純電動(dòng)客車(chē)具有清潔、高效、節(jié)能等特點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，動(dòng)力電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，但電器系統(tǒng)的運(yùn)用大幅提升，尤其增加了高壓部分，所以安全、可靠地進(jìn)行電能傳輸成為純電動(dòng)客車(chē)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

1  高壓線束工作特點(diǎn)及負(fù)荷計(jì)算

1.1與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)型的區(qū)別純電動(dòng)客車(chē)的行駛特點(diǎn)和運(yùn)行工況與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)型的區(qū)別：

1）安全要求。為了滿足車(chē)輛動(dòng)力性要求，本項(xiàng)目車(chē)型配置額定電壓384V容量100Ah的聚合物鋰離子電池組，應(yīng)保證高壓系統(tǒng)運(yùn)行安全，并具備觸電防護(hù)措施。

2）工況復(fù)雜。車(chē)輛主要在城市運(yùn)行，路況相對(duì)復(fù)雜，頻繁地起步、加減速和制動(dòng)停車(chē)，電器負(fù)荷變化大，同時(shí)還要考慮制動(dòng)能量回饋對(duì)電器系統(tǒng)的影響。

3）多電壓系統(tǒng)。車(chē)輛中有12V低壓直流電源、動(dòng)力電池高壓直流電源以及220V充電交流電源三種電壓系統(tǒng)。

4）工作時(shí)間長(zhǎng)。車(chē)輛充電時(shí)間為8~10h，系統(tǒng)應(yīng)在無(wú)人看管的條件下長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。

高壓線束工作特點(diǎn)

純電動(dòng)客車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)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(diǎn)：1）高電壓。車(chē)輛動(dòng)力電池最高電壓達(dá)到420V，要求線束絕緣材料具有更高的介電強(qiáng)度和規(guī)格尺寸。

2）大電流。動(dòng)力電池容量為100Ah，按國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法的恒流放電9I3計(jì)算[1]，輸出電流可達(dá)300A，線束能夠穩(wěn)定運(yùn)行，就需要更大的連接器接觸面積和導(dǎo)線截面積。

3）密封性。水和灰塵的侵蝕將導(dǎo)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(hù)等級(jí)。

4）高耐熱。車(chē)輛大電流運(yùn)行時(shí)的焦耳效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致線束自身和周?chē)鷾囟壬仙?，使線束產(chǎn)生更大的溫升[2]，要求線束具有更好的耐熱性能，客車(chē)國(guó)標(biāo)規(guī)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(dá)到125℃，甚至更高。

5）抗電磁干擾。電動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，反復(fù)變化的電器負(fù)荷與系統(tǒng)中大量采用的變頻技術(shù)，造成線束電壓、電流和頻率的劇烈波動(dòng)，產(chǎn)生較大的電磁干擾，并對(duì)車(chē)輛本身及周?chē)h(huán)境的電氣電子設(shè)備造成影響，所以線束需要對(duì)電磁干擾進(jìn)行屏蔽，以滿足電磁兼容性（EMC）要求[4]。

6）耐久性能。線束應(yīng)具有耐溫、耐候、耐介質(zhì)腐蝕、耐振以及導(dǎo)線破損防護(hù)等性能，并具備較大的安全余量和連接壽命，保證車(chē)輛長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

7）成本高。車(chē)輛運(yùn)行條件和使用環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致高壓線束成本昂貴。設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)與規(guī)格的過(guò)度選配，造成成本上升。

高壓線束負(fù)荷計(jì)算

車(chē)輛的動(dòng)力電池除了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)外，還為動(dòng)力轉(zhuǎn)向、空調(diào)采暖、DC/DC轉(zhuǎn)換器等大功率用電設(shè)備提供電能，同時(shí)接收交流充電機(jī)提供的慢充電流、外部充電樁提供的快充電流，以及車(chē)輛制動(dòng)時(shí)電機(jī)的能量回饋電流，為此車(chē)輛設(shè)計(jì)高壓分配器與高壓線束進(jìn)行電能的分配和傳輸，如圖1所示。



