องค์ประกอบและการประยุกต์ใช้สายเคเบิลเชื่อมต่อ EV HV

ข้อกำหนดโครงร่างของชุดสายไฟแรงสูง EV HV, รวมถึงตำแหน่งด้วย, การตรึงและขนาด, เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของสายเคเบิล, แต่เน้นการจัดวางเป็นหลัก, ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ในส่วนของการสมัคร. มีการอธิบายโครงสร้างของสายไฟฟ้าแรงสูงโดยละเอียด, รวมถึงตัวนำด้วย, ชั้นป้องกัน, ชั้นฉนวน, เป็นต้น, ซึ่งน่าจะตอบโจทย์การเรียบเรียงได้โดยตรง. ส่วนการใช้งานกล่าวถึงการส่งกำลังจากแบตเตอรี่ไปยังมอเตอร์, อินเวอร์เตอร์, เป็นต้น, ตลอดจนการส่งสัญญาณ, ซึ่งก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน.

อุปกรณ์เชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูง, ซึ่งกล่าวถึงระดับแรงดันไฟฟ้าของสายไฟฟ้าแรงสูง, ชนิดมีชีลด์และไม่มีชีลด์, และความแตกต่างระหว่าง single-core และ multi-core, ซึ่งเป็นรายละเอียดองค์ประกอบทั้งหมด. ด้านการใช้งานกล่าวถึงการส่งกำลังระหว่างอุปกรณ์ไฟฟ้า, เช่น มอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก, ระบบปรับอากาศ, เป็นต้น, ซึ่งจำเป็นต้องนำมารวมกับเนื้อหาเหล่านี้. อธิบายส่วนประกอบของชุดสายไฟแรงสูงไว้โดยย่อ, รวมถึงตัวเชื่อมต่อ, อาคารผู้โดยสาร, สายไฟ, เป็นต้น, ซึ่งอาจเสริมข้อมูลของส่วนประกอบต่างๆ.

ส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูง, ซึ่งระบุว่าสายไฟฟ้าแรงสูงเชื่อมต่อกับชุดแบตเตอรี่, ที่ชาร์จและส่วนประกอบอื่นๆ, เน้นความเป็นฉนวนและทนต่อแรงดันไฟฟ้า, และจำเป็นต้องอ้างอิงส่วนของแอปพลิเคชันนี้. ชุดสายไฟระหว่างพอร์ตชาร์จเร็วและกล่องไฟฟ้าแรงสูงใช้สายไฟฟ้าแรงสูง, และควรพิจารณาสถานการณ์จำลองแอปพลิเคชันส่วนนี้ด้วย.

องค์ประกอบและการประยุกต์ใช้สายเคเบิลเชื่อมต่อ EV HV

ส่วนประกอบของสายเชื่อมต่อ EV HV ควรมีวัสดุตัวนำด้วย (ทองแดงหรืออลูมิเนียม), ชั้นป้องกันตัวนำ, ชั้นฉนวน, ชั้นป้องกันฉนวน, ชั้นป้องกันโลหะ, และฝาครอบป้องกัน. ลักษณะการใช้งานเกี่ยวข้องกับการส่งกำลัง (แบตเตอรี่กับมอเตอร์, อินเวอร์เตอร์, เป็นต้น), ระบบชาร์จ (ชาร์จเร็ว/ชาร์จช้า), ระบบเสริม (เครื่องปรับอากาศ, เครื่องทำความร้อน PTC), การออกแบบอีเอ็มซี, ฯลฯ.

1. ส่วนประกอบของสายเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
สายเคเบิลไฟฟ้าแรงสูงเป็นส่วนประกอบหลักของการส่งพลังงานไฟฟ้าในยานพาหนะไฟฟ้า. การออกแบบโครงสร้างต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของไฟฟ้าแรงสูง, ความเข้ากันได้ในปัจจุบันและแม่เหล็กไฟฟ้าสูง. ส่วนใหญ่จะรวมถึงระดับต่อไปนี้:

‌ผู้ควบคุมวง‌
ทองแดง (การนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม) หรืออลูมิเนียม (น้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำ) ใช้เป็นวัสดุหลัก, รับผิดชอบในการส่งสัญญาณปัจจุบัน‌.
‌ชั้นป้องกันตัวนำ‌
พันตัวนำเพื่อการกระจายสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอและป้องกันการคายประจุบางส่วน.
​ชั้นฉนวน
วัสดุไฟฟ้าแรงสูง (เช่น โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมขวาง) ใช้สำหรับป้องกันฉนวนไฟฟ้าเพื่อป้องกันการรั่วซึมหรือไฟฟ้าลัดวงจร.
​ชั้นป้องกันฉนวน
ปรับการกระจายสนามไฟฟ้าให้เหมาะสมยิ่งขึ้น และลดความเสียหายจากความเครียดทางไฟฟ้าต่อสายเคเบิล‌.
‌ชั้นป้องกันโลหะ‌
ทำจากทองแดงถักเปียหรืออลูมิเนียมฟอยล์, มันระงับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (อีเอ็มไอ) และปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (อีเอ็มซี)‌.
‌ฝาครอบป้องกัน‌
โครงสร้างป้องกันด้านนอกมีลักษณะต้านทานการสึกหรอ, ทนต่ออุณหภูมิสูง, ความต้านทานการกัดกร่อน, เป็นต้น, และเหมาะสมกับสภาพการทำงานที่ซับซ้อน‌.

‌ประเภทการออกแบบพิเศษ‌:
cable shielded ‌: ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านชั้นป้องกันโลหะ, เหมาะสำหรับฉากที่มีข้อกำหนด EMC สูง‌.
‌สายเคเบิลที่ไม่มีฉนวนหุ้ม‌: ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนต่ำ, ต้นทุนที่ต่ำกว่า‌.
‌สายเคเบิลแบบคอร์เดียว/มัลติคอร์‌: สายเคเบิลแกนเดี่ยวเหมาะสำหรับการส่งกระแสไฟฟ้าสูง (เช่น แหล่งจ่ายไฟของมอเตอร์), และสายเคเบิลแบบมัลติคอร์ใช้สำหรับการส่งสัญญาณคอมโพสิตแบบหลายสัญญาณ‌.

2. การใช้สายเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
สายไฟฟ้าแรงสูงใช้สำหรับการส่งกำลังและควบคุมสัญญาณในระบบไฟฟ้าแรงสูงของรถยนต์ทั้งคัน. สถานการณ์การใช้งานหลัก ได้แก่:

‌ระบบส่งกำลังไฟฟ้า‌
เชื่อมต่อแบตเตอรี่ไฟฟ้ากับมอเตอร์ขับเคลื่อน, อินเวอร์เตอร์, ตัวแปลง DC/DC และส่วนประกอบอื่นๆ เพื่อส่ง DC หรือ AC แรงดันสูง 200-1500V.

ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดความหนาแน่นกระแสสูง (เช่นการจัดแนวสมมาตรของสายสามเฟสของมอเตอร์).

‌ระบบชาร์จ‌
อินเทอร์เฟซการชาร์จที่รวดเร็ว: เชื่อมต่อพอร์ตชาร์จเร็วกับกล่องจ่ายไฟแรงสูง (พีดียู) เพื่อรองรับการชาร์จ DC กำลังสูง.

‌อินเทอร์เฟซการชาร์จช้า‌: เชื่อมต่อเครื่องชาร์จออนบอร์ด (โอบีซี) ด้วยก้อนแบตเตอรี่เพื่อส่งสัญญาณ AC.

‌ระบบเสริมไฟฟ้าแรงสูง‌
จ่ายไฟให้กับคอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศ, เครื่องทำความร้อน PTC, ระบบบังคับเลี้ยว/เบรกไฟฟ้า, ฯลฯ.

‌การเพิ่มประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า‌
สายเคเบิลหุ้มฉนวนถูกใช้ในเส้นทางคีย์ (เช่นแบตเตอรี่ถึงสายมอเตอร์) เพื่อลดผลกระทบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ.

