新能源汽車高壓線束常用屏蔽結(jié)構(gòu)淺析

王亞芳，馮 偉，馬紅飛

（鶴壁天海環(huán)球電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

當(dāng)前新能源汽車正朝著高電壓大電流方向發(fā)展，有的高壓系統(tǒng)承受的電壓高達(dá)800V，電流高達(dá)660A，如此大的電流和電壓會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射會(huì)干擾其它電子元器件的正常運(yùn)行，所以高壓線束在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮電磁干擾問題。高壓線束常用的屏蔽電磁干擾方式有3種，分別是：①導(dǎo)線自帶屏蔽層；②在導(dǎo)線外面增加屏蔽套管；③從源頭上屏蔽，直接在高壓設(shè)備上增加濾波器。

1 導(dǎo)線自帶屏蔽層

圖1所示是自帶屏蔽層的單芯高壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖，這種導(dǎo)線通常由兩層金屬導(dǎo)電物質(zhì)和兩層絕緣物質(zhì)組成，從內(nèi)到外依次是線芯、絕緣層、屏蔽層、絕緣層。線芯一般采用銅或者鋁材質(zhì)，是電流的載體，當(dāng)線芯有電流通過會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而屏蔽層的作用就是屏蔽電磁干擾，使得電磁干擾始于線芯，止于屏蔽層，不會(huì)發(fā)射出去干擾別的電子器件。

圖1 單芯高壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

目前常見屏蔽層結(jié)構(gòu)，又可以分為3種情況，分別是：①編織屏蔽加金屬箔；②單一編織屏蔽；③單一金屬箔屏蔽。

1）編織屏蔽加金屬箔

編織屏蔽加金屬箔如圖2所示，其通常由金屬箔和編織屏蔽層兩部分組成。金屬箔通常是鋁箔，編織屏蔽層通常采用鍍錫銅絲編織，遮蓋率≥85%。金屬箔主要是用來防止高頻干擾，編織屏蔽層則是防止低頻干擾。高壓線纜的屏蔽性能包含兩部分，轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減，線束的屏蔽效能通常需要達(dá)到≥60dB。

圖2 屏蔽層結(jié)構(gòu)：編織屏蔽加金屬箔

不帶屏蔽層的導(dǎo)線在剝線時(shí)只需要?jiǎng)兊艚^緣層，然后進(jìn)行端子壓接即可，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。如圖1所示，自帶屏蔽層的導(dǎo)線一般采用同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果想要在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對這兩層絕緣層的剝皮處理就要求導(dǎo)線本身有非常理想的同軸度，但是這在導(dǎo)線實(shí)際生產(chǎn)過程中是很難實(shí)現(xiàn)的，所以在剝線時(shí)為了不損傷線芯，需要對兩層絕緣層分開處理，此外屏蔽層也需要進(jìn)行一些特殊處理。對于自帶屏蔽層的導(dǎo)線，線束加工制造過程就多了剝外皮、切鋁箔、切屏蔽網(wǎng)、翻網(wǎng)、屏蔽環(huán)壓接等步驟，如圖3所示，每一個(gè)步驟都需要增加設(shè)備及人工的投入。此外，如果處理屏蔽層的時(shí)候有疏漏，導(dǎo)致屏蔽層和線芯接觸，會(huì)造成嚴(yán)重的品質(zhì)問題。

圖3 帶屏蔽層高壓導(dǎo)線加工步驟

目前高壓導(dǎo)線自帶編織屏蔽和金屬箔屏蔽層的這種結(jié)構(gòu)是主流設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)通過壓接屏蔽環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)360°屏蔽，起到一個(gè)好的屏蔽效果。但是，同時(shí)具有導(dǎo)線成本高、設(shè)備投入大、人工成本高、品質(zhì)問題多等弊端。

2）單一編織屏蔽

這種高壓電纜結(jié)構(gòu)和上述編織屏蔽加金屬箔結(jié)構(gòu)一樣，但是屏蔽層只使用了編織屏蔽，沒有金屬箔，如圖4所示。由于金屬箔主要是用來防止高頻干擾，故這種結(jié)構(gòu)針對高頻電磁干擾的屏蔽效果要比編織屏蔽加金屬箔差一些，應(yīng)用范圍也沒有編織屏蔽加金屬箔屏蔽廣泛，并且，對于線束生產(chǎn)過程來說也只是少了切鋁箔的步驟，對于整個(gè)生產(chǎn)流程并沒有很好的優(yōu)化。

圖4 屏蔽層結(jié)構(gòu)：單一編織屏蔽

3）單一金屬箔屏蔽

為了改善傳統(tǒng)屏蔽方式帶來的加工困難問題，趙平堂[1]等在研究一種采用寬13~17mm、厚0.1~0.15mm的銅箔以30~50角度，相互之間疊壓1.5~2.5mm纏繞而成的高壓電纜的屏蔽。這種屏蔽只采用金屬箔，省去了裁網(wǎng)、翻網(wǎng)、壓屏蔽環(huán)等步驟，很大程度上簡化了線束生產(chǎn)流程，降低了電線成本，節(jié)省了壓接屏蔽環(huán)的設(shè)備投入。

