新能源汽车混合动力系统整车高压线束设计

张春梅， 徐 涛

（1. 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东广州 511434；2. 上海市政工程设计研究总院（集团） 有限公司广州分公司， 广东广州 511495）

在资源日益紧张的今天， 节能减排势在必行，新能源汽车在突破技术瓶颈的前提下， 市场还是很广阔的。 高压线束在新能源汽车中属于高安全件，所以高压线束的设计及布置至关重要。

整车高压线束主要的设计方案涉及到线束走向设计、 线径设计、 高压连接器选型、 充电口的类型和应用、 屏蔽设计、 高压线束固定卡扣选型、 高压线槽设计、 高压互锁HVIL设计、 GROMMET设计等。

1 高压线束走向布置及划分类型

图1为混合动力高压部件布局图。 高压系统在设计方面， 考虑到电磁干扰的因素， 整个高压系统均由屏蔽层全部包覆。 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。 同时由于高压已经超出人体安全电压， 车身不可像低压系统一样作为整车搭铁点， 因此在高压线束系统的设计上， 直流高压电回路必须严格执行双轨制。 根据高压线束的特性， 我们一般以高压电器为中心对高压线束进行划分， 可分为电机高压线、 电池高压线、 充电高压线等。

电机高压线一般是连接控制器和电机的高压线；电池高压线一般是连接控制器和电池的高压线； 充电高压线一般是连接充电机和电池的高压线。

2 高压线束特性

高压线束耐压与耐温等级的性能远高于低压线束等级， 国内主机厂通常采用屏蔽高压线， 近年来日本主机厂主要采用非屏蔽高压线外包裹屏蔽网工序。 屏蔽高压线可减少EMI、 RFI对整车系统的影响。 整条高压线束回路均实现屏蔽连接， 电机、 控制器及电池等接口高压线束屏蔽层， 通过插件等压接结构连接到电池电机控制器壳体， 再与车身搭铁连接。 高压线的屏蔽对于电缆传导数据不是必须的， 但是可减少或避免高压线的辐射。

耐压性能： 常规汽车耐高压额定600 V， 商用车及大巴士电压可高达1 000 V； 耐电流性能： 根据高压系统部件的电流量， 可达250～400 A； 耐温性能： 耐高温等级分为125 ℃、 150 ℃、 200 ℃不等，常规选择150 ℃导线； 低温常规－40 ℃。

3 线径设计

需要综合考虑以下几方面： ①负载回路的额定电流值； ②电线导体的容许温度； ③线束工作时周围环境的温度； ④导线自身通电时温度上升引起的通电率降低； ⑤成捆线束容许电流的折减系数。

电线容许电流值×环境温度引起的通电率降低×捆扎引起的折减系数﹥额定电流值。

鉴于环境温度对通电率降低的影响 （驾驶室内40 ℃、 发动机室80 ℃）， 导体阻抗的上升需做考虑。因此： 电线的耐热温度﹥环境温度+导体通电时的温度上升。

导线最大稳态温升应不超过额定温度导线绝缘层、 插件材料或其他导线涉及的材料。 导线安培容量很多决定因素变量， 如： 导体尺寸、 绝缘材料、绝缘层厚度、 环境温度、 导线捆绑尺寸、 导体材料。

4 高压连接器及充电口类型和应用

4.1 高压连接器类型和应用

高压连接器按有无屏蔽功能分为非屏蔽型连接器（图2） 和屏蔽型连接器（图3）。

非屏蔽型连接器结构相对简单， 无屏蔽功能，成本相对低。 使用在无需屏蔽的位置， 如充电回路、 电池包壳体内部及控制器内部等由金属壳体包覆的电器上。

屏蔽型连接器结构复杂， 有屏蔽要求， 成本相对高。 适用于必须有屏蔽功能的地方， 如电器外部与高压线束的连接。

所有高压连接器都要求防水， 根据使用位置不同， 防水等级也不一样。 目前使用居多的有1P连接器 （图4）、 2P连接器 （图5） 及3P连接器， 超过3P的连接器比较少见， 通用性太小而且开发成本高，一般连接器厂家很少开发。

1P连接器结构相对简单， 成本相对低。 满足高压系统的屏蔽、 防水等要求， 但装配工序复杂， 维修性差。 一般可以应用在电池包甩线、 电机甩线等， 也可以使用在高压电器内部电路连接， 如高压电池包内部等。

2P连接器结构复杂， 成本相对高。 满足高压系统的屏蔽、 防水等要求， 维修性好。 一般用于直流电输入输出， 如高压电池包上、 控制器端、 充电机直流电输出端等。

4.2 维修开关类型和应用

维修开关在高压系统中必不可少， 在高压系统需要检查维修时， 必须先断开高压电源， 主要就是通过断开维修开关来实现断开高压总电源。

1） 带熔断丝开关 （图6） 一般安装在高压电池包上， 并要布置在方便插拔的位置。 特点： 带熔断丝， 结构复杂， 成本相对高， 体积相对大， 适用于大电流的高压系统上。

2） 不带熔断丝开关 （图7） 结构简单， 成本低， 体积相对小， 适用于布置空间紧张的位置。 如果维修开关内部不带熔断丝， 高压电气系统中也应该要有熔断丝对电路进行保护。

