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论述新能源汽车高压电缆的结构及工艺设计

2020-06-24 590 上传者：管理员

摘要：新能源汽车高压电缆按结构可分为单芯非屏蔽电缆、单芯屏蔽电缆、多芯非屏蔽电缆和多芯屏蔽电缆。各类结构新能源汽车高压电缆的设计侧重点不同。结合标准LV 216-2:2015和QC/T 1037—2016及相关文献资料和实际生产经验,对新能源汽车高压电缆的结构及工艺设计、材料定额计算进行介绍,指出了在各环节中值得注意的问题。为从事新能源汽车高压电缆设计的技术人员提供便捷的参考。

关键词：
新能源汽车
材料定额计算
设计
高压电缆
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随着汽车市场的不断扩大，燃油汽车的保有量屡创新高，而传统汽车消费市场的壮大换来的是高污染汽车尾气的不断增多，现已实际威胁人们的健康和生态环境。全球号召环保的呼声不断，欧洲各国纷纷宣布燃油汽车的禁售时间表。在此大环境下，我国也加入了汽车环保的行列，在摒弃传统燃油汽车的同时大力鼓励新能源汽车的发展。作为新能源汽车脉络的新能源汽车电缆在此背景下得到迅速规范，并推出了相应的标准。本文结合标准LV216-2:2015和QC/T 1037—2016及相关文献资料和实际生产经验，对新能源汽车高压电缆的结构及工艺设计、材料定额计算进行介绍，指出了在各环节中值得注意的问题。

1、各类结构高压电缆的设计侧重点

新能源汽车高压电缆按结构可分为单芯非屏蔽电缆、单芯屏蔽电缆、多芯非屏蔽电缆和多芯屏蔽电缆。各类结构新能源汽车高压电缆的设计侧重点不同。

新能源汽车高压单芯非屏蔽电缆结构较为简单，仅需在导体外挤塑一层绝缘即可，绝缘层厚度可参考标准LV 216-2:2015和QC/T 1037—2016进行设计。值得注意的是，LV 216-2标准仅提供了600V/1 000V AC/DC电缆的尺寸设计[1]，而QC/T 1037标准提供了600V/900V AC/DC电缆和1 000V/1 500V AC/DC电缆的尺寸设计[2]。对于客户一些特殊尺寸的要求，建议一般在对应的耐压等级下，绝缘厚度设计不小于上述标准规定值。

新能源汽车高压单芯屏蔽电缆相对单芯非屏蔽电缆在结构上多了一层屏蔽层和护套层。编织型屏蔽电缆的编织密度要求一般不小于85%，亦可根据实际需求设计编织密度。在屏蔽形式上，有时会采用添加铝箔制成双屏蔽或铝箔+编织+铝箔的三屏蔽结构。屏蔽电缆的护套设计亦可参照标准LV216-2:2015和QC/T 1037—2016标准酌情设计。

新能源汽车高压多芯非屏蔽/屏蔽电缆相对单芯非屏蔽/屏蔽电缆在结构和工序上稍显繁杂，一般多芯电缆的绝缘芯线尺寸都不会太大，但在设计时需要考虑成缆圆整度，以保证成品的美观性。在绝缘芯线尺寸稍大时会选择添加聚丙烯（PP）网状填充物（PP网或PP加捻绳）甚至是挤出的实心填充条，以保证圆整度，考虑到成本、轻量化因素，首推PP网状物做为填充物。

2、高压电缆结构及工艺设计要点

2.1 绝缘结构及工艺设计要点

无论是哪种结构新能源汽车高压电缆，绝缘的结构及工艺设计均不可避免。绝缘层的设计与电缆产品的耐温、耐压等级密切相关。综合考虑电缆的使用场合和性能要求，建议选择交联聚烯烃（XLPO）材料作为新能源汽车高压电缆的绝缘料和护套料，以满足电缆柔软性的要求，同时保证电缆耐高温性能。绝缘标称厚度的选择可以参考标准LV216和QC/T 1037。出于轻量化考虑，目前以LV216标准规定的薄壁设计逐渐显热，但LV 216标准中仅提供了600V/1 000V AC/DC电缆的设计方案，故在更高耐压等级的产品设计时可以参考标准QC/T 1037或在其基础上加厚以满足耐压性能。值得注意的是，由于绝缘最薄点的厚度决定整根电缆的最终耐压水平，因此在设计时绝缘最薄点tm≥0.9tn-0.1，其中tn为绝缘标称厚度[3]。

