高壓線(xiàn)束是高壓系統(tǒng)的核心部件之一，本文將介紹高壓線(xiàn)束設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)與方法，包括高壓互鎖、高壓線(xiàn)束設(shè)計(jì)與高壓連接器。以下為正文。
1 高壓互鎖
1.1高壓互鎖的定義
高壓互鎖（High Voltage Inter-lock， 簡(jiǎn)稱(chēng)HVIL），其實(shí)也是高壓互鎖回路（Hazardous Voltage InterlockLoop）的簡(jiǎn)稱(chēng)。高壓互鎖是指，用低壓信號(hào)監(jiān)視高壓回路完整性的一種安全設(shè)計(jì)方法。通過(guò)使用低壓信號(hào)來(lái)檢查電動(dòng)汽車(chē)上所有與高壓線(xiàn)束相連的各組件，檢測(cè)各個(gè)高壓系統(tǒng)回路的電氣連接完整性（連續(xù)性）。理論上，低壓監(jiān)測(cè)回路比高壓先接通，后斷開(kāi)，中間保持必要的提前量，時(shí)間長(zhǎng)短可以根據(jù)項(xiàng)目具體情形確定，比如150ms，大體在這個(gè)量級(jí)。具體的高壓互鎖實(shí)現(xiàn)形式，不同項(xiàng)目可能有不同設(shè)計(jì)。在電動(dòng)汽車(chē)高壓回路中，要求具備HVIL功能的電氣元件主要是高壓連接器，手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)（MSD）等這類(lèi)要求人力操作，實(shí)現(xiàn)電路接通還是斷開(kāi)的電氣接口元件。高壓互鎖的目的是，用來(lái)確認(rèn)整個(gè)高壓系統(tǒng)的完整性的，當(dāng)高壓系統(tǒng)回路斷開(kāi)或者完整性受到破壞的時(shí)候，就需要啟動(dòng)安全措施了。高壓互鎖主要是用來(lái)保證高壓系統(tǒng)安全，主要有三個(gè)作用：一是，用來(lái)檢測(cè)高壓回路松動(dòng)（會(huì)導(dǎo)致高壓斷電，整車(chē)失去動(dòng)力，影響乘車(chē)安全）并在高壓斷電之前給整車(chē)控制器提供報(bào)警信息，預(yù)留整車(chē)系統(tǒng)采取應(yīng)對(duì)措施的時(shí)間。二是，在車(chē)輛上電行車(chē)之前發(fā)揮作用，檢測(cè)到電路不完整，則系統(tǒng)無(wú)法上電，避免因?yàn)樘摻拥葐?wèn)題造成事故；三是，防止人為誤操作引發(fā)的安全事故。在高壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，如果沒(méi)有高壓互鎖設(shè)計(jì)存在，手動(dòng)斷開(kāi)高壓連接點(diǎn)，在斷開(kāi)的瞬間，整個(gè)回路電壓加在斷點(diǎn)兩端，電壓擊穿空氣在兩個(gè)器件之間拉弧，時(shí)間雖短，但能量很高，可能對(duì)斷點(diǎn)周?chē)娜藛T和設(shè)備造成傷害。高壓互鎖設(shè)計(jì)有兩個(gè)方面的因素需要考慮，一個(gè)是低壓系統(tǒng)怎樣全面檢測(cè)到整個(gè)高壓系統(tǒng)每個(gè)連接位置的連接狀態(tài)；另一個(gè)問(wèn)題是，怎樣實(shí)現(xiàn)低壓檢測(cè)回路的信息傳遞動(dòng)作必須領(lǐng)先于高壓回路斷開(kāi)的動(dòng)作。因此高壓互鎖原理需要從這兩個(gè)方面出發(fā)，考慮整體電路設(shè)計(jì)原理和連接器自身設(shè)計(jì)原理。
