新能源车型与燃油车有什么区别？全面解析新能源汽车高压线束设计要点

线束拓扑设计是架构设计中一项重要内容，受电气架构、电源分配、主机厂流水线、装配工艺的影响很大。而线束拓扑的最终形态，也会反过来影响整车电气架构、电源分配、零件制造、整车安装等。


对于高压线束拓扑设计来说，由于高压电器件普遍体积大，要求的安全系数高，因此在新能源车型处于前期开发阶段时，高压线束拓扑架构的设计工作就应该尽早介入。


在设计之初，需要明确一点，不论高低压线束，其拓扑设计不能一概而论，无法遵循单一的形式，而是要从整车层面，在满足预设功能的前提下，以最少的原材料和最高的成产、装配效率为目标导向来进行全方位的考量。


要全面了解高压线束拓扑最简单和直观的方法就是从熟悉的传统低压线束出发，先行了解传统燃油车和新能源车在整车电气系统和电气件上的差异，衍生到高压线束拓扑和低压线束拓扑的差异。


新能源车型与燃油车的差异


传统燃油车最基本和关键的技术在于四大系统和八大机构。


八大机构是针对发动机而言的，点火系统、润滑系统、冷却系统、燃油供给系统、启动系统、曲柄连杆系统、配气机构和净化装置。四大系统则主要针对底盘而言，分别为传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统。


1.动力系统差异


纯电动汽车和燃油车最大的区别在于动力系统的不同。


传统燃油车的动力系统由发动机总成和变速箱总成构成。燃油在发动机气缸内燃烧，使气缸内的气体迅速膨胀，推动活塞运动，产生动力。动力经离合器\变速箱\传动轴\主传动器\差速器\驱动轮，驱动轮转动给地面一个力，地面给车轮一个反作用力即牵引力，最终使车辆开始行驶。


纯电动车使用电动机替代了传统的燃油发动机，电动机和发动机在燃油车上所扮演的角色属性一致，都是汽车的动力装置，是电动汽车的心脏，依据电磁感应原理实现电能转换的一种电磁装置，产生旋转运动，进而使车辆运动。

2.传动系统差异


由于电动车没有传统燃油车必备的变速箱，电机的动力输出大小则完全依靠电子控制系统来调节，然后通过减速器和差速器直接传递到前轴或后轴带动车轮旋转。


在整个过程中，电动汽车采用线控技术，没有燃油车的前后传动轴，因此电机可以安装在距离车轮更近的地方，换句话说，对应的高低压线束的安装可更加紧凑。


3.制动系统差异


燃油车上采用发动机和真空泵组合来提供真空助力的制动模块，但由于电动车没有发电机和启动机，也就没了真空来源，因此，电动汽车的制动系统由电动真空泵给真空制动助力器提供助力。


4.能量供给系统差异


燃油车上所有纷繁复杂，做机械运动的电气部件，其能量源均来自于燃料(汽油)。燃烧产生的化学能除了转换为机械能外，同时还转换为电能，为其他车载用电器(安全系统、信息娱乐系统等)提供能量。


电动汽车的动力源则“省去”燃烧燃料环节，直接使用电动汽车的重要部件——动力电池作为电动机的能量源。


纯电动汽车没有燃油箱(在混动车型上仍保留燃油箱)，但动力电池的体积及其重量都比油箱装满后重很多，油箱虽然可以根据底盘的空间设计成多种形状，但总体来说是一体不可分开的。而动力电池则可以分来安放，充分利用座椅、车底、后备箱等空间，对能量存储的空间利用率有了极大的提高。


以上这些新增的高压部件(高电压电池、逆变器、空调压缩机、三相发电机和电动机等)都需要高压线束为其提供能量和型号传输。当然，这里提到的高压线束和日常生活中的高压电网输送电缆并不相同，仅相对于燃油车的低压系统而言。


新能源汽车高压线束设计要点解析


新能源汽车高压线束是高压电气系统的关键组件， 为新能源汽车的可靠运行和安全提供了保障。它承载着电动、 混动汽车内部及外部线束连接， 通过配电盒进行电源分配， 高效优质地传输电能， 屏蔽外界信号干扰等功能， 是新能源汽车高压系统的神经网络， 连接所有的高压电子零部件， 传递电力与数据， 对新能源汽车极为重要。


