ההרכב והיישום של כבלי חיבור EV HV

דרישות הפריסה של רתמות חיווט EV HV במתח גבוה, כולל עמדה, קיבוע וגודל, לערב את מבנה הכבל, אבל בעיקר הפריסה, מה שעשוי להועיל לחלק היישום. המבנה של כבל המתח הגבוה מתואר בפירוט, כולל מנצחים, שכבות מיגון, שכבות בידוד, וכו', שאמור לענות ישירות על שאלת ההרכב. חלק היישום מזכיר את העברת הכוח מהסוללה למנוע, מהפך, וכו', כמו גם העברת אותות, שזה גם קריטי.

מכשיר חיבור למתח גבוה, שמזכיר את רמת המתח של כבלים במתח גבוה, סוגים ממוגנים ולא ממוגנים, וההבדל בין ליבה אחת לרב ליבה, שכולם פרטי הרכב. היבט היישום מזכיר את העברת הכוח בין מכשירים חשמליים, כמו מנוע ההנעה הראשי, מערכת מיזוג אוויר, וכו', שצריך לשלב עם התכנים האלה. ההרכב של רתמת החיווט במתח גבוה מתואר בקצרה, כולל מחברים, מסופים, חוטים, וכו', מה שעשוי להשלים את המידע של הרכיבים.

רכיבי מתח גבוה, מה שמזכיר שכבלי מתח גבוה מחברים ערכות סוללות, מטענים ורכיבים אחרים, מדגיש בידוד ועמיד במתח, ויש לצטט את חלק היישום הזה. רתמת החיווט בין יציאת הטעינה המהירה לקופסת המתח הגבוה משתמשת בכבלי מתח גבוה, ויש לשקול גם חלק זה בתרחיש היישום.

ההרכב והיישום של כבלי חיבור EV HV

הרכיבים של כבלי EV HV חיבור צריכים לכלול חומר מוליך (נחושת או אלומיניום), שכבת מיגון מוליכים, שכבת בידוד, שכבת מיגון בידוד, שכבת מיגון מתכת, וכיסוי מגן. היבטי היישום כוללים העברת כוח (סוללה למנוע, מהפך, וכו'), מערכת טעינה (טעינה מהירה/טעינה איטית), מערכת עזר (מיזוג אוויר, מחמם PTC), עיצוב EMC, וכו.

1. הרכב כבלי חיבור מתח גבוה לרכבים חשמליים
כבלי מתח גבוה הם מרכיבי הליבה של העברת אנרגיה חשמלית בכלי רכב חשמליים. העיצוב המבני שלהם חייב לעמוד בדרישות של מתח גבוה, זרם גבוה ותאימות אלקטרומגנטית. הם כוללים בעיקר את הרמות הבאות:

מְנַצֵחַ
נְחוֹשֶׁת (מוליכות מעולה) או אלומיניום (קל משקל ובעלות נמוכה) משמש כחומר הליבה, אחראי לשידור הנוכחי.
שכבת מיגון מוליכים
עטפו את המוליך לפיזור שדה חשמלי אחיד ומונע פריקה חלקית‌.
שכבת בידוד
חומרים במתח גבוה (כגון פוליאתילן צולב) משמשים כדי לספק הגנה על בידוד חשמלי למניעת דליפה או קצר חשמלי.
שכבת מיגון בידוד
מייעל עוד יותר את חלוקת השדה החשמלי ומפחית את הנזק של מתח חשמלי לכבל‌.
שכבת מיגון מתכת
עשוי מצמת נחושת או רדיד אלומיניום, הוא מדכא הפרעות אלקטרומגנטיות (Emi) ומשפרת תאימות אלקטרומגנטית (EMC)‌.
כיסוי מגן
למבנה המגן החיצוני יש מאפיינים של עמידות בפני שחיקה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה, וכו', ומתאים לתנאי עבודה מורכבים‌.

‌סוג עיצוב מיוחד‌:
כבל מסוכך: הפחת הפרעות אלקטרומגנטיות דרך שכבת המיגון המתכתית, מתאים לסצנות עם דרישות EMC גבוהות‌.
כבל לא מסוכך: משמש בסביבות עם הפרעות נמוכות, עלות נמוכה יותר.
‌כבל חד ליבות/רב ליבות: כבל חד ליבה מתאים להעברת זרם גבוה (כגון ספק כוח מנוע), וכבל רב ליבות משמש לשידור מרוכב של אותות‌.