高壓互鎖設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，需要以下設(shè)備組成：高壓互鎖連接器及高低壓導(dǎo)線(xiàn)，閉合的低壓電源信號(hào)回路，高壓互鎖監(jiān)測(cè)回路及監(jiān)測(cè)模塊 （監(jiān)測(cè)模塊可以是電池管理系統(tǒng)BMS，或者整車(chē)控制器 VCU），監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)高壓互鎖監(jiān)測(cè)結(jié)果控制的高壓繼電器。
具備高壓互鎖功能的高壓連接器，由殼體、高壓導(dǎo)電件、低壓信號(hào)導(dǎo)電件和監(jiān)測(cè)模塊及監(jiān)測(cè)線(xiàn)路組成。高壓互鎖連接器，一般實(shí)現(xiàn)方式是在對(duì)插的一對(duì)公端、母端上，分別固定著一對(duì)高壓接插件和一對(duì)低壓接插件。當(dāng)高壓插件處于斷開(kāi)狀態(tài)，低壓回路被切斷；高壓插件處于連接狀態(tài)，低壓回路也接通，形成完整回路。
2 高壓線(xiàn)束的設(shè)計(jì)
高壓線(xiàn)束是新能源車(chē)上最主要的能量傳輸載體，其主要作用是為車(chē)載高壓電器零部件傳輸動(dòng)力能源。高壓線(xiàn)束設(shè)計(jì)主要涉及高壓線(xiàn)束的工作電壓、工作溫度以及溫升、線(xiàn)徑選擇、高壓連接器的選型以及高壓線(xiàn)束的防護(hù)。
2.1 高壓線(xiàn)束的選擇
由于新能源商用車(chē)所用電機(jī)額定功率都比較大，普遍在50~150 kW之間，在某些新能源重卡上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率可達(dá)200 kW以上。為了盡可能地減小在對(duì)高壓系統(tǒng)傳輸過(guò)程中的能量損失以及電流對(duì)電氣系統(tǒng)的沖擊，就得適當(dāng)?shù)靥岣哒?chē)動(dòng)力部分電氣系統(tǒng)的工作電壓，新能源商用車(chē)的高壓零部件工作電壓一般在540~600 V DC，最高工作電壓可達(dá)750 V DC左右。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的電壓級(jí)別為B級(jí)，所以高壓線(xiàn)束的工作電壓一般選擇在1000 V DC或者1500 V DC。溫度包括工作環(huán)境溫度、工作溫升以及線(xiàn)束工作溫度。目前一般環(huán)境溫度在-40 ℃~+85 ℃，高壓線(xiàn)束表面長(zhǎng)期允許最大工作溫度為125 ℃，對(duì)于某些特殊用途的高壓線(xiàn)束，其最大工作溫度可達(dá)150 ℃。高壓線(xiàn)束的允許工作溫升就是高壓線(xiàn)束在工作時(shí)達(dá)到熱平衡時(shí)的表面工作溫度和環(huán)境溫度的差值。高壓線(xiàn)束設(shè)計(jì)時(shí)，要求：高壓線(xiàn)束工作溫度≥環(huán)境溫度+高壓線(xiàn)束溫升，高壓線(xiàn)束使用時(shí)一般要求溫升不超過(guò)55 K。高壓線(xiàn)束線(xiàn)徑選取步驟如下。① 確定高壓線(xiàn)束所連接的電氣部件上負(fù)載特性，特性包括穩(wěn)態(tài)電流強(qiáng)度、電壓要求，瞬態(tài)條件和電流波形（平穩(wěn)、脈沖、頻率等）。②根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流強(qiáng)度，確定高壓線(xiàn)束的截面積，在125℃下，常見(jiàn)銅芯電纜線(xiàn)徑截面積與載流量的匹配參見(jiàn)表1。
