高壓連接沒有通用解決方案

電動(dòng)汽車行業(yè)期待已久的轉(zhuǎn)折點(diǎn)已然到來(lái)，隨著消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的需求越來(lái)越大。隨著日益收緊的法規(guī)、日趨成熟的電池技術(shù)、下降的電池價(jià)格等因素的驅(qū)動(dòng)，整車制造商們正加緊提升電動(dòng)汽車的制造能力。據(jù)波士頓咨詢公司預(yù)測(cè)，電池驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車的全球市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從 2020 年的 3% 飆升至 2035 年的 45%。

這場(chǎng)邁向電動(dòng)汽車架構(gòu)的變革對(duì)汽車制造帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)。汽車基礎(chǔ)架構(gòu)如何支撐日益升高的電壓水平？整車廠如何進(jìn)行成本優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)？設(shè)計(jì)人員如何解決高壓組件的電磁干擾問題？

高壓連接技術(shù)的應(yīng)用在解決電動(dòng)汽車開發(fā)挑戰(zhàn)中起著十分重要的作用。然而，在技術(shù)應(yīng)用的初期階段，各種方案紛紛登場(chǎng)，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)卻寥寥無(wú)幾。因而，對(duì)一級(jí)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，為整車廠提供靈活的解決方案就變得十分關(guān)鍵，以保證整車廠能夠根據(jù)自己的個(gè)性化設(shè)計(jì)要求，靈活地對(duì)整車重量、質(zhì)量和成本進(jìn)行優(yōu)化。因此說(shuō)，高壓連接需要靈活的解決方案。

將一切連接在一起

高壓連接技術(shù)在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。高壓導(dǎo)線及連接口將電流從 AC/DC 充電接口導(dǎo)向車輛電池，而后將電力分配于分布在整車架構(gòu)中的各個(gè)電動(dòng)設(shè)備，包括電動(dòng)機(jī)、逆變器等大功率設(shè)備，空調(diào)、加熱器等輔助設(shè)備，以及配電箱、電池?cái)嚅_裝置等電氣中心設(shè)備。

要為整車中這么多子設(shè)備供電，電氣架構(gòu)本就非常復(fù)雜，更糟的是，目前行業(yè)沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或普遍接受的模板可供參考的情況下，整車廠們各自定義電氣架構(gòu)的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)，甚至同一家整車廠的不同品牌、不同車型的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。甚至同一品牌的汽車，由于尺寸、重量、或者車輛是否有需要額外功率的豪華功能等，電氣架構(gòu)都會(huì)有很大的不同。

因此，與整車廠合作的電氣架構(gòu)合作伙伴的能力就非常重要。他要能夠根據(jù)整車的特定要求，幫助整車廠設(shè)計(jì)高效、安全、性能可靠、并且最具成本效益的定制化電氣架構(gòu)，同時(shí)，他還需具備相應(yīng)的技術(shù)專長(zhǎng)和完整的產(chǎn)品線，能夠交付全面的集成式解決方案。

挑戰(zhàn)

曾幾何時(shí)，混合動(dòng)力汽車還被視作邁向純電動(dòng)汽車的合理過渡。然而，據(jù)波士頓咨詢公司的調(diào)查，今天考慮購(gòu)置電動(dòng)汽車的消費(fèi)者更有可能選擇購(gòu)置純電動(dòng)汽車而非混合動(dòng)力汽車，而且純電動(dòng)汽車的銷量已經(jīng)是插電式混合動(dòng)力汽車的兩倍。

這個(gè)轉(zhuǎn)變?cè)诩軜?gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)整車廠帶來(lái)了重大影響，因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車不僅必須為驅(qū)動(dòng)車輛的車輪提供電力，還必須同時(shí)為車內(nèi)其它設(shè)備運(yùn)行提供電力；而在燃?xì)鈩?dòng)力或混合動(dòng)力汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅為驅(qū)動(dòng)汽車提供動(dòng)力，還為車內(nèi)其它設(shè)備提供電力。沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)，純電動(dòng)汽車必須采用全新的電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)。

