線束拓撲設計是架構設計中一項重要內容，受電氣架構、電源分配、主機廠流水線、裝配工藝的影響很大。而線束拓撲的最終形態，也會反過來影響整車電氣架構、電源分配、零件制造、整車安裝等。


對于高壓線束拓撲設計來說，由于高壓電器件普遍體積大，要求的安全系數高，因此在新能源車型處于前期開發階段時，高壓線束拓撲架構的設計工作就應該盡早介入。


在設計之初，需要明確一點，不論高低壓線束，其拓撲設計不能一概而論，無法遵循單一的形式，而是要從整車層面，在滿足預設功能的前提下，以最少的原材料和最高的成產、裝配效率為目標導向來進行全方位的考量。


要全面了解高壓線束拓撲最簡單和直觀的方法就是從熟悉的傳統低壓線束出發，先行了解傳統燃油車和新能源車在整車電氣系統和電氣件上的差異，衍生到高壓線束拓撲和低壓線束拓撲的差異。


新能源車型與燃油車的差異


傳統燃油車最基本和關鍵的技術在于四大系統和八大機構。


八大機構是針對發動機而言的，點火系統、潤滑系統、冷卻系統、燃油供給系統、啟動系統、曲柄連桿系統、配氣機構和凈化裝置。四大系統則主要針對底盤而言，分別為傳動系統、行駛系統、轉向系統和制動系統。


1.動力系統差異


純電動汽車和燃油車最大的區別在于動力系統的不同。


傳統燃油車的動力系統由發動機總成和變速箱總成構成。燃油在發動機氣缸內燃燒，使氣缸內的氣體迅速膨脹，推動活塞運動，產生動力。動力經離合器\變速箱\傳動軸\主傳動器\差速器\驅動輪，驅動輪轉動給地面一個力，地面給車輪一個反作用力即牽引力，最終使車輛開始行駛。


純電動車使用電動機替代了傳統的燃油發動機，電動機和發動機在燃油車上所扮演的角色屬性一致，都是汽車的動力裝置，是電動汽車的心臟，依據電磁感應原理實現電能轉換的一種電磁裝置，產生旋轉運動，進而使車輛運動。

2.傳動系統差異


由于電動車沒有傳統燃油車必備的變速箱，電機的動力輸出大小則完全依靠電子控制系統來調節，然后通過減速器和差速器直接傳遞到前軸或后軸帶動車輪旋轉。


在整個過程中，電動汽車采用線控技術，沒有燃油車的前后傳動軸，因此電機可以安裝在距離車輪更近的地方，換句話說，對應的高低壓線束的安裝可更加緊湊。


3.制動系統差異


燃油車上采用發動機和真空泵組合來提供真空助力的制動模塊，但由于電動車沒有發電機和啟動機，也就沒了真空來源，因此，電動汽車的制動系統由電動真空泵給真空制動助力器提供助力。


4.能量供給系統差異


燃油車上所有紛繁復雜，做機械運動的電氣部件，其能量源均來自于燃料(汽油)。燃燒產生的化學能除了轉換為機械能外，同時還轉換為電能，為其他車載用電器(安全系統、信息娛樂系統等)提供能量。


電動汽車的動力源則“省去”燃燒燃料環節，直接使用電動汽車的重要部件——動力電池作為電動機的能量源。


純電動汽車沒有燃油箱(在混動車型上仍保留燃油箱)，但動力電池的體積及其重量都比油箱裝滿后重很多，油箱雖然可以根據底盤的空間設計成多種形狀，但總體來說是一體不可分開的。而動力電池則可以分來安放，充分利用座椅、車底、后備箱等空間，對能量存儲的空間利用率有了極大的提高。


以上這些新增的高壓部件(高電壓電池、逆變器、空調壓縮機、三相發電機和電動機等)都需要高壓線束為其提供能量和型號傳輸。當然，這里提到的高壓線束和日常生活中的高壓電網輸送電纜并不相同，僅相對于燃油車的低壓系統而言。


新能源汽車高壓線束設計要點解析


新能源汽車高壓線束是高壓電氣系統的關鍵組件， 為新能源汽車的可靠運行和安全提供了保障。它承載著電動、 混動汽車內部及外部線束連接， 通過配電盒進行電源分配， 高效優質地傳輸電能， 屏蔽外界信號干擾等功能， 是新能源汽車高壓系統的神經網絡， 連接所有的高壓電子零部件， 傳遞電力與數據， 對新能源汽車極為重要。