1 高电压


新能源汽车普遍工作在B级电压范围，因此要求高压线束也需要满足60V-1500V的工作电压范围要求，目前普遍的导线电压要求根据 GB/T 184384.3中对B级电压的规定为AC30V-1000VRMS ，或DC60V-1500V。


2 大电流


新能源汽车高压线束作为主要的能源传输通道，需要承受较大的电流，直流母线额定工作电流都能够达到 200A以上。


3 密封性


由于高压线束高电压大电流的特性，对线束的密封性也有很高的要求，一般都会要求进行防水防尘试验和气密测试， 如果密封不好， 导致潮湿或进水， 会造成导线和连接部位的极速老化或损坏。如果在接插件部位的密封性能差，还能够导致绝缘电阻降低，整车报绝缘故障。


4 耐热性


由于高压线束长时间通过大电流，因为功率很大，由焦耳效应产生很大的热量，因此高压线束的导线耐温等级一般都达到 125℃（150℃），端子耐温一般都达到 140℃。


5 EMC性能


EMC（Electro Magnetic Compatibility ，电磁兼容性）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。简单来说， EMC包括了EMI（Electro Magnetic Interference ，电磁干扰）和 EMS（Electro Magnetic Susceptibility ，电磁敏感性）。


EMI是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰；EMS是指器具对所在环境中存在的电磁干扰所具有的一定程度的抗扰度。EMI是主动性的，即对外界产生的干扰，EMS是被动性的，即抵抗外界的干扰。所以对设备的 EMC要求就是：减少对别人的干扰，同时自身能抵抗相当程度的外界干扰。


零部件电磁兼容性是整车电磁兼容性的基础和前提， 用于新能源车上的零部件不仅应满足零部件电磁兼容性要求， 同时在整车电磁兼容性出现问题时， 零部件供应商也有义务支持并进行相关整改。理论与实践证明， 任何电磁骚扰的发生必须具备 3 个条件: 骚扰源、传播骚扰的途径和敏感设备。作为新能源汽车的零部件应该从两个方面尽可能地优化 : 一是尽量降低骚扰的强度；二是尽可能地提高抗骚扰的能力。


整车范围内首先保证零部件的 EMC符合标准要求，通过线束将各个控制单元联系在一起。新能源汽车整车级屏蔽设计的重点应是高压系统的布局、 屏蔽设计以及 CAN通信网络的抗干扰处理。首先尽量要求高压线束沿着车身布置， 优化整车电磁辐射的环路， 同时利用车身形成封闭的屏蔽舱。同时屏蔽高压电缆和连接器也是一种减少不必要的电磁干扰经济有效的方法， 通过一系列标准的实验显示了屏蔽电缆和连接器能够有效减少在 100 kHz到 200 MHz频率范围内的不必要的干扰。


目前国内车型全部采用屏蔽高压线， 日系车也有应用屏蔽网包覆在高压线外侧，插件处处理实现屏蔽连接。为了避免高压线束传输强电电流时产生电磁干扰，导致低压线束对控制单元供电及信号传输受到电磁干扰的风险， 一般采用高压线束与低压线束分层设计，距离保证在 200-300mm内。


6 耐久性


新能源汽车上的电源和各种电气零件通过线束来实现电路物理连接， 线束分布遍布全车。如果把动力系统比作汽车心脏的话， 那么线束就是汽车的神经网络系统它负责整车各个电器零件之间的信息传递工作。随着人们对舒适性、经济性、安全性要求的不断提高， 汽车上的电子产品种类也在不断增加， 汽车线束越来越复杂线束的故障率也相应增加。这就要求提高线束的可靠性和耐久性等性能。