純電動(dòng)客車(chē)在不同工況運(yùn)行時(shí)，電器設(shè)備的用電負(fù)荷變化較大，所以線束設(shè)計(jì)需要綜合考慮電器負(fù)載的額定電流、峰值電流及工作時(shí)間等參數(shù)。以純電動(dòng)客車(chē)的電機(jī)系統(tǒng)為例，根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算變頻器的輸入峰值功率Pb1：



動(dòng)力電池在整車(chē)大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)造成較大的電壓降。根據(jù)鋰電池充放電曲線，此壓降按低于標(biāo)稱(chēng)電壓的10%計(jì)算，則電機(jī)變頻器的峰值輸入電流Ibmax：



用上述方法計(jì)算出主要電器負(fù)載的功率和電流，如表1所示。

高壓線束選配設(shè)計(jì)及安裝控制

高壓線束主要由線纜、插接件、防護(hù)結(jié)構(gòu)和固定件等部分組成。根據(jù)連接部件和使用環(huán)境的不同，對(duì)線束各部分的設(shè)計(jì)要求也有所不同。

2.1線纜的選配設(shè)計(jì)

線纜的選配內(nèi)容主要是確定導(dǎo)線截面積和絕緣層材質(zhì)。目前高壓線纜已有成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)構(gòu)上分為單芯和多芯電纜，導(dǎo)線主要采用軟銅絞線，以滿足導(dǎo)線內(nèi)阻和柔軟彎曲的使用要求；絕緣層要求耐溫阻燃，多為復(fù)合結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)有交聯(lián)聚烯烴和PVC材質(zhì)；對(duì)于防電磁輻射功能，主要通過(guò)絕緣層內(nèi)部的裸銅網(wǎng)或線纜外層的鍍錫銅網(wǎng)實(shí)現(xiàn)屏蔽，其編制密度≥90%；按安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，動(dòng)力電纜顏色為橙色或外套橙色護(hù)管。線纜選配的主要參數(shù)有：載流量特性、導(dǎo)體電阻、熱阻、耐溫等，可以根據(jù)廠商資料中的線纜溫升和載流量曲線，或者按照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)選配。電機(jī)負(fù)載運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)短時(shí)過(guò)載現(xiàn)象，所以電纜選配時(shí)應(yīng)考慮載流量是否滿足車(chē)輛長(zhǎng)期運(yùn)行條件，線纜過(guò)流持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，熱量向外擴(kuò)散較少，因此，可不考慮散熱過(guò)程，近似認(rèn)為產(chǎn)生熱量全部用于導(dǎo)體溫升[5-6]，可用以下公式估算絕緣層能夠承受的過(guò)流持續(xù)時(shí)間：



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



2.2插接件的選配設(shè)計(jì)

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(dòng)客車(chē)高壓插接件的選型具有以下要求：

1）電性能。為了應(yīng)對(duì)高電壓、大電流的使用環(huán)境，接插件通過(guò)高密度觸片、端子表面鍍銀等技術(shù)，增加插件的接觸面積，降低接觸阻抗；配合屏蔽電纜的應(yīng)用，接插件多采用金屬材質(zhì)或在內(nèi)部設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)；參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本車(chē)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(yàn)后≥20MΩ。

2）環(huán)境性能。工作溫度為-40~125℃；耐腐蝕、耐油、其塑膠材質(zhì)具有阻燃性能；插接件最低防護(hù)等級(jí)為IP55，對(duì)于充電插頭在充電或不用時(shí)，最低防護(hù)等級(jí)為IP44。

