新能源汽车线束与连接器的开发

原创 线束世界 2024-05-21 07:56




住友电机工业有限公司开发并生产了用于电动传动系统的高压线束和连接器,这些产品已用于许多混合动力汽车(HEV)。在过去的25年里,混合动力汽车一直在积极发展,以防止CO2排放引起的全球变暖。不需要内燃机的电动汽车(电动汽车)的发展也在加快。EV中使用的电动传动系统主要由高压电池、逆变器和电机组成。本文介绍了我们为混合动力汽车开发的产品,也适用于电动汽车。这些产品包括用于高压电池和逆变器之间的铝线的管道屏蔽线束,以及将逆变器连接到电机的电源线和直接连接器。



01

介绍


在过去的二十年中,为了提高燃油效率和减少CO2排放,以防止全球变暖和化石燃料的枯竭,混合动力电动汽车(混合动力汽车)和电动汽车(ev)的发展得到了加速。特别是,混合动力汽车迅速普及,因为现有的加油站可以用来加油。各国近期公布的内燃机汽车禁售政策如表1所示,CO2排放法规收紧。因此,电动汽车销量呈现出如图1所示的增长趋势。目前,预计混合动力汽车与电动汽车的比例将继续居高不下。然而,非内燃机电动汽车的发展正在加速。因此,随着电池和充电技术的发展,预计电动汽车在电动汽车销售中的比例将会增加。


混合动力汽车或电动汽车的电动传动系统主要由高压电池和电动机组成。它们通过高压线束连接在一起,以完成电力传输。住友电机工业有限公司已经生产了近20年的高压线束。此外,在电气化的浪潮中,住友电机正在推动高压线束的开发,以增加混合动力汽车的电机功率,减轻重量以提高燃油效率,并进一步应用于电动汽车。


表1:内燃机汽车禁售政策


在本文中,我们描述了为混合动力电动汽车(HEVs)开发且同样适用于电动汽车(EVs)的以下部件的结构和特性:电力电缆、直连连接器以及适用于铝线的管道屏蔽线束。


图1所示:内燃机汽车与电动汽车销售比例预测



02

电动传动系统和高压线束


混合动力汽车或电动汽车的电力传动系统主要由高压电池、逆变器和电动机组成。如图2所示,它们通过高压线束相互连接。连接高压蓄电池和逆变器的高压线束称为地板下线束,其线长相对较长。连接逆变器和电机的高压线束称为电力电缆,其线长相对较短。这两种高压线束都需要屏蔽性能,以确保电磁噪声不会影响周围的电子设备。


噪声不会影响周围的电子设备和信号线。地板下线束布置在汽车地板下,因此保护电线免受外部损坏(如石击)的保护器非常重要。保护器采用树脂保护器和金属管。


最近,由于变频器和电机之间的距离越来越短,电源线的长度也有变短的趋势。住友电工根据这一趋势开发了两种产品。一种是小型化、轻量化电力电缆。电力电缆的电线长度从约 100 厘米减少到约 10 厘米。另一种是直接连接器,用高压连接器直接连接变频器和电机。这两种产品的使用取决于车辆的特性。


图2所示:HEV和电动汽车的电动传动系统



03

适用电动汽车的混合动力汽车专用产品


在本节中,我们将介绍已开发的HEV产品,这些产品也适用于电动汽车。


1管道屏蔽线束和正负极 (PN) 连接器

如前所述,地板下线束的保护很重要。住友电工自2005年以来一直使用铝管而不是树脂保护器作为保护材料生产管屏蔽线束。(1)管屏蔽线束的特点之一是铝管既起到保护作用,又起到屏蔽作用。此外,它具有良好的耐热性和导热性,并适应利用三维弯曲工艺的管屏蔽线束的各种布局形状等。


对于传统的管屏蔽线束,通过管道插入的导线为铜线。然而,随着混合动力汽车功率的增大,需要更大的电流,导致导线截面积的增大。因此,导线重量的增加成为了一个问题。从提高燃油效率的角度来看,需要减轻线材重量。为了解决这些问题,我们开发了一种铝丝。用于管屏蔽线束的铝线,既要有抗振动的柔韧性,又要有良好的导电性。我们使用满足这两个要求的新型铝材料实现了减重(图1 (a), (b))。