端子和连接器是决定系统可靠性的重要内容， 也是整个线束的重要组成部分。


由于部分端子和连接器的工作环境恶劣， 端子和连接件中容易发生各种各样的故障，如腐蚀、老化以及在振动的作用下松动等问题。由于端子和连接器的毁、松动、脱落、失效所导致的电气线路故障占整个电气系统的故障的 50%以上，所以整车电气系统可靠性设计中应充分重视端子和连接器的可靠性设计。为提高端子和连接器设计的可靠性，首先应分析其故障模式，以便做好相应的预防工作。


端子和连接器通常有接触不良、 绝缘不良和固定脱落这三种主要的故障模式， 其中，针对接触不良，可采用检测静态接触电阻、动态接触电阻、单孔分离力、连接点和元器件的耐振性等指标来加以判断；对于绝缘不良， 可检测绝缘体绝缘电阻、绝缘体时间退化速度、绝缘体、接触件等零件尺寸等指标来加以判断；对于固定脱落类的可靠性， 可检测端子和连接器的装配公差、 耐力矩、连接针保持力、连接针插入力、 环境应力状况下保持力等指标来加以判断。分析了端子和连接器的主要故障模式和失效形式之后， 可采取以下措施来提高端子和连接器设计的可靠性：


a) 选择合适的接插件。接插件的选择不仅要考虑连接电路的类型和数量，还要有利于设备的组成。如圆形连接器受气候和机械因素的影响比矩形连接器小，并且机械磨损较小，与导线或电缆的端接可靠，所以尽可能地选择圆形连接器。


b) 连接器中接触件数量越多，系统的可靠性越低，所以在空间、重量允许的情况下，尽量选择接触件数量较少的连接器。


c) 选用连接器时，应考虑设备的工作条件。这是因为连接器的总负载电流和最大工作电流往往是根据在周围环境的最高温度条件下工作时所允许的热量来确定的。同时，为降低连接器的工作温度，应充分考虑连接器的散热条件，如可使用距连接器中心较远的接触件来连接电源，这样就更利于散热。


d) 当插件在有腐蚀性气、液体环境中工作时，为防腐蚀，在安装时应注意尽可能从侧面水平安装， 当条件需要而垂直安装时， 应防止水顺着引线流入接插件，一般使用防水插接件。


e) 端子拉脱力、屏蔽环拉脱力需要满足标准要求。

f) 在高压线束的设计过程中，需要考虑线束布置的弯曲半径，不合适的弯曲半径会造成线缆对于端子和和屏蔽环长时间的拉扯，容易产生拉脱的风险。


另外，车辆上线束的工作环境是十分恶劣的， 腐蚀性气、液体的存在，潮湿、高温、振动以及与其他部件的摩擦和碰撞，容易出现绝缘体磨损、接头松动、导线腐蚀等现象，进而导致断路、短路。所以要想让线束能够安全可靠的工作，就应做好线路的保护设计，也即是要做好线束的包扎和固定。


整车线束都应有防腐、防潮的保护措施，并防止车辆振动对其造成不利影响；


线孔处必须做好保护， 如翻边设计， 以防线束穿过时对线束摩擦而造成绝缘层破损。为了提高保护设计可靠性， 在装配前对包扎材料应进行环境筛选试验， 避免不合格的产品进入下一环节；还应在设计选型时针对不同部位的环境应力， 对不同包装材料进行加速寿命试验，以选出综合性能最好的一种。


7 安全性


高压线束电压定义：DC:60V＜U＜1500V；AC: 30V RMS＜U＜1000V RMS;根据高压系统部件的载流量计算电流可高达 250A；一般情况下人人体安全电压为 36V,允许通过的电流为 36mA这大大高出了人体所能接受的安全电压、 电流，所以高压线束的安全性十分重要。

高压线束的安全性设计主要在于绝缘，耐压保护、过载、接插件的 IP 等级防护要求等。


绝缘：指使用不导电的物质将带电体隔离或包裹起来，以对触电起保护作用的一种安全措施 ; 有强电作用下，绝缘物质可能被击穿而丧失其绝缘性能。因此，电气线路与设备的绝缘选择必须与电压等级相配合， 而且须与使用环境及运行条件相适应，以保证绝缘的安全作用。高压线束一般都是采用双重绝缘。