4.3 充电接口的类型和应用

两种充电接口， 一种为车载充电机提供交流电能的接口， 另一种是为电动汽车提供直流电能的接口， 适用于交流额定电压为220V和直流额定电压不超过750 V的电动汽车传导式充电接口。

1） 直流快充充电口（图8） 满足国标GBT 20234.3—2011。

车辆插头和车辆插座分别包含9对触头， 其电气参数值及功能定义见表1。

表1 直流快充触头电气参数值及功能定义

车辆插头和插座的触头布置方式如图9和图10所示。

充电口和充电座满足国标要求， 直流快充系统， 电流电压较大， 整个充电口和充电座的要求更高， 体积比慢充充电口和充电座更大， 成本较高。国标规定： 快充的额定直流电压为750 V （DC）， 额定直流电流为125 A和250 A （DC） 两种规格。

2） 交流慢充充电口 （图11） 满足国标GBT 20234.2—2011。

车辆插头和车辆插座分别包含7对触头， 其电气参数值及功能定义见表2。

表2 交流慢充触头电气参数值及功能定义

车辆插头和插座的触头布置方式如图12和图13所示。

充电口和充电座满足国标要求， 慢充系统与快充系统相比， 工作电压电流较小， 整个充电口和充电座要求比快充的低， 体积相对较小， 成本稍低。国标规定， 慢充额定交流电压为交流250 V和440 V（AC）， 慢充额定交流电流为16 A和32 A （AC）。

5 屏蔽及EMC干扰设计

高压线束每个接口均采用屏蔽处理， 前后电机接口处为屏蔽卡环与电气盒导轨压接， 控制器及电池箱插件采用有屏蔽功能的结构件。

EMC是新能源车型面临的一大问题， 电机、 控制器等高压部件发出不同频段的电磁波对整车音响倒车影像及变速器传感器等产生干扰， 目前国标没有详细关于此方面的标准。 有些主机厂采用在相关高压零件（包括设备和线束） 均增加磁环 （图14），整车EMC问题得到大大的改善。

5.1 磁环材质

根据要抑制干扰的频率不同， 选择不同磁导率的铁氧体材料， 铁氧体材料的磁导率越高， 低频的阻抗越大， 高频的阻抗越小。

5.2 磁环性能

1） 磁环的效果与电路阻抗有关 电路的阻抗越低， 则磁环的滤波效果越好。 铁氧体材料的阻抗越大， 滤波效果也越好。 电缆两端安装了电容式滤波连接器时， 其阻抗很低， 磁环的效果更明显。

2） 磁环的安装位置 一般尽量靠近干扰源。对于高压系统的高压线， 磁环尽量靠近电机、 控制器高压线的进出口。

3） 磁环尺寸的确定 磁环的内外径差越大，轴向越长， 阻抗越大。 内径一定要包紧导线， 因此， 要获得大的衰减， 在磁环内径包紧导线的前提下， 尽量使用体积较大的磁环。

4） 电缆上磁环的个数 增加电缆上磁环的个数， 可以增加低频的阻抗， 但高频的阻抗会减小，这是因为寄生电容增加的缘故。

6 车底板高压线束保护设计

高压线束系统必须满足整车总体布置及人机工程的要求， 对于布置在发动机舱及底盘部分的高压线束应特别注意线束的保护方式。 布置在底盘部分的高压线束应充分考虑车辆涉水、 刮底盘等情况，在布置设计高压线束的时候充分考虑防水、 防泥沙飞溅、 防刮伤等因素， 可以采用塑料线槽、 金属弯管设计来保护高压线束。 线槽考虑可装配性， 分槽盖导槽将高压线束扣合后固定在车底板上， 金属管为弯折机器加工成型， 工艺相对繁琐。 本田思域为线槽结构， 丰田普瑞斯为金属管结构。

7 高压互锁HVIL设计

高压部件带有高压互锁人性化安全设计， 贯穿整车所有高压部件， 拆卸前必须先断开高压互锁结构才可执行拆卸操作。 由BMS、 HCU执行控制反馈。

8 高压线GROMMET方案设计

橡胶圈是固定在线束上的橡胶类部品， 和车体相应部分相配合， 起密封、 防水等效果， 多用于线束穿过车身钣金的地方。

高压线橡胶件考虑强度问题， 采用橡胶与塑料组合件， 对钣金固定匹配、 抗拉伸强度都有保证。高压线束一般较粗， 弯曲应力相对很大， 高压连接器体积较大， 在橡胶圈设计上体积会大很多， 同时固定强度要求也会很高， 结构方面相对较复杂， 材料选择方面要求会更高。

9 高压线束固定卡扣选型和包覆物

高压线束由于强度大， 选择推拉式螺柱固定卡扣， 便于装配维修。 包覆物的作用主要有防磨、 降噪、 隔热、 美观等， 特性如表3所示。

表3 线束包覆物特性一览表

10 结束语

高压线束线径的合理选择， 固定保护的优化布置， 成本控制都成为高压线束设计的要务， 新能源汽车有着广泛的市场前景。

［1］ GB／T 19751—2005， 混合动力电动汽车安全要求［S］.

［2］ GB／T 20234—2011， 电动汽车传导充电用连接装置［S］.

［3］ GB／T18487.1， 电动车辆传导充电系统一般要求［S］.

［4］ SAE J1673—High Voltage Automotive Wiring［S］.