③如果高壓線(xiàn)束的布置環(huán)境超過(guò)了線(xiàn)束允許的工作環(huán)境，則必須選擇較大截面積的線(xiàn)束。對(duì)于Tmax為180 ℃時(shí)，線(xiàn)束截面積升一檔使用，Tmax為250 ℃時(shí)，線(xiàn)束截面積升兩檔使用。例如，當(dāng)最大電流為150 A時(shí)，125 ℃情況下選用35 mm2的線(xiàn)束，180 ℃情況下選用50 mm2的線(xiàn)束，250 ℃情況下選用70 mm2的線(xiàn)束。高壓線(xiàn)束的彎曲半徑對(duì)于高壓線(xiàn)束的電阻影響很大。高壓線(xiàn)束被過(guò)分彎曲后，線(xiàn)束折彎部分的電阻變大，會(huì)造成線(xiàn)路壓降超大。對(duì)于線(xiàn)徑D小于等于15 mm的高壓線(xiàn)束，高壓線(xiàn)束的折彎半徑應(yīng)大于3D；當(dāng)線(xiàn)徑D大于15 mm時(shí)，高壓線(xiàn)束的折彎半徑應(yīng)大于5D。
5）屏蔽及EMC干擾設(shè)計(jì)
高壓線(xiàn)束每個(gè)接口均采用屏蔽處理，前后電機(jī)接口處為屏蔽卡環(huán)與電氣盒導(dǎo)軌壓接，控制器及電池箱插件采用有屏蔽功能的結(jié)構(gòu)件。
電機(jī)、控制器等高壓部件發(fā)出不同頻段的電磁波對(duì)整車(chē)音響 倒車(chē)影像及變速器傳感器等產(chǎn)生干擾，目前國(guó)標(biāo)沒(méi)有詳細(xì)關(guān)于此方面的標(biāo)準(zhǔn)。有些主機(jī)廠(chǎng)采用在相關(guān)高壓零件（包括設(shè)備和線(xiàn)束）均增加磁環(huán)， 整車(chē)EMC問(wèn)題得到大大的改善。
2.2 高壓線(xiàn)束用連接器的選型
1） 接器防護(hù)等級(jí)要求不低于IP67。2） 連接器直接接觸防護(hù)滿(mǎn)足IPXXB的等級(jí)要求。3） 連接器的絕緣電阻不小于500 MΩ，1000 V DC。4） 連接器的工作電壓不低于車(chē)輛最高工作電壓。5） 連接器要帶有機(jī)械防呆功能，同時(shí)，不同型號(hào)規(guī)格在顏色上也能加以區(qū)分；以Amphenol PL系列連接器為例進(jìn)行說(shuō)明，如表2所示。
7） 連接器要帶有屏蔽環(huán)，滿(mǎn)足高壓屏蔽線(xiàn)的壓接要求。8） 連接器要具有二次鎖止功能，避免因使用過(guò)程中的誤操作或者顛簸導(dǎo)致高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)。
2.3 高壓線(xiàn)束的制作
高壓線(xiàn)束的制作主要涉及高壓線(xiàn)束端子的壓接、屏蔽層處理、防護(hù)以及絕緣電阻的檢測(cè)。高壓線(xiàn)束端子的壓接水平影響著高壓線(xiàn)束的電阻率，接觸電阻以及絕緣性能。評(píng)價(jià)端子壓接程度的好壞從這幾方面：端子端面壓著狀態(tài)、端子承受最大拉拔力、端子壓著后接觸性能阻抗綜合評(píng)價(jià)。端子壓接不緊，端子承受最大拉拔力達(dá)不到要求，高壓導(dǎo)線(xiàn)容易從端子松脫，造成高壓安全事故；端子壓接過(guò)緊，端子承受最大拉拔力有所下降，端子端面壓著結(jié)構(gòu)緊湊，端子壓著后接觸性能阻抗增大，在大電流的作用下，容易在端子壓接處局部發(fā)熱生成高溫區(qū)，能量損耗嚴(yán)重，甚至發(fā)生火災(zāi)。因此通過(guò)從上述三方面檢測(cè)保證端子壓接到位，具體檢測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖1。
