽

单一的铜丝屏蔽，虽然不受铝塑复合带寿命的影响，整体使用寿命能满足新能源汽车的寿命要求，但编织屏蔽的结构方式为交叉织网的形式，交叉织网时，总会留下菱形的空隙，如图2 所示，致使铜丝编织的面积覆盖率不能达到100%，且空隙的面积和形状会因编织规格参数不一样而有差异。而空隙面积和形状，又会对屏蔽效果产生直接的影响，导致屏蔽效果达不到最佳状态。根据计算及实际测试可以发现，随着编织角度变化（菱形空隙的形状也会相应改变），转移阻抗也会随之改变，如今汽车日益智能化、自动化而使得对于各部件的抗干扰能力要求越发严苛。单独使用铜丝编织进行屏蔽已经很难满足使用要求，此方案现基本不再采用。

2.2 铜带屏蔽

常规的屏蔽方式中，包铜带屏蔽的方式屏蔽效果优良，但是包铜带屏蔽虽然可以达到良好的屏蔽效果与使用寿命要求，但是包铜带的劣势是电缆包铜带后整体很硬，导致弯曲半径过大，不适合在汽车的狭小空间中布线使用，满足不了汽车设计的最基本要求，无法使用，所以此方案也可以直接剔除。

2.3 绕包铝塑复合带+铜丝编织复合屏蔽

目前市面上车内屏蔽高压电缆的屏蔽方式均为绕包铝塑复合带+铜丝编织的复合屏蔽方式，此方案具有优良的屏蔽效果，也不会影响电缆的整体柔软性和弯曲半径，易于在汽车的狭小空间内布线安装，经过实际测试验证，发现屏蔽效果和弯曲半径均能满足车企和相关标准的相应要求。

但是经过模拟汽车内部的特殊环境的使用测试中，发现铝塑复合带在长期湿热或者酸、碱、盐性等特殊条件下，会加速铝膜的氧化，使之变脆，容易破裂而导致电缆的屏蔽效果下降，从而产生一些不可预计的风险。为了能够解决这一问题，需寻找其他合适的代替方案。

2.4 挤塑半导电层+铜丝编织屏蔽

结合多年的高压电力电缆的生产经验，发现高压电缆中采用的绝缘屏蔽方式完全能够运用到新能源车内高压电缆的屏蔽设计中，经过多年的高压电力电缆使用验证，挤塑半导电屏蔽层的使用寿命，不会在短短几年甚至十几年内产生较大的性能下降问题。而且在现在成熟的3层共挤生产工艺基础上，稍作更改，使用双层共挤，将绝缘挤出和半导电层的挤出同时进行，不仅能解决绝缘和屏蔽层之间的结合问题，避免夹层中有空气，受热后使电缆产生鼓包等问题，也不会在两层结构中进入其他杂质导致质量问题，半导电屏蔽层的厚度也可以控制在0.3 mm左右，不会额外增加电缆外径和电缆重量，正好符合车企对于零部件的轻量化和小型化的要求。

经过制样测试，发现挤出半导电屏蔽层+镀锡铜丝编织的复合屏蔽的结构组合，能完全满足寿命和屏蔽率两种要求。生产过程中，在挤出绝缘层时，采用双层共挤的方式，生产效率也比挤出绝缘后绕包铝塑复合带的效率高很多，成本上就会更有优势。经过多次的生产和测试验证，发现此结构设计完全能够替代当前的绕包铝塑复合带+铜丝编织的传统复合屏蔽方式，完美解决了铝塑复合带的寿命对于电缆整体寿命的影响。

3 电缆屏蔽效果

目前国家标准《GB/T 25087-2010 道路车辆圆形、屏蔽和非屏蔽的60 V和600 V多芯绝缘电缆》6.3屏蔽效率条款及汽车行业标准《QC/T 1037-2016 道路车辆用高压电缆》4.10.5屏蔽效率条款对于此类电缆的屏蔽效果测试有明确要求，主要有转移阻抗测试和屏蔽衰减测试，其中又以三同轴法测试的转移阻抗最常用[7]。目前行业中通常以此测试数据来衡量屏蔽效果的好坏。

如表1所示，经过测试结果对比分析，更改设计后的电缆，屏蔽效果并没减弱，所以新设计的方案是可行有效的。

4 电缆弯曲性能的测试

新能源汽车的开发在许多情况下面临的挑战是内部空间的不足，现有的系列平台只设计了装载汽油发动机和它的组件的空间，现在要纳入更多的电气组件，必须考虑到空间的合理利用。

因汽车内部的空间有限，布线的空间非常狭小，转角半径也小，柔软性更好的电缆在整车厂装配时更容易施工，方便客户生产，客户的产能也将更高。本文中所提到的“双层共挤”的方式，不用多增加一道工序，同心度也能一起管控，减少了成品外径，提高产品质量，电缆整体的柔软性也比传统的绕包铝塑复合带方式生产的电缆好，整体性能及客户使用方便性更强。兼顾了产能和质量控制的双重要求。两种方案冷弯测试对比如表2所示。