3）機(jī)械性能。插件耐振動(dòng)和沖擊；帶有自鎖和防誤插結(jié)構(gòu)；插拔壽命≥500次，對(duì)于充電插頭額定負(fù)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(chē)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(guò)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(zhǎng)時(shí)工作和過(guò)載特性曲線（見(jiàn)圖2和圖3），其推薦連續(xù)電流應(yīng)大于用電器的額定電流，用電器峰值電流和持續(xù)時(shí)間則處在推薦的瞬時(shí)電流和工作時(shí)間范圍以?xún)?nèi)。以電機(jī)變頻器插接件為例，查表推薦采用AmphenolRT360系列中的8mm規(guī)格插件，其40℃時(shí)的額定電流200A，大于部件額定電流130.21A；其持續(xù)工作60s可承受的瞬時(shí)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(guī)格，并注意線纜屏蔽。



2.3防護(hù)結(jié)構(gòu)的選配設(shè)計(jì)

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(yīng)有防護(hù)結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)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(diǎn)，國(guó)標(biāo)規(guī)定波紋管耐溫在-40~150℃，常見(jiàn)材質(zhì)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(yōu)勢(shì)，波紋管顏色為橙色，采用橡膠護(hù)套塑封或PVC膠帶纏繞與線纜固定密封。

2）護(hù)管。對(duì)于在狹小空間或特殊部位布置的線纜，常增加專(zhuān)用的護(hù)管、護(hù)板等部件進(jìn)行遮擋與保護(hù)。

3）膠帶。膠帶在線束上應(yīng)用較廣，常用于保護(hù)、捆扎、絕緣、阻燃、標(biāo)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(hù)接頭。對(duì)于連接部件內(nèi)部的線束，線纜外部還應(yīng)增設(shè)電纜防水接頭、防折彎電纜接頭等結(jié)構(gòu)。

2.4安裝控制

1）高壓線纜過(guò)銳邊或過(guò)孔時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)，布置時(shí)應(yīng)避開(kāi)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(yīng)力集中，線束最小彎曲半徑通常要大于線徑的3~5倍，同時(shí)線纜也具有較大質(zhì)量。為了合理分布載荷，需要對(duì)線束進(jìn)行支承和固定，通常直線布置的線纜固定點(diǎn)間距≤300mm，固定點(diǎn)與接插件間距≤120mm，以承受線束的重量和振動(dòng)載荷。固定裝置常采用特殊網(wǎng)狀扎帶和絕緣材質(zhì)支架等。

3）對(duì)于部件內(nèi)部裝配的連接件接頭，需要選取正確規(guī)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(jī)線束應(yīng)考慮部件運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)合理的線束尺寸，既要有足夠的長(zhǎng)度分布應(yīng)力，也要避免過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致線纜積聚；對(duì)于位移幅度較大的線纜，增設(shè)緩沖和導(dǎo)向功能的固定結(jié)構(gòu)，線纜運(yùn)動(dòng)時(shí)與其他零部件保持合理距離；對(duì)于運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生噪聲的部位，應(yīng)增設(shè)海綿、絨布、膠帶等部件，避免噪聲。

5）接插件應(yīng)盡可能放置在駕駛室或電器艙室內(nèi)部，以避免雨水和灰塵的侵蝕，布置在底盤(pán)的線束應(yīng)設(shè)計(jì)遮擋結(jié)構(gòu)，避免車(chē)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(wèn)題。

6）線束布置要考慮電磁干擾因素。如布線時(shí)，避免90°的折線，可減少線路高頻噪聲發(fā)射；對(duì)于高、低壓線束，尤其是信號(hào)線束，必須分開(kāi)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(yīng)考慮布置的美觀性，線束走向應(yīng)與依附件方向一致，盡量避免斜方向布置；機(jī)艙線纜盡量放置在車(chē)身結(jié)構(gòu)件或部件的下方及內(nèi)側(cè)；對(duì)于線纜較多的部位，應(yīng)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用線束護(hù)板進(jìn)行遮蔽。

8）高壓線束布置應(yīng)具有合適的空間進(jìn)行安裝與維修，在同一部位的插接件應(yīng)選用不同的規(guī)格和定位結(jié)構(gòu)，防止錯(cuò)裝；接插件連接應(yīng)盡量保證能夠單手操作，接插件末端線束應(yīng)預(yù)留合理長(zhǎng)度，以便于插接件拆裝。