從內(nèi)燃機(jī)或混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向純電動(dòng)車型，需要采用更粗更重的導(dǎo)線及連接器，以適配更大的功率。然而，車輛底盤的空間有限，而大功率配電系統(tǒng)尺寸卻更大、更重，這為車輛封裝設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

另一個(gè)主要趨勢(shì)是電池變得更大、更重，以解決消費(fèi)者的“里程焦慮”。阻礙電動(dòng)汽車銷售的最大因素是對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不足的擔(dān)憂，消費(fèi)者擔(dān)心車輛電量耗盡了，而自己距離最近的充電站還很遠(yuǎn)。

當(dāng)下，整車廠大多選擇安裝更大、更重的電池來(lái)增大續(xù)航里程，擠占了電氣系統(tǒng)的空間。因此，電氣系統(tǒng)采用更輕、更小的組件來(lái)抵消增加的電池空間及重量，也變得十分重要。

值得慶幸的是，我們已經(jīng)找到了一些創(chuàng)新方法，達(dá)到減輕電氣系統(tǒng)的重量、減少導(dǎo)線和接頭的數(shù)量、減小電子組件的尺寸的目的，同時(shí)，還使車輛組裝變得更加安全、更加簡(jiǎn)單。

屏蔽、布線和連接器

在決策電氣架構(gòu)時(shí)，行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)包括如何保證導(dǎo)線的屏蔽性以避免電子電磁干擾、連接器的安全性、采用銅質(zhì)導(dǎo)線還是鋁質(zhì)導(dǎo)線、以及如何減少布線總量，等等。

屏蔽電磁干擾

高壓電氣組件比傳統(tǒng)布線更復(fù)雜，尤其是還要考慮到電磁干擾的屏蔽。更高的功率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁噪聲，因此，導(dǎo)線必須被包裹起來(lái)，以屏蔽電磁干擾。

目前有四種基本的屏蔽方案，取決于具體的應(yīng)用情況，每種方案都有其優(yōu)勢(shì)及不足：

單芯屏蔽：是當(dāng)下針對(duì)輔助連接器和電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用最廣泛的屏蔽方法。每根導(dǎo)線都包裹在金屬編織物中，在達(dá)到屏蔽的目的同時(shí)，保持了導(dǎo)線的柔性。單芯屏蔽的導(dǎo)線布線和彎曲導(dǎo)線會(huì)更容易，方便線束制造商進(jìn)行組裝。

多芯屏蔽：指將多條導(dǎo)線包裹在一個(gè)屏障內(nèi)，其體積比采用單芯屏蔽更大且柔性稍差，不過這樣可以簡(jiǎn)化布線和連接。多芯屏蔽最常用于輔助連接器。

捆綁屏蔽：使用外部編織層進(jìn)行屏蔽。與多芯屏蔽相似，捆綁屏蔽由于尺寸、重量和柔性方面的缺點(diǎn)而不如單芯屏蔽應(yīng)用廣泛，不過，取決于導(dǎo)線長(zhǎng)度和應(yīng)用方式，它可以以低廉的成本實(shí)現(xiàn)出眾的屏蔽性能。

無(wú)屏蔽導(dǎo)線：某些線束也可采用無(wú)屏蔽導(dǎo)線，以優(yōu)化成本。無(wú)屏蔽導(dǎo)線可應(yīng)用在與無(wú)屏蔽的電網(wǎng)設(shè)施相連的充電線束上，主要在車輛靜止時(shí)使用。無(wú)屏蔽導(dǎo)線也可應(yīng)用在其它線束中，不過需要添加其它抗干擾設(shè)備。