以上幾種方式都是高壓導(dǎo)線自帶屏蔽層的設(shè)計(jì)。如果從降低成本和優(yōu)化連接器設(shè)計(jì)及線束生產(chǎn)流程角度考慮，可以直接去掉導(dǎo)線本身的屏蔽層，但是對于整個(gè)高壓系統(tǒng)來說，EMC又不得不考慮，所以需要在其它地方加上具有屏蔽功能的組件。目前對于高壓線束常用的解決方案是在導(dǎo)線外面增加屏蔽套管或者是在設(shè)備上增加濾波器。

2 屏蔽套管屏蔽

這種屏蔽方式是通過導(dǎo)線外屏蔽套管實(shí)現(xiàn)屏蔽，而高壓導(dǎo)線本身去掉了屏蔽層，導(dǎo)線去掉屏蔽層之后最外面的起保護(hù)和絕緣作用的線皮也沒有存在的意義了，如圖5所示，此時(shí)高壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)就只剩下絕緣層和導(dǎo)體了。這種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)對導(dǎo)線供應(yīng)商來說會(huì)降低成本；對線束廠家來說，既可以簡化生產(chǎn)流程，又能減少設(shè)備的投入；對高壓連接器設(shè)計(jì)來說，由于不用考慮屏蔽環(huán)等的設(shè)計(jì)，整個(gè)高壓連接器的結(jié)構(gòu)也變得更加簡單。

圖5 高壓導(dǎo)線去屏蔽示意圖

高壓屏蔽套管也可以分為兩種，硬質(zhì)屏蔽套管和軟質(zhì)屏蔽套管。硬質(zhì)屏蔽套管可以同時(shí)起到屏蔽和保護(hù)作用。軟質(zhì)屏蔽套管只起到屏蔽作用，使用的時(shí)候需要根據(jù)具體環(huán)境判斷屏蔽套管外面是否需要再加一層起保護(hù)作用的套管。

1）硬質(zhì)屏蔽套管如圖6所示。這種管的材料可以選擇鋁，硬質(zhì)鋁管目前已經(jīng)在Toyota ESTIMA車型上批量應(yīng)用[2]。這種屏蔽套管的優(yōu)勢有如下幾點(diǎn)：高的導(dǎo)熱率；線束系統(tǒng)質(zhì)量減輕；更簡單、更靈活的線束布局。

圖6 硬質(zhì)屏蔽套管

2）軟質(zhì)屏蔽套管如圖7所示。這種套管中有以一定角度編織而成的金屬屏蔽網(wǎng)，屏蔽套管直接套在導(dǎo)線最外面，屏蔽套管最終通過一定的方式和高壓連接器連接。圖8是這種軟質(zhì)屏蔽套管的應(yīng)用案例，屏蔽套管最終通過具有一定形狀的金屬卡箍和連接器連接，金屬卡箍同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)搭鐵功能。不足之處就是：由于是非主流設(shè)計(jì)，屏蔽套管以及對應(yīng)的高壓連接器價(jià)格昂貴。

圖7 軟質(zhì)屏蔽套管

圖8 軟質(zhì)屏蔽套管應(yīng)用案例

3 濾波器屏蔽

目前，中國新能源汽車電磁屏蔽相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是GB34660和GB/T18387，屏蔽性能的測試都是需要車輛在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測試，而電池包高壓充電線在新能源汽車正常工作的時(shí)候是不工作的。覃寶山[3]等人研究了非屏蔽高壓快充線對電動(dòng)汽車EMC的影響，將汽車快充線束改為非屏蔽線束并在電池充電端口處設(shè)置濾波模塊，然后進(jìn)行EMC測試，經(jīng)驗(yàn)證該方式也能滿足標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電磁屏蔽的要求。與傳統(tǒng)屏蔽導(dǎo)線相比，此種方式增加了濾波器，但是簡化了導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、屏蔽連接器的設(shè)計(jì)以及線束加工流程。綜合計(jì)算，單套線束大約能節(jié)省100元成本。

4 結(jié)論

以上幾種方案概括了目前高壓系統(tǒng)常用的屏蔽方式，通過分析比較高壓系統(tǒng)的幾種屏蔽結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，未來高壓導(dǎo)線的發(fā)展主要有兩個(gè)趨勢。

1）優(yōu)化目前導(dǎo)線的編織屏蔽結(jié)構(gòu)，使其成本降低且變得易于加工，就像趙平堂等人的研究。

2）高壓導(dǎo)線去屏蔽，這種設(shè)計(jì)無論是對主機(jī)廠還是供應(yīng)商都能帶來很多好處，越來越多的主機(jī)廠也在考慮導(dǎo)線的去屏蔽。導(dǎo)線的去屏蔽不是單單依靠導(dǎo)線能夠完成的，也需要同步開發(fā)與之匹配的高壓連接器、屏蔽套管、濾波器模塊等。

相信在不久的將來，新能源汽車高壓線束的制造和加工一定會(huì)迎來一種更加經(jīng)濟(jì)簡單的方法。