1 高電壓


新能源汽車普遍工作在B級電壓范圍，因此要求高壓線束也需要滿足60V-1500V的工作電壓范圍要求，目前普遍的導線電壓要求根據 GB/T 184384.3中對B級電壓的規定為AC30V-1000VRMS ，或DC60V-1500V。


2 大電流


新能源汽車高壓線束作為主要的能源傳輸通道，需要承受較大的電流，直流母線額定工作電流都能夠達到 200A以上。


3 密封性


由于高壓線束高電壓大電流的特性，對線束的密封性也有很高的要求，一般都會要求進行防水防塵試驗和氣密測試， 如果密封不好， 導致潮濕或進水， 會造成導線和連接部位的極速老化或損壞。如果在接插件部位的密封性能差，還能夠導致絕緣電阻降低，整車報絕緣故障。


4 耐熱性


由于高壓線束長時間通過大電流，因為功率很大，由焦耳效應產生很大的熱量，因此高壓線束的導線耐溫等級一般都達到 125℃（150℃），端子耐溫一般都達到 140℃。


5 EMC性能


EMC（Electro Magnetic Compatibility ，電磁兼容性）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。簡單來說， EMC包括了EMI（Electro Magnetic Interference ，電磁干擾）和 EMS（Electro Magnetic Susceptibility ，電磁敏感性）。


EMI是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾；EMS是指器具對所在環境中存在的電磁干擾所具有的一定程度的抗擾度。EMI是主動性的，即對外界產生的干擾，EMS是被動性的，即抵抗外界的干擾。所以對設備的 EMC要求就是：減少對別人的干擾，同時自身能抵抗相當程度的外界干擾。


零部件電磁兼容性是整車電磁兼容性的基礎和前提， 用于新能源車上的零部件不僅應滿足零部件電磁兼容性要求， 同時在整車電磁兼容性出現問題時， 零部件供應商也有義務支持并進行相關整改。理論與實踐證明， 任何電磁騷擾的發生必須具備 3 個條件: 騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設備。作為新能源汽車的零部件應該從兩個方面盡可能地優化 : 一是盡量降低騷擾的強度；二是盡可能地提高抗騷擾的能力。


整車范圍內首先保證零部件的 EMC符合標準要求，通過線束將各個控制單元聯系在一起。新能源汽車整車級屏蔽設計的重點應是高壓系統的布局、 屏蔽設計以及 CAN通信網絡的抗干擾處理。首先盡量要求高壓線束沿著車身布置， 優化整車電磁輻射的環路， 同時利用車身形成封閉的屏蔽艙。同時屏蔽高壓電纜和連接器也是一種減少不必要的電磁干擾經濟有效的方法， 通過一系列標準的實驗顯示了屏蔽電纜和連接器能夠有效減少在 100 kHz到 200 MHz頻率范圍內的不必要的干擾。


目前國內車型全部采用屏蔽高壓線， 日系車也有應用屏蔽網包覆在高壓線外側，插件處處理實現屏蔽連接。為了避免高壓線束傳輸強電電流時產生電磁干擾，導致低壓線束對控制單元供電及信號傳輸受到電磁干擾的風險， 一般采用高壓線束與低壓線束分層設計，距離保證在 200-300mm內。


6 耐久性


新能源汽車上的電源和各種電氣零件通過線束來實現電路物理連接， 線束分布遍布全車。如果把動力系統比作汽車心臟的話， 那么線束就是汽車的神經網絡系統它負責整車各個電器零件之間的信息傳遞工作。隨著人們對舒適性、經濟性、安全性要求的不斷提高， 汽車上的電子產品種類也在不斷增加， 汽車線束越來越復雜線束的故障率也相應增加。這就要求提高線束的可靠性和耐久性等性能。


端子和連接器是決定系統可靠性的重要內容， 也是整個線束的重要組成部分。


由于部分端子和連接器的工作環境惡劣， 端子和連接件中容易發生各種各樣的故障，如腐蝕、老化以及在振動的作用下松動等問題。由于端子和連接器的毀、松動、脫落、失效所導致的電氣線路故障占整個電氣系統的故障的 50%以上，所以整車電氣系統可靠性設計中應充分重視端子和連接器的可靠性設計。為提高端子和連接器設計的可靠性，首先應分析其故障模式，以便做好相應的預防工作。