2. יישום כבלי חיבור במתח גבוה לרכבים חשמליים
כבלי מתח גבוה משמשים להעברת כוח ובקרת אותות במערכת המתח הגבוה של הרכב כולו. תרחישי היישום העיקריים כוללים:

העברת כוח של מערכת הכוח
חבר את סוללת החשמל עם מנוע ההנעה, מהפך, ממיר DC/DC ורכיבים אחרים להעברת 200-1500V במתח גבוה DC או AC.

יש לעמוד בדרישות צפיפות זרם גבוהה (כגון סידור סימטרי של הקו התלת פאזי של המנוע).

מערכת טעינה
ממשק טעינה מהירה: חבר את יציאת הטעינה המהירה עם תיבת חלוקת החשמל במתח גבוה (PDU) לתמיכה בטעינת DC בעוצמה גבוהה.

‌ממשק טעינה איטית‌: חבר את המטען המובנה (OBC) עם ערכת הסוללות כדי להעביר AC.

‌מערכת עזר במתח גבוה
ספק כוח למדחסי מיזוג אוויר, מחממי PTC, מערכות היגוי/בלמים חשמליות, וכו.

‌אופטימיזציה של תאימות אלקטרומגנטית‌
כבלים מסוככים משמשים בנתיבי מפתח (כגון קווי סוללה למנוע) כדי להפחית את ההשפעה של הפרעות אלקטרומגנטיות על ציוד אלקטרוני אחר.

3. דרישות טכניות אופייניות
רמת מתח: AC 600V/DC 900V או AC 1000V/DC 1500V, התאמה לפי דרישות הרכיב, סוללת כוח, מנוע הנעה, וכו.
"מרווחים קבועים".: ≤300 מ"מ כאשר שטח החתך גדול מ 16 מ"מ; ≤200 מ"מ כאשר ≤16 מ"מ², הימנע מתלייה או כיפוף מוגזם, תיקון ופריסה של רתמת החיווט
‌מרווחי בטיחות‌: הפער עם החלקים הנייחים הוא ≥10 מ"מ, הימנעות מאזורי דפורמציה של התנגשות (כגון אלומות נגד התנגשות, דלתות רכב)‌

רתמות החיווט המסורתיות של רכבי אנרגיה חדשים מורכבות מחוטים ומשקעי תיל מפלסטיק. כי לגזם פלסטיק יש פיזור חום גרוע, חבילות חוטי מתח גבוה דורשות חוטים גדולים יותר כדי להפחית את השפעת החום. בנוסף, שינוי ופיתוח עיצוב חדש להגנה על שוקת תיל הוא יקר ומחזור הייצור ארוך. אז ראינו את פתרון רתמת החוט מגן הצינור, הנציג שלה הוא רתמת חוטי מתח גבוה של Sumitomo.
עם הפיתוח המהיר של רכבי אנרגיה חדשים בשנים האחרונות. הרכיבים החשמליים במתח גבוה שלה, כגון מנועים, ממירים וסוללות מתח גבוה, גם מפותחים ומשתפרים כל הזמן. גם רתמות החיווט הגבוהות המקשרות ביניהן מתפתחות ומשתפרות כל הזמן. הרכב זקוק בדחיפות לרתמות חיווט במתח גבוה כדי להוזיל עלויות, משקל ומרחב פריסה.

דְמוּת 1 מציג את ציר הזמן לייצור המוני של מוצרי רתמת חוט במתח גבוה. ב 1999, החברה שלנו החלה בייצור בקנה מידה גדול של מוצרי רתמות חיווט במתח גבוה עבור הונדה INSIGHT. הפיתוח המקיף הראשון של חלקי רתמת חיווט במתח גבוה, כגון חוטים, מסופים ומחברים, התחיל ב 2001 לרכב ההיברידי טויוטה ESTIMA. מבחינת טרמינלים, פותחו שני סוגים של מחברים מעוצבים וסוג תקע על בסיס הדרישות הטכניות של ממשק החיבור. מיגון אלקטרומגנטי התחיל עם כבלים מסוככים בנפרד, לאחר מכן הציג מיגון רתמת תיל קלוע אינטגרלי עבור טויוטה פריוס 2003, והציגה את טכנולוגיית מיגון הצינור הראשונה עבור הונדה CIVICHYBRID ב 2005. דרישת הטמפרטורה המקסימלית עבור רתמות חוטי מתח גבוה השתנתה גם היא מ-120 מעלות צלזיוס המקורית ל-150 מעלות צלזיוס..