3. ข้อกำหนดทางเทคนิคทั่วไป
‌ระดับแรงดันไฟฟ้า‌: AC 600V/DC 900V หรือ AC 1000V/DC 1500V, จับคู่ตามความต้องการของส่วนประกอบ, พลังงานแบตเตอรี่, ขับเคลื่อนมอเตอร์, ฯลฯ.
‌ระยะห่างคงที่‌: ≤300มม. เมื่อพื้นที่หน้าตัดมากกว่า 16 มม.²; ≤200มม. เมื่อ ≤16 มม.², หลีกเลี่ยงการแขวนหรืองอมากเกินไป, การยึดและการจัดวางชุดสายไฟ
‌ระยะห่างด้านความปลอดภัย‌: ช่องว่างกับชิ้นส่วนที่อยู่กับที่คือ ≥10มม, หลีกเลี่ยงพื้นที่การเสียรูปของการชนกัน (เช่นคานกันการชน, ประตูรถ)‌

ชุดสายไฟรถยนต์พลังงานใหม่แบบดั้งเดิมประกอบด้วยสายไฟและรางลวดพลาสติก. เนื่องจากรางพลาสติกมีการระบายความร้อนไม่ดี, มัดสายไฟแรงสูงต้องใช้สายเกจขนาดใหญ่เพื่อลดผลกระทบจากความร้อน. นอกจากนี้, การเปลี่ยนแปลงและพัฒนาการออกแบบแม่พิมพ์ป้องกันรางลวดใหม่มีค่าใช้จ่ายสูงและวงจรการผลิตยาวนาน. ดังนั้นเราจึงเห็นวิธีแก้ปัญหาชุดสายไฟหุ้มท่อ, ตัวแทนคือชุดสายไฟแรงสูงซูมิโตโม.
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของรถยนต์พลังงานใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา. ส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูง, เช่นมอเตอร์, อินเวอร์เตอร์และแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูง, ยังมีการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง. ชุดสายไฟแรงสูงที่เชื่อมต่ออยู่ก็มีการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง. ยานพาหนะต้องการชุดสายไฟแรงสูงอย่างเร่งด่วนเพื่อลดต้นทุน, น้ำหนักและพื้นที่การจัดวาง.

รูป 1 แสดงลำดับเวลาสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ชุดสายไฟแรงสูงจำนวนมาก. ใน 1999, บริษัทของเราเริ่มการผลิตผลิตภัณฑ์ชุดสายไฟแรงสูงสำหรับ Honda INSIGHT ในปริมาณมาก. การพัฒนาชิ้นส่วนชุดสายไฟแรงสูงอย่างครอบคลุมครั้งแรก, เช่นสายไฟ, ขั้วต่อและขั้วต่อ, เริ่มใน 2001 สำหรับรถยนต์ไฮบริด โตโยต้า ESTIMA. ในแง่ของเทอร์มินัล, ตัวเชื่อมต่อแบบสลักเกลียวและแบบปลั๊กสองประเภทได้รับการพัฒนาตามข้อกำหนดทางเทคนิคของอินเทอร์เฟซการเชื่อมต่อ. การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยสายเคเบิลที่มีการป้องกันแยกกัน, จากนั้นจึงได้แนะนำเกราะป้องกันชุดสายไฟแบบถักสำหรับ Toyota Prius 2003, และแนะนำเทคโนโลยีบังท่อตัวแรกสำหรับ Honda CIVICHYBRID ค่ะ 2005. ข้อกำหนดอุณหภูมิสูงสุดสำหรับชุดสายไฟแรงสูงก็เปลี่ยนจากเดิม 120°C เป็น 150°C.

รูป 2 แสดงการใช้งานผลิตภัณฑ์ชุดสายไฟแรงสูงในรุ่น HEV. ทางด้านขวา, จะแสดงชุดสายไฟมัดรวม, ปลอดภัยโดยใช้รางลวด. ที่มุมซ้ายล่างคือชุดสายไฟมอเตอร์. ขั้วต่อมีการยึดติดและป้องกันโดยรวม.