端子和連接器通常有接觸不良、 絕緣不良和固定脫落這三種主要的故障模式， 其中，針對接觸不良，可采用檢測靜態接觸電阻、動態接觸電阻、單孔分離力、連接點和元器件的耐振性等指標來加以判斷；對于絕緣不良， 可檢測絕緣體絕緣電阻、絕緣體時間退化速度、絕緣體、接觸件等零件尺寸等指標來加以判斷；對于固定脫落類的可靠性， 可檢測端子和連接器的裝配公差、 耐力矩、連接針保持力、連接針插入力、 環境應力狀況下保持力等指標來加以判斷。分析了端子和連接器的主要故障模式和失效形式之后， 可采取以下措施來提高端子和連接器設計的可靠性：


a) 選擇合適的接插件。接插件的選擇不僅要考慮連接電路的類型和數量，還要有利于設備的組成。如圓形連接器受氣候和機械因素的影響比矩形連接器小，并且機械磨損較小，與導線或電纜的端接可靠，所以盡可能地選擇圓形連接器。


b) 連接器中接觸件數量越多，系統的可靠性越低，所以在空間、重量允許的情況下，盡量選擇接觸件數量較少的連接器。


c) 選用連接器時，應考慮設備的工作條件。這是因為連接器的總負載電流和最大工作電流往往是根據在周圍環境的最高溫度條件下工作時所允許的熱量來確定的。同時，為降低連接器的工作溫度，應充分考慮連接器的散熱條件，如可使用距連接器中心較遠的接觸件來連接電源，這樣就更利于散熱。


d) 當插件在有腐蝕性氣、液體環境中工作時，為防腐蝕，在安裝時應注意盡可能從側面水平安裝， 當條件需要而垂直安裝時， 應防止水順著引線流入接插件，一般使用防水插接件。


e) 端子拉脫力、屏蔽環拉脫力需要滿足標準要求。

f) 在高壓線束的設計過程中，需要考慮線束布置的彎曲半徑，不合適的彎曲半徑會造成線纜對于端子和和屏蔽環長時間的拉扯，容易產生拉脫的風險。


另外，車輛上線束的工作環境是十分惡劣的， 腐蝕性氣、液體的存在，潮濕、高溫、振動以及與其他部件的摩擦和碰撞，容易出現絕緣體磨損、接頭松動、導線腐蝕等現象，進而導致斷路、短路。所以要想讓線束能夠安全可靠的工作，就應做好線路的保護設計，也即是要做好線束的包扎和固定。


整車線束都應有防腐、防潮的保護措施，并防止車輛振動對其造成不利影響；


線孔處必須做好保護， 如翻邊設計， 以防線束穿過時對線束摩擦而造成絕緣層破損。為了提高保護設計可靠性， 在裝配前對包扎材料應進行環境篩選試驗， 避免不合格的產品進入下一環節；還應在設計選型時針對不同部位的環境應力， 對不同包裝材料進行加速壽命試驗，以選出綜合性能最好的一種。


7 安全性


高壓線束電壓定義：DC:60V＜U＜1500V；AC: 30V RMS＜U＜1000V RMS;根據高壓系統部件的載流量計算電流可高達 250A；一般情況下人人體安全電壓為 36V,允許通過的電流為 36mA這大大高出了人體所能接受的安全電壓、 電流，所以高壓線束的安全性十分重要。

高壓線束的安全性設計主要在于絕緣，耐壓保護、過載、接插件的 IP 等級防護要求等。


絕緣：指使用不導電的物質將帶電體隔離或包裹起來，以對觸電起保護作用的一種安全措施 ; 有強電作用下，絕緣物質可能被擊穿而喪失其絕緣性能。因此，電氣線路與設備的絕緣選擇必須與電壓等級相配合， 而且須與使用環境及運行條件相適應，以保證絕緣的安全作用。高壓線束一般都是采用雙重絕緣。


耐壓：把一個高于正常工作的電壓加在被測設備的絕緣體上，并持續一段規定的時間，如果其間的絕緣性足夠好， 加在上面的電壓就只會產生很小的漏電流。如果一個被測設備絕緣體在規定的時間內， 其漏電電流保持在規定的范圍內， 就可以確定這個被測設備可以在正常的運行條件下安全運行。