除此之外，還有一些其它屏蔽方案，整車廠可以根據(jù)需要選擇。

布線

就汽車電氣化進(jìn)程而言，每減少一克重量都很重要，因此，對(duì)布線進(jìn)行優(yōu)化將起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)椴季€不僅涉及到高壓電氣組件，還涉及到汽車中數(shù)百個(gè)低壓電氣組件。通過復(fù)雜的優(yōu)化，安波福曾幫助一家整車廠將總體布線質(zhì)量減少了10% ，將導(dǎo)線長(zhǎng)度縮短了 150米。在另一個(gè)案例中，安波福成功幫助一家 SUV制造商將導(dǎo)線長(zhǎng)度縮短了300 米，使配電系統(tǒng)的質(zhì)量減少了15%。

另一個(gè)減重的方法是用鋁導(dǎo)線替代銅導(dǎo)線。但是，應(yīng)用鋁導(dǎo)線時(shí)，鋁導(dǎo)線與銅質(zhì)連接器之間會(huì)出現(xiàn)腐蝕。這個(gè)難題今天已經(jīng)得到了解決，工程師們?cè)阡X導(dǎo)線或端子處，采用一種預(yù)防腐蝕的輕質(zhì)涂層，從而克服了這一難題。用鋁導(dǎo)線替代銅導(dǎo)線可以減少多達(dá) 50%的布線質(zhì)量和成本。

拼接連接器的應(yīng)用也減少了導(dǎo)線用量及成本。拼接連接器可以使電池與多個(gè)設(shè)備連接，而無(wú)需下游連接中心，因而減少了汽車內(nèi)的連接器數(shù)量和布線量。

聯(lián)合應(yīng)用拼接連接器和高壓輔助連接器，將有助于減少汽車上的連接器數(shù)量，簡(jiǎn)化整體架構(gòu)。

接線橋

在布線設(shè)計(jì)中，除了要盡量減輕布線的重量，節(jié)省布線空間也是工程師們考慮的重要方面。連接橋的應(yīng)用可以替代圓形導(dǎo)線，不僅節(jié)省了空間，也使組裝更加方便，因此，它還有助于提高自動(dòng)化組裝水平，使組裝質(zhì)量及統(tǒng)一性進(jìn)一步提高。安波福開發(fā)了獨(dú)有的連接設(shè)計(jì)解決方案，解決了連接橋的熱膨脹和屏蔽問題。

四路拼接連接器

四路拼接連接器可以幫助整車減少連接器數(shù)量從而優(yōu)化架構(gòu)

• 電池上的一個(gè)連接器可以為多個(gè)設(shè)備供電

• 無(wú)需部署下游 連接 中心

端子

有兩種類型的端子可供選擇，具體將取決于車輛架構(gòu)的特定設(shè)計(jì)。套管式設(shè)計(jì)更重，但也更緊湊。箱葉式設(shè)計(jì)更薄、更易于生產(chǎn)且更方便與連接橋連接。

安全的插配方案

要保證高壓電源安全地為經(jīng)常受到振動(dòng)、顛簸、行駛過坑洼路面或遭遇輕微碰撞等情況的汽車供電，電源插配的安全性對(duì)每個(gè)人而言都至關(guān)重要，這包括組裝、修理車輛的人員和駕駛車輛的人員。

在裝配方面，高壓互鎖回路技術(shù) (HVIL) 可確保導(dǎo)線與設(shè)備安全的連接。HVIL是一種斷路器，如果工人不小心插錯(cuò)了連接器，此時(shí)，互鎖斷開，設(shè)備將自動(dòng)斷開電源。一些整車廠甚至正在考慮在系統(tǒng)層面應(yīng)用此技術(shù)。