เพื่อป้องกันไม่ให้ชุดสายไฟแรงสูงทำให้เกิดการรบกวนกับชุดสายไฟแรงดันต่ำ, วิทยุ, เป็นต้น, การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับชุดสายไฟแรงสูง. นอกจากนี้, ชุดสายไฟแรงสูงส่วนใหญ่ของรถยนต์พลังงานใหม่จะเดินสายไฟบนแชสซีส์, และประสิทธิภาพการป้องกันทางกลก็มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับชุดสายไฟแรงสูง.
ด้านซ้ายของรูป 3 แสดงชุดสายไฟแรงสูงที่มีฉนวนหุ้มแยกกัน. สายไฟแต่ละเส้นหุ้มด้วยชีลด์ถักทองแดง, โดยมีรูปแบบการป้องกันโดยรวมทางด้านขวา. ไม่มีชีลด์ถักแยกต่างหากด้านนอกสายเคเบิล, แต่เป็นการป้องกันโดยรวมที่ด้านนอกของสายไฟฟ้าแรงสูงหลายเส้น. ที่ 2003 Toyota Prius ใช้การออกแบบชุดสายไฟแรงสูงแบบมีฉนวนหุ้มโดยรวมเพื่อลดความซับซ้อนของโครงสร้างชุดสายไฟและลดจำนวนส่วนประกอบที่จำเป็น, จึงช่วยลดต้นทุนของระบบลากสายไฟฟ้าแรงสูงโดยรวม. รูป 4 แสดงการใช้ปลอกป้องกันและรางลวดฉีดขึ้นรูปที่ด้านนอกของตัวเลือกการออกแบบทั้งสองสำหรับการป้องกันทางกล.

ข้อเสียของโครงร่างการออกแบบชุดสายไฟแรงสูงข้างต้นมีดังนี้:
1. การนำความร้อนต่ำ: เนื่องจากการนำความร้อนต่ำเกิดจากปลอกป้องกันและรางลวดฉีดขึ้นรูป, ค่าการนำความร้อนตามแนวแกนของชุดสายไฟต่ำ;
2. จากการถ่ายเทความร้อนต่ำนี้, ขนาดของสายไฟเพิ่มขึ้น, ส่งผลให้น้ำหนักและราคาของชุดสายไฟแรงสูงเพิ่มขึ้น;
3. โครงสร้างการป้องกันทางกล (รางลวด): หากโครงร่างของชุดสายไฟแรงสูงมีการเปลี่ยนแปลง, จำเป็นต้องเปลี่ยนรูปร่างและโครงสร้างของรางลวดด้วย, ซึ่งเพิ่มต้นทุนและยืดวงจรการพัฒนาให้ยาวนานขึ้น.
เพื่อขจัดข้อบกพร่องเหล่านี้, YAXUN พัฒนาชุดสายไฟแรงสูงแบบหุ้มท่อ, ซึ่งติดตั้งชุดสายไฟแรงสูงแบบไม่หุ้มฉนวนเข้ากับท่ออะลูมิเนียมอัลลอยด์. ท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมผสมผสานการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกันทางกลเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพ, ดังแสดงในรูป 5.

เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ของการป้องกันส่วนบุคคลและการป้องกันโดยรวมโดยใช้ปลอกป้องกันและท่อลวดที่ฉีดขึ้นรูป, มันมีข้อดีดังต่อไปนี้:
1. การถ่ายเทความร้อนสูงของวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมสามารถลดข้อกำหนดเฉพาะของตัวนำของชุดสายไฟได้;
2. ลดน้ำหนักของระบบชุดสายไฟแรงสูงโดยรวม;
3. การจัดเรียงและการติดตั้งชุดสายไฟแรงสูงทำได้ง่ายและยืดหยุ่นมากขึ้น.
โซลูชันนี้ถูกนำมาใช้ใน Honda INSIGHT (2009), ซีอาร์-ซี และ ฟิต ไฮบริด (2010), และฟรีดไฮบริด (2011).
ผ่านการทดลอง, เปรียบเทียบความสามารถในการกระจายความร้อนของชุดสายไฟแรงสูงที่หุ้มด้วยท่อโลหะผสมอลูมิเนียมและที่หุ้มด้วยท่อพลาสติกโพลีโพรพิลีนมาตรฐาน. การทดลองแสดงให้เห็นว่าท่อโลหะผสมอลูมิเนียมมีความสามารถในการกระจายความร้อนได้ดีกว่าท่อพลาสติกโพลีโพรพีลีนมาตรฐาน.
การตั้งค่าการทดสอบจะแสดงในรูป 6. ส่วนประกอบทั้งสองวางอยู่บนระบบทำความร้อนที่สร้างอุณหภูมิสูงประมาณ 350°C. รูป 7 แสดงการวัดอุณหภูมิพื้นผิวที่วัดได้. ท่อโลหะผสมอลูมิเนียมมีค่าการนำความร้อนที่ดีและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนตามแนวแกนดีกว่าตัวป้องกันพลาสติกมาก.

ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ยอดเยี่ยมนี้สามารถลดข้อกำหนดตัวนำของสายไฟฟ้าแรงสูงและลดระดับความต้านทานต่ออุณหภูมิของสายเคเบิล. ทั้งสองด้านนี้สามารถลดต้นทุนของสายไฟฟ้าแรงสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ.
นอกจากนี้, เนื่องจากการออกแบบนี้, สายไฟฟ้าแรงสูงเปลี่ยนจากสายมีชีลด์เป็นสายไม่มีชีลด์, ไม่จำเป็นต้องใช้ปลอกหุ้มด้านนอกของสายเคเบิลและรางป้องกันแบบฉีดขึ้นรูป, และน้ำหนักก็จะลดลงได้ประมาณ 18%. เนื่องจากสายเคเบิลไฟฟ้าแรงสูงถูกเปลี่ยนจากสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มเป็นสายเคเบิลที่ไม่มีฉนวนหุ้ม, การออกแบบขั้วต่อไฟฟ้าแรงสูงจะง่ายขึ้น.

เนื่องจากท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมมีความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี, ชุดสายไฟแรงสูงที่ใช้ท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมเอื้อต่อการติดตั้งระหว่างการผลิตมากกว่า.

ชุดสายไฟแรงสูงที่ใช้ท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมมีความแข็งแกร่งดีและไม่หย่อนคล้อย, และสามารถกำหนดระยะห่างระหว่างจุดคงที่ได้ไกลยิ่งขึ้น. เนื่องจากมีความคล่องตัวสูง, เป็นเรื่องยากที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีระยะห่างจากพื้นของชุดสายไฟแรงสูงแบบเดิมเมื่อวางไว้บนแชสซี.

เมื่อการออกแบบชุดสายไฟแรงสูงที่ใช้ท่อลวดฉีดขึ้นรูปมีการเปลี่ยนแปลง, จำเป็นต้องเปิดแม่พิมพ์อีกครั้งหรือจำเป็นต้องแก้ไขแม่พิมพ์. การใช้ท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมต้องใช้การดัดเท่านั้น, ซึ่งช่วยลดระยะเวลาการพัฒนาชุดสายไฟแรงสูงได้อย่างมาก.

ประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดอีกประการหนึ่งคือประสิทธิภาพการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. รูป 16 วิธีทดสอบประสิทธิภาพการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า.

โดยพิจารณาจากผลการทดสอบ, ชุดสายไฟแรงดันสูงสายเคเบิลหุ้มฉนวนความถี่ 0.8MHz มีประสิทธิภาพการป้องกันที่ดีกว่า. สูงกว่า 0.8MHz, ชุดสายไฟแรงสูงที่ใช้ท่อโลหะผสมอลูมิเนียมมีประสิทธิภาพในการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีกว่า.

เนื่องจากมีการใช้ท่อเหล็กโลหะผสมอลูมิเนียมและจัดเรียงไว้ใต้โครงรถ, การทดสอบประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนถือเป็นสิ่งสำคัญ. รูป 18 แสดงให้เห็นว่าท่อหลังการทดสอบแรงกระแทกของกรวดและชุดสายไฟหลังการทดสอบสเปรย์เกลือตรงตามข้อกำหนดของการทดสอบสเปรย์เกลือ.

สรุป: สายเคเบิลไฟฟ้าแรงสูงของรถยนต์ไฟฟ้าให้การส่งผ่านพลังงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพผ่านโครงสร้างหลายชั้น, และการใช้งานครอบคลุมถึงพลัง, ระบบชาร์จและเสริม. การเลือกของพวกเขาจำเป็นต้องพิจารณาระดับแรงดันไฟฟ้าอย่างครอบคลุม, ข้อกำหนดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกันทางกลเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของระบบไฟฟ้าแรงสูงของยานพาหนะ.