2.2 成缆结构及工艺设计要点

相对同等导体尺寸的汽车低压电缆，新能源汽车高压电缆绝缘外径较大，在成缆时绞合纹路较深。为了提高成品电缆表面的圆整性，新能源汽车高压电缆主要通过添加填充物与绝缘芯线一起绞合，使填充物嵌入成缆缝隙的方式，以保证半成品的绞线具有较高的圆整度。成缆填充物有PP网、PP加捻绳和填充条等多种选择。从成本和轻量化方面考虑，如有合适的PP网状类填充物（包括PP网、PP加捻绳）时，应尽量优先选择PP网状类填充物。选择PP网状类填充物时，应以所填间隙的面积为准，如图1(a）所示；而填充条由于不易变形，只需满足成缆整体内切于轮廓圆即可，如图1(b）所示。

图1 不同填充物的成缆结构

新能源汽车多芯屏蔽电缆的成缆节径比一般以15～20为宜，成缆半成品不应太松散，同时也应能满足生产效率的要求。根据相关生产经验，不同芯数电缆芯线尺寸d1与成缆外径D1之间的关系如表1所示。若新能源汽车高压多芯电缆在成缆时有填充要求，则在成缆时应在缆芯外添加一层包带，以防止缆芯松散，尤其是采用PP网状填充物共同成缆的电缆。该包带材料可以是无纺布、聚酯带等。

表1 不同芯数电缆芯线尺寸d1与成缆外径D1之间的关系

2.3 屏蔽结构及工艺设计要点

屏蔽层作为电缆阻挡电磁干扰的有效手段，设计形式不同，对抗电磁干扰的能力也会有较大区别。在设计时，如无特殊要求，一般编织单屏蔽或铝箔与编织结合的双屏蔽形式就足够满足一般的使用环境需求。在现有标准中，一般要求铝箔的搭盖率≥20%，编织丝的编织密度≥85%。

包带（绕包形式的带材）搭盖率P的计算公式为：公式（1）和公式（2），其中α为绕包角度；D为绕包前缆芯外径，单位为mm；δ为包带厚度，单位为mm;w为包带宽度，单位为mm;s为绕包节距，单位为mm。编织密度K的计算公式为：公式（3）和公式（4），其中Kf为单向覆盖率；m为锭子总数；n为每锭编织线数；d为编织单丝直径，单位为mm;L为编织节距，单位为mm;D2为屏蔽层节圆直径，单位为mm。虽然现有标准中没有对编织的锭数和并数（并股的根数）进行要求，但对编织单丝的直径做了详细的规定。例如，QC/T 1037—2016标准规定，单芯屏蔽电缆导体截面积≤2.5 mm2时编织单丝最大直径为0.11mm,2.5mm2<导体截面积<25mm2时编织单丝最大直径为0.16mm，导体截面积≥25mm2时编织单丝最大直径为0.21mm。如有特殊要求，亦可选择其他尺寸的单丝作为编织丝，一般以接近标准规定的单丝尺寸为宜。

编织层的性能可由屏蔽效率评价，通常的评价指标有转移阻抗和屏蔽衰减。同样编织密度、同样编织单丝屏蔽的电缆有时屏蔽效能却不尽相同。为了使成品电缆的屏蔽效能更好，对现有资料研究后建议编织角度β<45°，以保证电缆具有相对较小的转移阻抗，也可通过适当增加编织锭数和合理减少编织并数来降低电缆的转移阻抗[4]。