與應(yīng)用杠桿或滑塊機(jī)構(gòu)的小型連接器不同，高壓連接采用的大型連接器需要在插拔方案方面進(jìn)行創(chuàng)新。螺栓式連接器在對(duì)汽車進(jìn)行安裝修理時(shí)需要輔助工具，但它可以測(cè)量扭矩，而且可以追溯。杠桿式連接器安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿需要一定的空間?；瑝K式連接器同樣需要預(yù)留空間，不過，只需要預(yù)留一個(gè)方向上的空間，而且，它可以在有限的空間里實(shí)現(xiàn)表面壓力最大化。出于多種多樣的考慮因素，每家整車廠都有自己的偏好，選擇哪種方案完全取決于車輛的設(shè)計(jì)以及哪種方案符合整車廠的生產(chǎn)線條件。

我們的目標(biāo)是明確的，那就是要絕對(duì)確保連接安全鎖定，并防止在不利的駕駛條件連接處產(chǎn)生松動(dòng)。

高壓輔助連接器

隨著傳統(tǒng)燃油汽車逐步讓位于電動(dòng)汽車，通常由發(fā)動(dòng)機(jī)供電的車內(nèi)設(shè)備轉(zhuǎn)而開始依賴汽車的高壓電氣架構(gòu)供電。原來(lái)的一些12V 設(shè)備（如加熱器、空調(diào)、車載充電器、或一些通常而言低于100 安培的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）還可以轉(zhuǎn)而采用高電壓，提高運(yùn)行效率。輔助設(shè)備的高壓連接器需要實(shí)現(xiàn)緊湊的封裝，從而在提供所需電源的同時(shí)，盡量地節(jié)約空間，減小體積。

輔助設(shè)備的連接器解決方案多種多樣，包括單獨(dú)屏蔽、多芯屏蔽、捆綁屏蔽和無(wú)屏蔽系統(tǒng)。四路和拼接連接器可以通過一個(gè)連接器為多個(gè)設(shè)備供電，從而減少布線，降低成本，體現(xiàn)了創(chuàng)新性。不同的整車廠可能會(huì)根據(jù)各自整車的架構(gòu)特征在設(shè)計(jì)決策方面采取不同的方案。

另一個(gè)需要考慮的重要問題是確保連接器可以承受高頻振動(dòng)。令工程師們擔(dān)憂的是，隨著時(shí)間，振動(dòng)可能使端子連接處出現(xiàn)微磨損，使阻力增加。與內(nèi)燃機(jī)汽車比，消費(fèi)者期望電動(dòng)汽車的使用壽命更長(zhǎng)，易磨損運(yùn)動(dòng)部件更少，因此，連接器也需要更加經(jīng)久耐用。

電源轉(zhuǎn)換連接器

車輛中的一些設(shè)備需要更高的功率才能運(yùn)行，如電機(jī)、電池、逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，可能需要高達(dá)400A的電流。電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的連接形狀和配置各異，以質(zhì)地劃分有塑料或金屬質(zhì)地，以形狀劃分則有直通、直管或直角式連接器，以配置劃分有單向、兩向或三向配置，以屏蔽方式劃分則分為單芯式、捆綁式或無(wú)屏蔽式，等等。在更高的電流環(huán)境下，設(shè)計(jì)合理安全，且在溫度、振動(dòng)、密封和屏蔽方面性能穩(wěn)健的連接系統(tǒng)更加重要。當(dāng)然，沒有一種方案適用于所有的場(chǎng)景，一切都取決于哪種選擇對(duì)具體的車輛架構(gòu)最合適。

當(dāng)然，這些針對(duì)架構(gòu)的決策不會(huì)憑空做出，一切都以優(yōu)化整體架構(gòu)的系統(tǒng)集成、降低成本、節(jié)省空間、減輕重量為核心。整車廠還必須考慮這些設(shè)計(jì)決策是否有助于簡(jiǎn)化整車的組裝，尤其是對(duì)那些希望盡可能提高自動(dòng)化組裝的整車廠來(lái)說(shuō)，更是如此。