過載：電氣線路中允許連續通過而不至于使電線過熱的電流量，稱為安全載流量或安全電流。如導線流過的電流超過了安全載流量， 就叫導線過載。過載時，溫度超過該溫度，會使絕緣迅速老化甚至于線路燃燒。


發生過載的主要原因有導線截面選擇不當， 實際負載已超過了導線的安全電流；還有端子的載流量不夠已超過了其承載的最大電流。


接插件的 IP 等級防護要求：高壓接插件連同線束連接 HEV/EV的動力總成系統，不僅是車輛驅動的關鍵能源輸送線，影響車輛功能及性能，同時，也是一個影響安全性能的關鍵因素，會引起車輛拋錨、著火，甚至會產生電擊，從而車輛使用者的生命安全。


IP 防護設計。試驗證明， 裸露于潮濕空氣的高壓端子會更容易腐蝕， 也更危險，因此在可能的情況下， 所有的高壓插件的防護等級要求在 IP67 以上，當然，位于底盤或前艙等更惡劣的情況下必須更高。


防觸指功能設計。整車的高壓系統設計需保證在單點失效的情況不影響操作人員的安全，即便裸露的插件，也要保證人員徒手操作不造成危害，因此，護套與端子的設計使得人手指無法直接接觸到端子。


8 高壓連接器特點


高壓連接器作為高壓線束的關鍵核心部件，其特點與高壓線束大部分一致，其中以下特點較為突出：


耐壓性 : 滿足爬電距離和電器間隙要求，滿足 750V額定電壓要求；


安全性 : 具有高壓互鎖功能，未對配插件滿足 IPXXB 要求，對配狀態插件滿足 IPXXD防護要求。


電氣間隙和爬電距離，滿足污染等級 3 的設計要求。


9 高壓導線特點


車用高壓導線最大的特點是耐高電壓，目前市場應用高壓導線處于 600V 交流/1000V 直流耐高壓水準，隨著續航里程提升而需要更大功率輸出，將需要更高耐壓等級的高壓導線，耐壓等級將達到以及高于 1000V交流/1500V 直流的水準。另外，對于高壓大電流模塊用到的高壓導線，因為高功率、車內空間和布線設計的要求，高壓導線具有耐大電流、耐高溫、阻燃、高柔性和 EMC抗屏蔽性能等特點，從而滿足新能源汽車市場應用。


10 充電口特點


充電口相對于其他高壓連接器，它的接觸端子插拔后易損，導致接觸區域阻抗變大，發熱，燒蝕等，因為一部分為室外使用，污染等級為 3 級，實際情況還要高于這個污染等級， 特別是充電樁端的產品， 基本無防護， 故塑膠材料選材需考慮高溫和耐油等特性，防護等級必須滿足插合前 IP54，插合后 IP55，而實際應用場景還要高于這個標準。


從標準來看，充電口需要滿足 GB/T 20234.1 的要求，快充接口和慢充接口分別還需要滿足 GB/T 20234.2 和 GB/T 20234.3 的要求。充電口需要同時滿足互操作性標準 GBT 34657.2-2015 要求。


目前的充電口普遍存在的待解決的問題包括：交流 63A發熱、燒蝕暫時沒有比較好的解決辦法，充電卡鉤強度無參考標準，實際使用中容易發生斷裂等。


其他注意點說明


線路設計長度的合理性：


通常汽車上根據用電器在車身上的實際布置位置來確定電線束的各部分的長度，并且所有由線束經過的地方都有固定的扎帶或孔位來將線束固定。所以線束可靠性受線束總成上各分支的尺寸的影響也較大。線束如果過長， 不僅浪費了空間和材料， 也容易導致在車輛行駛過程中因與其它部件的接觸而產生摩擦， 加速了線束的磨損， 進而引起短路等問題。因此，線束的設計長度一定要比實際長度稍有富余，一般適宜的松弛度量根據不同環境為 0.05-5%。


高壓線束的柔軟性：


高壓線束基本使用大平方所以對電纜的最小折彎半徑也有一定的要求通常為電纜外徑的 5D；高壓線束顏色要求：為了起到警示作用高壓線束必須使用橙色；也可附帶高壓警示標識。