耐压：把一个高于正常工作的电压加在被测设备的绝缘体上，并持续一段规定的时间，如果其间的绝缘性足够好， 加在上面的电压就只会产生很小的漏电流。如果一个被测设备绝缘体在规定的时间内， 其漏电电流保持在规定的范围内， 就可以确定这个被测设备可以在正常的运行条件下安全运行。

过载：电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。如导线流过的电流超过了安全载流量， 就叫导线过载。过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧。


发生过载的主要原因有导线截面选择不当， 实际负载已超过了导线的安全电流；还有端子的载流量不够已超过了其承载的最大电流。


接插件的 IP 等级防护要求：高压接插件连同线束连接 HEV/EV的动力总成系统，不仅是车辆驱动的关键能源输送线，影响车辆功能及性能，同时，也是一个影响安全性能的关键因素，会引起车辆抛锚、着火，甚至会产生电击，从而车辆使用者的生命安全。


IP 防护设计。试验证明， 裸露于潮湿空气的高压端子会更容易腐蚀， 也更危险，因此在可能的情况下， 所有的高压插件的防护等级要求在 IP67 以上，当然，位于底盘或前舱等更恶劣的情况下必须更高。


防触指功能设计。整车的高压系统设计需保证在单点失效的情况不影响操作人员的安全，即便裸露的插件，也要保证人员徒手操作不造成危害，因此，护套与端子的设计使得人手指无法直接接触到端子。


8 高压连接器特点


高压连接器作为高压线束的关键核心部件，其特点与高压线束大部分一致，其中以下特点较为突出：


耐压性 : 满足爬电距离和电器间隙要求，满足 750V额定电压要求；


安全性 : 具有高压互锁功能，未对配插件满足 IPXXB 要求，对配状态插件满足 IPXXD防护要求。


电气间隙和爬电距离，满足污染等级 3 的设计要求。


9 高压导线特点


车用高压导线最大的特点是耐高电压，目前市场应用高压导线处于 600V 交流/1000V 直流耐高压水准，随着续航里程提升而需要更大功率输出，将需要更高耐压等级的高压导线，耐压等级将达到以及高于 1000V交流/1500V 直流的水准。另外，对于高压大电流模块用到的高压导线，因为高功率、车内空间和布线设计的要求，高压导线具有耐大电流、耐高温、阻燃、高柔性和 EMC抗屏蔽性能等特点，从而满足新能源汽车市场应用。


10 充电口特点


充电口相对于其他高压连接器，它的接触端子插拔后易损，导致接触区域阻抗变大，发热，烧蚀等，因为一部分为室外使用，污染等级为 3 级，实际情况还要高于这个污染等级， 特别是充电桩端的产品， 基本无防护， 故塑胶材料选材需考虑高温和耐油等特性，防护等级必须满足插合前 IP54，插合后 IP55，而实际应用场景还要高于这个标准。


从标准来看，充电口需要满足 GB/T 20234.1 的要求，快充接口和慢充接口分别还需要满足 GB/T 20234.2 和 GB/T 20234.3 的要求。充电口需要同时满足互操作性标准 GBT 34657.2-2015 要求。


目前的充电口普遍存在的待解决的问题包括：交流 63A发热、烧蚀暂时没有比较好的解决办法，充电卡钩强度无参考标准，实际使用中容易发生断裂等。


其他注意点说明


线路设计长度的合理性：


通常汽车上根据用电器在车身上的实际布置位置来确定电线束的各部分的长度，并且所有由线束经过的地方都有固定的扎带或孔位来将线束固定。所以线束可靠性受线束总成上各分支的尺寸的影响也较大。线束如果过长， 不仅浪费了空间和材料， 也容易导致在车辆行驶过程中因与其它部件的接触而产生摩擦， 加速了线束的磨损， 进而引起短路等问题。因此，线束的设计长度一定要比实际长度稍有富余，一般适宜的松弛度量根据不同环境为 0.05-5%。


高压线束的柔软性：


高压线束基本使用大平方所以对电缆的最小折弯半径也有一定的要求通常为电缆外径的 5D；高压线束颜色要求：为了起到警示作用高压线束必须使用橙色；也可附带高压警示标识。