电动汽车用高压电缆的设计和开发

摘要：本文旨在理清电动汽车高压电缆的用户(主机厂和线束厂)对用于连接高压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机的高压电缆的各种技术需求;提出了作为汽车零部件供应商和现有的标准的低压汽车电缆设计相比在机械和电气要求方面开发高压电缆面临的挑战。本文也阐述了采用设计方法、材料和电缆选型克服挑战，同时满足汽车行业的严格要求的途径。

一、概述

国际原油价的不断上涨，全社会对环境恶化全球变暖的更加关注，加之各国政府税收的倾斜和政策的扶持，促使在全世界范围内替代能源尤其是电动汽车的市场份额不断增长。

电动汽车主要包括三类，即纯电动汽车，混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车和燃料电池汽车是完全由一个电动马达驱动的，而混合动力汽车结合内燃机与电动机，在加速和低速条件下内燃机的效率不高时由电动机支持。他们共同的特点是使用高达600V的或更高的驱动电压，涉及到布线，他们都有着相同的基本要求，既是在EMI(电磁干扰)保护系统下的安全传输高的电流和电压。作为高压电缆是用于连接高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机，实现动力电能的传输。

电动汽车的基本原理似乎很简单。 但深入分析，系统的制造商正在面临着一系列的挑战需要克服。对电动汽车高压电缆，其柔韧性，屏蔽，安全，尺寸等项目提出了新的技术要求，因为这些会影响大电流和高电压的组件的布线。而面对每一个可能的动力系统不同的技术要点，对所需的组件也提出了不同的特殊要求。

需要说明的是电动汽车的高压系统并不是典型的高压系统，相关术语如“高电压”和“高电流”必须仅限定在汽车领域范围内，和常规汽车的低压系统相对而言。在其他领域参照系统则采用完全不同的标准，如电力领域高电压定义起步就是几千伏水平。

二、对电动汽车高压电缆的要求

创新的电动汽车设计对高压电缆和系统组件提出了新的挑战，这些要求不能完全采用现有的解决方案。具体要求分析如下。

1. 电压

和常规汽车电缆的基本差异是结构需要按额定电压600 V设计，而如果在商用车和公共汽车上使用，额定电压可高达1000 V。相比之下，甚至更高。目前由内燃机驱动的汽车使用的电缆被设计为额定电压60 V。

系统在产生的功率(P = U×I)不变的情况下，由于使用较低的电流，高电压可以减少在传输系统的功率损耗(PLOSS= I2×R)。

2. 电流

由于电缆连接电池，逆变器和电动机，高压电缆需要传输高电流。根据系统组件的功率要求，电流可达到250A到450A。这么高的电流在常规驱动的车辆上是很难找到的。

3. 温度

高电流传输的结果导致高功耗和组件的加热。因此高压电缆设计为承受较高的温度。目前可以看出对温度要求有进一步增加的趋势。

相比之下，目前的车辆通常使用电缆的额定温度到105℃就足够了，只要是电缆不是用在发动机舱或其它耐较高的温度的区域。电动汽车高压电缆通常要高于这个温度，如125℃或150℃。

电动汽车内如果通过的路由不利，主机厂甚至会提出更高的耐高温要求。如排气管附近，电机前面，电池背面等。

4. 工作寿命

汽车行业通常在指定的温度等级电缆设计使用寿命为3000 h。在公认的电缆标准(如ISO 6722、ISO 14572)，此值通常用于长期老化试验。在高压应用领域的客户的特殊要求可能超过3000 h，在规定的温度累计运行时间甚至达到至12000 h。

5. 屏蔽效果

高压电缆的本身并不需要屏蔽，因为不像同轴电缆那样传输数据，但是需要防止或减少系统中的开关电源产生的高频辐射通过电缆诱导到周边部件。

和燃料驱动的车辆不同，控制电动汽车的电机的三相交流电成为必须。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，所以会产生能量很强的谐波发射到周边区域。

通过使用适当的屏蔽方法完全可以解决EMI问题。在某些情况下为满足屏蔽效果的不同要求需要采用不同屏蔽类型的组合。

6. 柔韧性

混合动力汽车的开发在许多情况下面临的挑战是，现有的系列平台原来只设计装载汽油发动机和它的组件的空间纳入了更多的电气组件。即使不考虑布线，空间的限制可以预计。此外，电缆和连接器通过路由也需要空间。通常的后果是导致紧张的弯曲半径。

由于常规电缆固有的设计，高弯曲力难以克服。为了解决这个问题，高压电缆高柔韧性是至关重要的。只有比较柔韧的设计，通过车辆的路由才可以容易实现。

7. 耐弯曲

如果电动机位于靠近车辆的运动部位，然后导致连接的高压电缆连续振动，它要求被设计成能承受高的循环弯曲，以确保良好的弯曲耐力。

8. 标识

因为高电压带来应用风险增加，各种标准均定义高压电缆必须在视觉上与普通汽车电缆区分，指定表面必须是鲜艳的橙色。

同时也可以印刷警示内容和特殊标记，如“小心!高压600V”、高电压的闪电标识等。

三、电动车电缆的标准化现状

针对上述的电动汽车应用的高压电缆的挑战和要求，有必要建立新的电缆标准，以满足供应商、线束厂以及主机厂的需要。

国际标准化组织道路车辆技术委员会电气电子分技术委员会车用电缆工作组(ISO/TC 22/SC 3/WG4)在开展这项工作。

在ISO 6722上可以看到，基于常见的60 V电缆标准进行了修订，以符合600V电缆的需求。因为它的大多要求还是很通用的，但往往不考虑高压电缆所需的特殊设计。ISO 14572 也作了类似的修订。

目前电压高于600V高压电缆的标准化是各工作组的一个课题。标准号是ISO 17195。

SAE将调整目前的高压(额定600 V)规范SAE J1654 对高压电缆的要求，并涵盖从600 到1000 V的额定电压，新创建尚未发布的标准SAE J2840将定义为屏蔽类型的电缆。

LV是德国的五大汽车公司的共同采购规范，目前推出了额定电压600 V的电动汽车高压电缆标准LV 216。其涵盖单芯和多芯的屏蔽电缆。

我国的高压屏蔽电缆的国家汽车行业标准正在制定中，其额定电压将达到1000 V。