?1高壓線束工作特點及負荷計算

1.1與傳統內燃機車型的區別

　　純電動客車的行駛特點和運行工況與傳統內燃機車型的區別：

　　1）安全要求。為了滿足車輛動力性要求，本項目車型配置額定電壓384V容量100Ah的聚合物鋰離子電池組，應保證高壓系統運行安全，并具備觸電防護措施。

　　2）工況復雜。車輛主要在城市運行，路況相對復雜，頻繁地起步、加減速和制動停車，電器負荷變化大，同時還要考慮制動能量回饋對電器系統的影響。

　　3）多電壓系統。車輛中有12V低壓直流電源、動力電池高壓直流電源以及220V充電交流電源三種電壓系統。

　　4）工作時間長。車輛充電時間為8~10h，系統應在無人看管的條件下長時間可靠運行。

高壓線束工作特點

　　純電動客車的運行特點決定了線束的特殊性，相比低壓線束，高壓線束具有以下特點：

　　1）高電壓。車輛動力電池最高電壓達到420V，要求線束絕緣材料具有更高的介電強度和規格尺寸。

　　2）大電流。動力電池容量為100Ah，按國標試驗方法的恒流放電9I3計算［1］，輸出電流可達300A，線束能夠穩定運行，就需要更大的連接器接觸面積和導線截面積。

　　3）密封性。水和灰塵的侵蝕將導致線束絕緣性能下降，造成高壓擊穿、漏電等安全隱患，要求線束有更高的防護等級。

　　4）高耐熱。車輛大電流運行時的焦耳效應會產生熱量，導致線束自身和周圍溫度上升，使線束產生更大的溫升［2］，要求線束具有更好的耐熱性能，客車國標規定非熱源附件線束的耐溫為105℃［3］，高壓線束耐熱性一般要達到125℃，甚至更高。

　　5）抗電磁干擾。電動車輛運行時，反復變化的電器負荷與系統中大量采用的變頻技術，造成線束電壓、電流和頻率的劇烈波動，產生較大的電磁干擾，并對車輛本身及周圍環境的電氣電子設備造成影響，所以線束需要對電磁干擾進行屏蔽，以滿足電磁兼容性（EMC）要求［4］。

　　6）耐久性能。線束應具有耐溫、耐候、耐介質腐蝕、耐振以及導線破損防護等性能，并具備較大的安全余量和連接壽命，保證車輛長期可靠運行。

　　7）成本高。車輛運行條件和使用環境的特殊性，導致高壓線束成本昂貴。設計中，應避免結構與規格的過度選配，造成成本上升。

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高壓線束負荷計算

? 車輛的動力電池除了驅動動力電機外，還為動力轉向、空調采暖、DC/DC轉換器等大功率用電設備提供電能，同時接收交流充電機提供的慢充電流、外部充電樁提供的快充電流，以及車輛制動時電機的能量回饋電流，為此車輛設計高壓分配器與高壓線束進行電能的分配和傳輸，如圖1所示。

純電動客車在不同工況運行時，電器設備的用電負荷變化較大，所以線束設計需要綜合考慮電器負載的額定電流、峰值電流及工作時間等參數。以純電動客車的電機系統為例，根據電機功率計算變頻器的輸入峰值功率Pb1：

動力電池在整車大負荷運行時，往往會造成較大的電壓降。根據鋰電池充放電曲線，此壓降按低于標稱電壓的10%計算，則電機變頻器的峰值輸入電流Ibmax：

用上述方法計算出主要電器負載的功率和電流，如表1所示。
高壓線束選配設計及安裝控制 高壓線束主要由線纜、插接件、防護結構和固定件等部分組成。根據連接部件和使用環境的不同，對線束各部分的設計要求也有所不同。

2.1線纜的選配設計

? 線纜的選配內容主要是確定導線截面積和絕緣層材質。目前高壓線纜已有成熟的標準體系，結構上分為單芯和多芯電纜，導線主要采用軟銅絞線，以滿足導線內阻和柔軟彎曲的使用要求；絕緣層要求耐溫阻燃，多為復合結構，常見有交聯聚烯烴和PVC材質；對于防電磁輻射功能，主要通過絕緣層內部的裸銅網或線纜外層的鍍錫銅網實現屏蔽，其編制密度≥90%；按安全標準規定，動力電纜顏色為橙色或外套橙色護管。線纜選配的主要參數有：載流量特性、導體電阻、熱阻、耐溫等，可以根據廠商資料中的線纜溫升和載流量曲線，或者按照經驗參數進行設計選配。電機負載運行會出現短時過載現象，所以電纜選配時應考慮載流量是否滿足車輛長期運行條件，線纜過流持續時間相對較短，熱量向外擴散較少，因此，可不考慮散熱過程，近似認為產生熱量全部用于導體溫升[5-6]，可用以下公式估算絕緣層能夠承受的過流持續時間：

仍以電機變頻器線纜為例，如采用耐溫125℃、截面積35mm2規格的線纜，可承受的連續工作電流為158A，峰值電流下電纜可持續運行時間為150s。用同樣的方法得出各線纜的推薦線徑。