דְמוּת 2 מציג את היישום של מוצרי רתמות חיווט במתח גבוה בדגמי HEV. בצד ימין, מכלול רתמת החיווט מוצג, מאובטח באמצעות שוקת תיל. בפינה השמאלית התחתונה נמצאת רתמת החיווט של המנוע. המסופים מוברגים ומסוככים בסך הכל.

על מנת למנוע רתמות חיווט מתח גבוה לגרום הפרעה לרתמות חיווט במתח נמוך, מכשירי רדיו, וכו', מיגון אלקטרומגנטי חשוב במיוחד עבור רתמות חיווט במתח גבוה. בנוסף, רוב רתמות המתח הגבוה של רכבי אנרגיה חדשים מנותבים על המרכב, וביצועי הגנה מכניים חשובים במיוחד עבור רתמות חיווט במתח גבוה.
הצד השמאלי של האיור 3 מציג את רתמת חוטי המתח הגבוה המוגנת בנפרד. כל חוט מכוסה במגן קלוע נחושת, עם תוכנית המיגון הכוללת בצד ימין. אין מגן קלוע נפרד מחוץ לכבל, אבל מיגון כולל בחלק החיצוני של כבלי מתח גבוה מרובים. ה 2003 טויוטה פריוס השתמשה בתכנון כולל של רתמת חוט במתח גבוה כדי לפשט את מבנה רתמת התיל ולהפחית את מספר הרכיבים הדרושים, ובכך להפחית את העלות של מערכת רתמת החוטים הכוללת במתח גבוה. דְמוּת 4 מציג את השימוש בשרוולי מגן ובשקעי תיל יצוקים בהזרקה בחלק החיצוני של שתי אפשרויות העיצוב להגנה מכנית.

החסרונות של ערכת תכנון רתמת החיווט במתח גבוה לעיל הם כדלקמן:
1. מוליכות תרמית נמוכה: עקב מוליכות תרמית נמוכה הנגרמת על ידי שרוולי הגנה ושקעי תיל יצוקים בהזרקה, המוליכות התרמית הצירית של רתמת התיל נמוכה;
2. כתוצאה מהעברת חום נמוכה זו, גודל החוטים גדל, מה שגורם לעלייה במשקל ובעלות של רתמת המתח הגבוה;
3. מבנה מיגון מכני (שוקת תיל): אם הפריסה של רתמת החוט במתח גבוה משתנה, יש לשנות גם את הצורה והמבנה של שוקת התיל, מה שמגדיל את העלות ומאריך את מחזור הפיתוח.
על מנת לבטל את החסרונות הללו, YAXUN פיתחה רתמת חוטי מתח גבוה מוגנת צינורית, שמתקין רתמות חוטי מתח גבוה לא מסוככות לתוך צינורות סגסוגת אלומיניום. צינור פלדה מסגסוגת אלומיניום משלב ביעילות מיגון אלקטרומגנטי והגנה מכנית, כפי שמוצג באיור 5.