2.4 护套结构及工艺设计要点

护套主要起到保护内层缆芯的作用。在设计时，新能源汽车高压电缆护套厚度同绝缘厚度一样，应根据已知的大部分标准中给出的标称厚度值对护套的最薄点进行控制，即护套最薄点Tm≥0.85Tn-0.1，其中Tn为护套标称厚度。

3、高压电缆材料定额计算

3.1 导体与绝缘材料定额计算

根据电缆结构，新能源汽车高压电缆的导体与绝缘材料定额计算有单芯和多芯两种，多芯电缆的导体与绝缘材料定额计算就是在单芯电缆的导体与绝缘材料定额计算基础上乘以芯数N和成缆绞入系数k。由于电缆导体与绝缘的材料定额计算相对简单，在此不做过多阐述。

3.2 编织屏蔽材料和包带材料定额计算

新能源汽车高压电缆编织屏蔽材料定额Wb计算公式[5]为：公式（5），其中Wb的单位为kg/km；ρ1为编织材料密度，单位为g/cm3。新能源汽车高压电缆包带材料定额Wr计算公式为：公式（6），其中Wr的单位为kg/km；ρ2为包带材料密度，单位为g/cm3。

3.3 护套材料定额计算

根据护套挤制方式，新能源汽车高压电缆护套材料定额计算有挤管式和挤压式两种。挤管式护套材料定额计算时只需计算护套与缆芯的截面积之差形成的圆筒状体积的护套材料用量即可，计算方法较为简单，在此不做过多赘述。

挤压式护套材料定额计算时，因需将缆芯填充紧实，在同等尺寸下，材料用量一般要比挤管式护套的要大一些。对于缆芯较为圆整（如单芯屏蔽电缆或添加了填充后的多芯电缆）的电缆，其挤压式护套材料定额计算可参照挤管式护套进行。对于成缆无填充但带有编织屏蔽（或编织+铝箔屏蔽）的多芯（等芯尺寸）电缆，其挤压式护套材料定额计算可在挤管式护套材料定额计算结果上乘以填充系数k1（一般取值1.1～1.2）确定。

在k1取值时，成缆芯数较少时（如2芯成缆），k1应取上限值1.1，成缆芯数较大时（≥6芯成缆），k1取下限值1.2。对于成缆后直接挤出护套和成缆缆芯外仅有包带（无填充）的电缆，挤压式护套材料定额Wh计算公式为：公式（7）和公式（8），其中Wh的单位为kg/km;D3为缆芯外径，单位为mm;Tn的单位为mm；ρ3为护套材料密度，单位为g/cm3;S为外层绝缘空隙面积；k2为外层绝缘空隙面积系数，具体取值如表2所示。6芯以上电缆挤压式护套材料定额计算可直接在挤管式护套材料定额计算结果上乘以1.2确定，因此表2中仅列出了2～6芯电缆挤压式护套材料定额计算时k2的取值。

表2 外层绝缘空隙面积系数k2的取值

4、结束语

本文对新能源汽车单芯高压电缆及多芯高压电缆的设计进行了简要概述，对新能源汽车高压电缆的设计规范进行了较为细致的阐述，针对设计时值得注意的地方进行了说明，同时对新能源汽车高压电缆的材料定额计算进行了简要概述，为从事新能源汽车高压电缆设计的技术人员提供便捷的参考。

参考文献：

[2]工业和信息化部.道路车辆用高压电缆:QC/T1037-2016[S].北京:科学技术文献出版社,2016.

[3]中国电器工业协会.额定电压1kV(Um=1.2kV)和35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件第1部分:额定电压1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)电缆:GB/T12706.1-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4]马晖,葛景滂,王惠明,等.编织型同轴电缆的编织层参数与屏蔽特性的研究[J].电线电缆,1994(4):2-6.

[5]冯国伍.关于电缆编织屏蔽重量计算的浅谈[J].电线电缆,2008(1):28-29.

钱子明,朱国梁,管雨娟,郭忠超.新能源汽车高压电缆设计要点概述[J].光纤与电缆及其应用技术,2020(03):18-20+39.