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　　2.2插接件的選配設計

　　線束插接件的作用是保證線纜與用電器能夠便捷可靠地連接與拆卸。純電動客車高壓插接件的選型具有以下要求：

　　1）電性能。為了應對高電壓、大電流的使用環境，接插件通過高密度觸片、端子表面鍍銀等技術，增加插件的接觸面積，降低接觸阻抗；配合屏蔽電纜的應用，接插件多采用金屬材質或在內部設計屏蔽結構；參考相關標準，本車插接件的額定工作電壓≥600V，絕緣耐壓≥2000V［7］，絕緣電阻≥500MΩ，濕熱試驗后≥20MΩ。

　　2）環境性能。工作溫度為-40~125℃；耐腐蝕、耐油、其塑膠材質具有阻燃性能；插接件最低防護等級為IP55，對于充電插頭在充電或不用時，最低防護等級為IP44。

　　3）機械性能。插件耐振動和沖擊；帶有自鎖和防誤插結構；插拔壽命≥500次，對于充電插頭額定負載和空載連接壽命≥5000次；并滿足部件表面溫度、插拔力以及防車輛碾壓等要求［8］。 目前，高壓插接件與線纜連接后件往往通過用灌膠、塑封等手段加工成整體部件，所以插接件的功率選配需要考慮線束的整體性能，可參考廠商提供的電纜長時工作和過載特性曲線（見圖2和圖3），其推薦連續電流應大于用電器的額定電流，用電器峰值電流和持續時間則處在推薦的瞬時電流和工作時間范圍以內。以電機變頻器插接件為例，查表推薦采用AmphenolRT360系列中的8mm規格插件，其40℃時的額定電流200A，大于部件額定電流130.21A；其持續工作60s可承受的瞬時電流為600A，大于用電器峰值電流372.25A。用同樣方法選配各高壓線束規格，并注意線纜屏蔽。

2.3防護結構的選配設計

　　為防止線束摩擦，以及與銳邊物體、熱表面物體的接觸，線束應有防護結構，常見措施有：

　　1）波紋管。線纜外部套裝閉口式波紋管具有耐磨、阻燃、耐熱特點，國標規定波紋管耐溫在-40~150℃，常見材質有PA（尼龍）和PP（聚丙烯），分別在阻燃、耐磨性和抗彎曲疲勞性方面各有優勢，波紋管顏色為橙色，采用橡膠護套塑封或PVC膠帶纏繞與線纜固定密封。

　　2）護管。對于在狹小空間或特殊部位布置的線纜，常增加專用的護管、護板等部件進行遮擋與保護。

　　3）膠帶。膠帶在線束上應用較廣，常用于保護、捆扎、絕緣、阻燃、標記等作用，高壓線纜多采用耐磨性和阻燃性較好的PVC膠帶，耐溫為80℃。

　　4）防護接頭。對于連接部件內部的線束，線纜外部還應增設電纜防水接頭、防折彎電纜接頭等結構。

　　2.4安裝控制

　　1）高壓線纜過銳邊或過孔時應設計保護結構，布置時應避開熱源或與之保持足夠的距離。

　　2）高壓線纜具有較大的外徑，為避免應力集中，線束最小彎曲半徑通常要大于線徑的3~5倍，同時線纜也具有較大質量。為了合理分布載荷，需要對線束進行支承和固定，通常直線布置的線纜固定點間距≤300mm，固定點與接插件間距≤120mm，以承受線束的重量和振動載荷。固定裝置常采用特殊網狀扎帶和絕緣材質支架等。

　　3）對于部件內部裝配的連接件接頭，需要選取正確規格的緊固件，以保證接頭與電器極板的接觸面積和緊固力矩。

　　4）電機線束應考慮部件運動與振動的影響，設計合理的線束尺寸，既要有足夠的長度分布應力，也要避免過長導致線纜積聚；對于位移幅度較大的線纜，增設緩沖和導向功能的固定結構，線纜運動時與其他零部件保持合理距離；對于運動中產生噪聲的部位，應增設海綿、絨布、膠帶等部件，避免噪聲。

　　5）接插件應盡可能放置在駕駛室或電器艙室內部，以避免雨水和灰塵的侵蝕，布置在底盤的線束應設計遮擋結構，避免車輛涉水與石子迸濺的不利影響；插接件盡量避免垂直布置，以避免水和灰塵的累積問題。

　　6）線束布置要考慮電磁干擾因素。如布線時，避免90°的折線，可減少線路高頻噪聲發射；對于高、低壓線束，尤其是信號線束，必須分開排布，避免線纜交叉布置造成的相互干擾。

　　7）外露的高壓線束還應考慮布置的美觀性，線束走向應與依附件方向一致，盡量避免斜方向布置；機艙線纜盡量放置在車身結構件或部件的下方及內側；對于線纜較多的部位，應開發專用線束護板進行遮蔽。

　　8）高壓線束布置應具有合適的空間進行安裝與維修，在同一部位的插接件應選用不同的規格和定位結構，防止錯裝；接插件連接應盡量保證能夠單手操作，接插件末端線束應預留合理長度，以便于插接件拆裝。

　　編輯：黃飛