图1:管屏蔽线束和PN连接器


另一方面,这种管道屏蔽线束中的另一个开发产品是一种高压连接器,称为PN连接器,用于逆变器侧(图1(c))。由于大电流通过,管道屏蔽线束使用了横截面积大的粗电线。当车辆行驶时,安装在车辆中的粗电线会随着车辆的振动而振动。这种电线的振动通过粗电线作用于连接器,这一作用可能会导致连接器的电触点磨损,进而可能导致端子发热的结果。为了抑制这种振动,有必要将电线、连接器和逆变器彼此牢固固定。然而,这可能会导致连接器电触点的磨损,因为由温度变化引起的连接器组件的膨胀和收缩可能无法被吸收。


图3显示了考虑到这些因素而开发的PN连接器。如图3所示,尽管PN连接器具有牢固固定的结构,柔性导体吸收了由于热膨胀和收缩导致的组件尺寸变化。这种结构提高了PN连接器的可靠性。


图3所示:PN连接器尺寸变化的吸收


由于该连接器采用了一键式组装结构而非传统的螺栓结构,它在将管道屏蔽线束连接至逆变器时显著提升了操作便利性。


2电力电缆

如前所述,逆变器与电机之间的距离正在变得越来越短。本节描述了我们为应对这一趋势而开发的电力电缆。


该开发目标车辆的电力电缆连接逆变器和两个三相交流(AC)电机(一个用于驱动车辆,另一个用于发电)。电力电缆由每台电机的三根粗电线组成(总共六根粗电线),两端连接到逆变器和电机的高压连接器,以及用于屏蔽电磁噪声的屏蔽层。为了将这种电力电缆应用于逆变器和电机之间的短距离部分,有必要减小其尺寸和重量。


在传统的高压连接器中,树脂成型外壳被组装到三根粗电线的两端,并进行密封。传统电力电缆使用了两套这样的装置。为了减小这种电力电缆的尺寸,我们采用了六相一体成型技术(图4),在该技术中,六根电线一次进行插入成型。因此,避免了使用橡胶密封,并且两套电力电缆被整合为一体的结果,从而实现了小型化。


图4所示:六相整体成型技术概念示意图


在传统电力电缆的屏蔽层中,电线由管状编织屏蔽包裹。因此,由于屏蔽层的端子连接,电力电缆的尺寸减小受到了限制。这次,我们利用适用于短距离的优势,采用了布状屏蔽材料。结果,我们实现了新型电力电缆的尺寸和重量减少(照片2)。

照片2:铜编织屏蔽


这些缩小尺寸和减轻重量的措施,使得开发出照片3中所示的电力电缆成为可能,该电缆可以安装在狭窄且有限的空间内。

照片3:电力电缆的外观


3直接连接器

在本节中,我们描述了一种直连连接器,它使用高压连接器直接连接逆变器和电机。


随着车辆布局的趋势,将逆变器直接安装在电机上方。为了提高汽车装配厂的工作效率,一直需求一种技术,能够在不使用电缆的情况下,在将逆变器安装到电机上方的同时连接逆变器和电机。作为解决方案,我们开发了直连连接器,其中高压连接器分别集成到逆变器和电机中(照片4)。


图4所示:直连连接器外观


为了在将逆变器安装到电机上方的同时连接逆变器和电机,需要高精度的对齐。然而,在精细调整的同时安装重型逆变器是困难的。因此,逆变器和电机的高压连接器应该能够基于粗略对齐就相互配对。为了响应这一要求,采用了两步引导结构。第一步是当逆变器向电机移动时连接器配对的初始阶段。我们在逆变器外壳上设置了定位引脚,调整了引脚的形状,并设置了适当的引导余量,从而在避免高压连接器干扰的同时实现最佳定位(图5)。


图5所示:逆变器和电机安装操作(第一步)


第二步是端子接合开始前的阶段。在这一阶段,端子接合需要进一步的高精度对齐。为了满足这一要求,在电机侧的高压连接器上设置了引导部件。同时,逆变器侧的高压连接器采用了浮动结构。这些措施使得自对齐成为可能。此外,在逆变器侧的高压连接器内部应用了柔性导体,以吸收由于自对齐导致的逆变器内部的螺栓端子连接位置产生的间隙(图6)。这些措施使得两个高压连接器能够通过一次动作和一个螺栓紧固来实现配对。结果,安装逆变器和配对高压连接器的操作性得到了极大的改善。


图6所示:高压连接器配合(第二步)


04

设计说明


本文报道的所有产品都是考虑到电动汽车的应用而开发的。此外,它们还有助于减小产品的尺寸和重量,提高汽车装配厂的产品可靠性和可加工性。它们已经被安装在大规模生产的混合动力汽车上。



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