端子剖面分析儀，用于分析端子壓著端面導(dǎo)線(xiàn)分布?jí)航忧闆r。拉力測(cè)試機(jī)，用于測(cè)試驗(yàn)證端子壓緊情況。電壓降測(cè)試儀，用于檢測(cè)端子壓著后接觸性能阻抗。由于新能源商用車(chē)上高壓零部件屬于大電流工作器件，其工作期間，會(huì)對(duì)車(chē)載低壓電器，尤其是控制器類(lèi)部件，產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，故高壓線(xiàn)束一般采用帶屏蔽層結(jié)構(gòu)。高壓線(xiàn)束在制作過(guò)程中，需要按照連接器的操作說(shuō)明書(shū)，對(duì)高壓線(xiàn)上的屏蔽層進(jìn)行處理，以避免因屏蔽層處理不當(dāng)產(chǎn)生過(guò)量的電磁泄露，影響其他車(chē)載器件或者通訊設(shè)備的正常工作。高壓線(xiàn)束在壓接完成后，根據(jù)其在車(chē)輛上的布置位置以及使用工況，在其外表面要用橙色波紋管、編織物管或者紡織膠帶等外敷物進(jìn)行包裹，以增加其耐磨性、隔熱性以及美觀(guān)性。常用的高壓線(xiàn)束外敷物及其特性見(jiàn)表3。
高壓線(xiàn)束是新能源商用車(chē)上的應(yīng)用最廣泛的高壓零部件，也是最容易出現(xiàn)絕緣故障的高壓零部件，因此，高壓線(xiàn)束的絕緣電阻測(cè)量是高壓線(xiàn)束制作過(guò)程中必須進(jìn)行的監(jiān)控項(xiàng)。高壓線(xiàn)束的絕緣電阻要求一般不低于500 MΩ，1000 V DC。
3 高壓線(xiàn)束的布置
新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊，布置空間緊張，對(duì)于高壓線(xiàn)束的布置提出了更高的要求。高壓線(xiàn)束的布置，需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：1） 高、低壓線(xiàn)布置時(shí)，盡量分開(kāi)布置，以提高車(chē)輛的電磁兼容性能。2） 高壓線(xiàn)束布置時(shí)的折彎半徑應(yīng)不小于其最小折彎半徑。3） 高壓線(xiàn)從連接器接口處出來(lái)后，在允許出現(xiàn)高于連接器中心水平面進(jìn)行布置之前，必須先保證有一段高壓線(xiàn)處于連接器中心水平面之下，以保證雨水不會(huì)沿著高壓線(xiàn)束倒流進(jìn)高壓零部件內(nèi)部，如圖2、圖3所示。
4） 高壓線(xiàn)束由于線(xiàn)徑較粗，折彎時(shí)需要的折彎力比較大，因此在進(jìn)行高壓線(xiàn)束固定時(shí)，在折彎處的兩端要用固定卡箍等可以長(zhǎng)期承受較大作用力的零件進(jìn)行固定，如圖4中，在圖中標(biāo)記的1、2兩處地方需要分別用圖5中所描述的卡夾進(jìn)行固定。
5） 對(duì)于非受力部位的高壓線(xiàn)束進(jìn)行固定時(shí)，可以用尼龍?jiān)鷰нM(jìn)行捆扎、固定。6） 高壓線(xiàn)束布置時(shí)，應(yīng)避開(kāi)運(yùn)動(dòng)部件以及高溫部位。7） 高壓線(xiàn)束布置和固定時(shí)，應(yīng)避開(kāi)劇烈震動(dòng)區(qū)域，并根據(jù)線(xiàn)束布置部位的振動(dòng)幅度、運(yùn)動(dòng)件的最大運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，留有足夠的線(xiàn)長(zhǎng)，避免讓線(xiàn)束承受拉力或者張力。8） 高壓線(xiàn)束要避免從尖銳物、金屬架邊緣、焊接縫、車(chē)身上的固定孔處走線(xiàn)，避免因裝配操作、振動(dòng)摩擦使得高壓線(xiàn)束外敷物磨破，導(dǎo)致線(xiàn)束損傷而造成安全事故。
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