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新能源汽车线束的布置方案及EMC电磁干扰的防护设计浅析

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导读:近年来随着新能源汽车的日益发展,积极响应国家节能减排,推广使用新能源,发展循环经济的号召。车生产厂分别推出了自己的新能源汽车产品,其中包括纯电动汽车、混合动力汽车。进而随着技术的逐步完善,已趋于用电力取代了传统的燃料作为汽车的动力来源。

1.摘要

对于新能源车辆的设计及研究,存在着各种设计方面困扰和新的设计理念的诞生,整车线束作为车辆的信号传输、整车供电、车辆功能实现的主要连接及传输系统,在设计过程中同时也面临着设计方案、布置走向、EMC 防护等设计方面的考验。

2.线束设计方案

目前新能源车辆主要有纯电动汽车和混合动力汽车两种形式,针对于整车线束设计而言, 区别于传统汽油车整车线束,有高压线束和低压线束,不同形式新能源车辆的线束设计采用了不同形式的设计方式和布置方案。

2.1 高压线束设计方案

高压线束在新能源车辆上主要提供高压强电供电作用,因此对于线束的设计及布置尤为重要,主要遵循以下几个方面的原则:

01 线束走向设计、线径设计:

高压线束设计采用双轨制,由于高压已经超出人体安全电压,车身不可作为整车搭铁点,因此高压线束系统的设计上,直流高压电回路必须严格执行双轨制。高压线束可分为电机高压线、电池高压线、充电高压线等。

02 高压连接器选型:

高压连接器主要负责高压高电流连接和传输,并负责高压回路的人机安全。因此高压线束连接器目前多采用耐高压、防水等级高、环路互锁、屏蔽层连接等功能。

03 屏蔽设计:

采用屏蔽高压线,屏蔽网包覆在高压线内部。,连接器连接时实现屏蔽层的连接。考虑到电磁干扰的因素,整个高压线束系统均由屏蔽层全部包覆。

2.2 低压线束设计方案

(1)线束走向设计、线径设计:

(2)低压线束固定卡扣选型:

(3)屏蔽设计:

(4)低压连接器选型:我司新能源车辆低压线束设计方案延续传统车设计平台。低压线束满足传统汽车功能的实现外,还负责强电控制单元模块的功能实现。低压线束设计与布置方案中考虑高压线束对其产生的干扰防护。不同信号源采用不同的低压屏蔽导线。

3.高低压线束布置方案 

1、高低压线束布置区域划分:


  • 发动机舱:整车线束布置的重点也是难点,它集中了 PDU、驱动电机、电动压缩机等高压连接线束。MCU、VCU、DC-DC以及各类传感器等等低压线束部分。

  • 驾驶室内:基于传统车布置结构。 

  • 行李舱:主要包括充电高压线、动力电池控制系统、车载控系统等低压线束单元。


2、高低压线束布置结构形式:


  • 分层布置:高压线束与低压线束分为上下层级关系。

  • 并列布置:走向相同但采用依附车身机构并列布置。


3、低压线束布置方案中屏蔽导线选择:


  • 高频信号:线束采用双绞线、屏蔽层采用箔层屏蔽。

  • 低频信号:线束采用双绞线、屏蔽层采用编织层屏蔽。


屏蔽导线的接地形式:


  • 单点接地:低频信号采用单点接地。

  • 多点接地:高频信号采用多点接地。


3.1 分层式布线

为了避免高压线束传输强电电流时产生电磁干扰,导致低压线束对控 制单元供电及信号传输受到电磁干扰的风险,因此我司纯电动车辆采用了高压线束与低压线 束分层式设计,保证低压线束在高压线束底层 200-300mm 距离范围内。经实车验证。该设计方案有效避免了强电工作产生的干扰。布置形式如图1:

a.高压线束环状接线时低压线束环状外布线

b.高压与低压线束分区布置

c.高压与低压线束集中部分全部采用屏蔽导线连接

d.高压与低压线束分层布置

图1 高低压分层式布线图

3.2 并列式布线

并列式布线方案适用于混合动力车型,我司混合动力车采用该布线方 案,将高压线束连接单元布线区域和发动机电喷线束布置区域并列。进而有效避免高压线束 传输供电时产生的电磁干扰。如图 2:

图2 并列式布线图

3.3 高低压线束布置案例分析


  • 案例一:电机本体温度传感器信息误报


---原因分析:高压线形成环状连接。温度传感器回路分支线束垂直通过高压环状区域。高压产生电磁干扰导致传感器信号失效。

---解决措施:更改分支走向形成分层结构,并选取多芯编织网式屏蔽导线,通过验证问题解决。


  • 案例二:电池包总正总负高压线磨损


---原因分析:动力电池包布置位置所限,导致总正总负高压线布置在车身底盘下,导致行车磨损。

---解决措施:采用弯管成型方案,将高压线缆穿入金属导管后压接插件,在将导线通过弯管成型。

4. 新能源车辆的 EMC 防护

新能源车辆不论是纯电动车和混合动力车均采用动力电池作为能量来 源给整车供电,依靠高压线束传输,这在整车 EMC 线束防护设计方面是个很复杂的课题。针对整车 EMC 产生的形式可以看出辐射传导是整车线束 EMC 防护的重心。在开发设计初期 EMC 整车线束如何防护就要考虑进去 。

4.1 整车 EMC 防护的电源分配方案

整车范围内首先保证零部件的 EMC 符合标准要求,通过线束连接将各个控制单元连接在一起,在电源分配方面所采用的防护方式为供电回路与接地点回路在同一 接插件中采用图 3方式进行孔位排列。

图3 电源分配方案

4.2 整车 EMC 防护的线束设计方案

在线束材料选取方面为了可以有效的防止因为线束电流过大造成电磁 干扰问题,所以在线束材料选取上一般采用双绞线,并将双绞线回路布置到其他线束最外侧,在高频信号方面,可以采用屏蔽双绞线。整车线束中的传导发射 90%都与电源线相关,因此在线束评估及设计 时需要注重以下几个方面:

01 开关电源部分处理,设计上考虑环路控制。

02 敏感信号采用屏蔽线缆传输,且屏蔽层做好 360 度搭接处理。

03 信号线缆远离高压网络和强干扰源,且合理的与地做紧耦合布线。

04 做好滤波器“搭铁”接地处理措施,减少引线电感。

05 线缆中保证足够的信地比,且需要做合理的安排和配置。

对于以上问题,越早评估,后期风险越小。

4.3 电源线传导瞬态抗扰防护的设计分析

电源线传导瞬态抗扰度在设计初期应该同时考虑新能源车辆高压、低 压工作时浪涌、脉冲、静电干扰的防护设计。

4.3.1 浪涌干扰设计防护

浪涌有持续时间较长,能量大的特点,与传统的浪涌波形相像,图 4 是几种浪涌形式,需要慎重考虑。

图4 浪涌干扰防护及电压波形

4.3.2 脉冲干扰防护

各种开关继电器及保险丝在开启或者关闭的过程中,由于电弧产生的干扰脉冲,也需要进行线束设计初期考虑的防护。

图5 脉冲干扰防护及电压波形

4.3.3 静电干扰设计的防护

静电放电对于新能源车辆危害非常大,会引起严重的安全问题,各个零部件和整车都要保证足够高的抗扰度。

图6 静电干扰设计电压波形

通过以上数据的分析静电抗扰设计的要点需要考虑一下方面:

1)敏感信号消抖处理

2)系统等电位设计

3)根据需求做绝缘隔离处理

4)敏感电路屏蔽处理

5)控制器 MCU、CPU、等供电电源优化处理

6)合理的进行搭铁接地

7)关键信号走线全路径抗扰控制

8)敏感信号远离板边和 IO 接口

9)选择合适的防护器件

5. 总结

通过新能源线束设计开发前期的线束合理化设计与布置,以及对新能源车辆原理设计阶段 EMC 防护的重点考虑,有效的避免了强电线束工作时产生的干扰,并通过搭载台架、实车认证,不断优化线束布置方案与 EMC 设计。目前所采用的线束布置形式,以及采用的各项EMC 防护方案与措施,在批产项目中得到充分的验证和认可。

来源:线束世界

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