面向未來(lái)的1000-VO LT 連接

電池技術(shù)發(fā)展迅速，整車廠因而可以為車輛配備容量更大的新款電池，延長(zhǎng)續(xù)航里程。當(dāng)前，車輛電池可以提供大約 50 千瓦時(shí)的電力，但隨著能量密度的提升和電池成本的迅速降低，未來(lái)的電池容量正在逐步攀升至200千瓦時(shí)。

雖然容量的提升可以幫助消費(fèi)者消除里程焦慮并提供更強(qiáng)勁的加速度，但為電池設(shè)計(jì)合理的充電時(shí)長(zhǎng)又成為了一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。

為了縮短充電時(shí)間，可以通過增加電流、增加電壓或同時(shí)增加電流及電壓的方法。增加電流的方法需要在架構(gòu)中采用更粗的導(dǎo)線，這會(huì)增加成本和重量，占用更多空間。因此，工程師們也在考慮以增加電壓的方法來(lái)縮短充電時(shí)間。

比如，一輛安裝100 kWh電池組的電動(dòng)汽車，250A和400V充電大約需要48分鐘才能充滿80%的電量，而電壓增加到800V，充電時(shí)間可以縮短一半。

電壓更高則充電速度更快，產(chǎn)生熱量更少，導(dǎo)線或連接橋可以更細(xì)。

增加電壓意味著需要確保組件和端子之間、以及端子與接地/屏蔽之間留有安全距離。設(shè)計(jì)時(shí)必須將空氣間隙距離和表面爬電距離同時(shí)考慮在內(nèi)，以防止產(chǎn)生電弧或小股電流從一個(gè)端子流向另一個(gè)端子。

安波福的高壓連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)可承受高達(dá)1000伏的高壓，不僅可以滿足當(dāng)前最高功率的電池組的需求，同時(shí)滿足整車廠未來(lái)采用更高功率電池組的需求。

整車廠應(yīng)該關(guān)注什么

成功從燃油汽車過渡到純電動(dòng)汽車的整車廠，將是那些在開發(fā)安全、高效、具有成本效益、且能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)的電氣化方案方面脫穎而出的企業(yè)。

面對(duì)電池變得更大、更重這一趨勢(shì)，減少高壓連接器等電氣架構(gòu)組件的尺寸和重量是重要的挑戰(zhàn)。然而解決這一問題并沒有一個(gè)通用的解決方案。

整車廠需要與能夠?yàn)殚_發(fā)整車或系統(tǒng)級(jí)方案提供經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)新和定制服務(wù)的電氣化技術(shù)供應(yīng)商合作，而不是零敲碎打地尋求解決方案。

安波福深知，要解決汽車電氣化挑戰(zhàn)，僅著眼電池及高壓連接系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；高壓及低壓電氣架構(gòu)、以及整體架構(gòu)的優(yōu)化，同樣重要。

作為汽車電氣化領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，安波福可以通過合作提供涵蓋充電導(dǎo)線、接口、接線、連接橋、連接器、配電箱、電池?cái)嚅_裝置等全面的產(chǎn)品組合。安波福遍布全球的生產(chǎn)基地實(shí)現(xiàn)了高水平的垂直統(tǒng)一管理，以保證在全球的主要市場(chǎng)為整車廠提供高效的本地支持。

除此之外，安波福獨(dú)有的專利技術(shù)，如集成連接器拼接技術(shù)，為整車客戶提供獨(dú)特的價(jià)值。安波福還率先推出了鋁導(dǎo)線技術(shù)。安波福豐富的連接器及導(dǎo)線產(chǎn)品組合，以及系統(tǒng)集成能力，使我們成為整車廠的理想合作伙伴。最為重要的是，我們對(duì)高壓連接技術(shù)如何應(yīng)用于下一代整車電子電氣架構(gòu)擁有獨(dú)特的見解（詳情請(qǐng)參考安波福智能汽車架構(gòu)Smart Vehicle Architecture?方案）。