בהשוואה לפתרונות שהוזכרו לעיל של מיגון פרטני ומיגון כולל באמצעות שרוולי מגן ותעלות תיל יצוקות בהזרקה, יש לו את היתרונות הבאים:
1. העברת החום הגבוהה של חומרי סגסוגת אלומיניום יכולה להפחית את מפרטי המוליכים של רתמת התיל;
2. הפחת את המשקל של מערכת רתמת החיווט הכוללת במתח גבוה;
3. הסידור וההתקנה של רתמות תיל במתח גבוה קלים וגמישים יותר.
פתרון זה שימש בהונדה INSIGHT (2009), CR-Z ו-Fit Hybrid (2010), ו-FREED Hybrid (2011).
דרך ניסויים, הושוו יכולות פיזור החום של רתמות תיל במתח גבוה המוגנות על ידי צינורות סגסוגת אלומיניום ואלו המוגנים על ידי צינורות פלסטיק פוליפרופילן סטנדרטיים. ניסויים הראו שלצינורות סגסוגת אלומיניום יש יכולות פיזור חום טובות יותר מצינורות פוליפרופילן פלסטיק סטנדרטיים.
הגדרת הבדיקה מוצגת באיור 6. שני הרכיבים ממוקמים על גבי מערכת חימום היוצרת טמפרטורות גבוהות של כ-350 מעלות צלזיוס. דְמוּת 7 מציג את מדידות טמפרטורת פני השטח שנמדדו. לצינורות סגסוגת אלומיניום יש מוליכות תרמית טובה וביצועי העברת החום הצירית שלהם טובים בהרבה ממגני פלסטיק.

ביצועים מצוינים של פיזור חום יכולים להפחית את מפרטי המוליכים של כבלים במתח גבוה ולהפחית את רמת ההתנגדות לטמפרטורה של הכבלים. שני היבטים אלה יכולים להפחית ביעילות את העלות של כבלי מתח גבוה.
בנוסף, בשל עיצוב זה, כבל המתח הגבוה משתנה מכבל מסוכך לכבל לא מסוכך, מבטל את הצורך במעטפת החיצונית של הכבל ובגזע מגן מעוצב בהזרקה, וניתן להפחית את המשקל בערך 18%. כמו כבלי מתח גבוה משתנים מכבלים מסוככים לכבלים לא מסוככים, העיצוב של מחברי מתח גבוה הופך לפשוט יותר.

מאז צינורות פלדה מסגסוגת אלומיניום יש יכולת צורה טובה, רתמות תיל במתח גבוה באמצעות צינורות פלדה מסגסוגת אלומיניום מתאימים יותר להתקנה במהלך הייצור.

רתמת התיל במתח גבוה באמצעות צינור פלדה מסגסוגת אלומיניום היא בעלת קשיחות טובה ואינה צונחת, וניתן להגדיר את המרחק בין הנקודות הקבועות שלו רחוק יותר. בשל הגמישות הגבוהה שלו, קשה להבטיח את מרווח הקרקע של רתמות חוטי מתח גבוה מסורתיות כאשר הן מונחות על השלדה.

כאשר העיצוב של רתמות תיל במתח גבוה באמצעות תעלות תיל מוזרקות משתנה, יש לפתוח מחדש את התבנית או לשנות את התבנית. השימוש בצינורות פלדה מסגסוגת אלומיניום מצריך כיפוף בלבד, מה שמקצר מאוד את מחזור הפיתוח של רתמות חוטי מתח גבוה.

ביצועים חשובים נוספים הם ביצועי המיגון האלקטרומגנטי. דְמוּת 16 שיטת בדיקה לביצועי מיגון אלקטרומגנטי.

לפי תוצאות הבדיקה, לרתמת חוטי המתח הגבוה 0.8MHz יש ביצועי מיגון טובים יותר. גבוה מ-0.8MHz, לרתמות תיל במתח גבוה באמצעות צינורות סגסוגת אלומיניום יש ביצועי מיגון אלקטרומגנטיים טובים יותר.

כי נעשה שימוש בצינורות פלדה מסגסוגת אלומיניום ומסודרים מתחת לשלדת הרכב, בדיקת ביצועים נגד קורוזיה היא חיונית. דְמוּת 18 מראה כי הצינור לאחר בדיקת פגיעת חצץ ומכלול רתמת החיווט לאחר בדיקת ריסוס המלח עומדים בדרישות בדיקת ריסוס המלח.

תַקצִיר: כבלי מתח גבוה לרכב חשמלי משיגים העברת כוח בטוחה ויעילה באמצעות מבנה רב שכבתי, והיישומים שלהם מכסים כוח, מערכות טעינה ועזר. הבחירה שלהם צריכה לשקול באופן מקיף את רמות המתח, דרישות תאימות אלקטרומגנטית והגנה מכנית כדי להבטיח את האמינות והבטיחות של מערכת המתח הגבוה של הרכב‌.