电动汽车动力驱动系统中高电压和所需传递的功率对汽车高压电缆的规格尺寸提出了非常高的要求。基于标准化和车辆真实行驶条件的考虑也是相关供应商充分挖掘电动汽车经济和技术潜力的关键。

在混合动力/电力汽车中，除了传统的低压启动电网和高压启动电网之外，还包括了高压蓄电池与大功率电气元器件之间的双线直流（DC）供电电缆以及大功率电气元器件与汽车驱动电动机之间的三线电缆（见图1），高电压侧的中等功率的辅助用电设备，例如空调压缩机、电热器或者电动转向机构。

图1 高压蓄电池与电动机和其他需要高电气功率的高电系统电缆

基于所需传递的很高功率，需要采用高电压的启动电网，混合动力轿车高达100V，货车的电力高达1000V。此时低电压电缆保持不变，仅仅是布线受到高压电器和整车电力系统结构变化的影响而已。

高压电缆系统应符合汽车设计的要求，其中应对防潮给予高度重视。因为高压电缆系统与只需在潮湿范围内进行防潮处理的12V低压电缆系统不同，它的整个系统应进行严格的防潮处理。另外，连接电缆体积应该尽可能小，能耐高温、耐温度突变，满足持续工作最高温度范围，BEV蓄电池动力汽车可达100℃，混合动力汽车可达200℃。

低压电网系统中有着大量经过检验的标准化元器件，与之相比，高电压启动电网的电气元器件还刚刚起步，情况完全不同。这里几乎没有统一的标准和接口，不同供应商和不同汽车生产厂家安装使用的零部件也完全不同。为数不多的技术规范中占统治地位的是有关安全的规定。这样，大量的产品变型和小量的产品数量导致了很高的生产成本。因此，实践要求尽快实现接口技术和元器件技术的标准化。

图2 铝芯高压电缆的重量比铜芯高压电缆的重量轻1/4

铝芯高压电缆

高压电缆的选择和尺寸规格是由其应用所决定的，例如安装空间和重量、载流量、电磁兼容性和电压的高低。电缆的横截面积规格范围为2.5～6mm2（辅助用电设备）至16～35mm2，还有为高电压蓄电池充电、驱动电动机所需的横截面积更大的电缆。这些电缆既有单芯的也有多芯的，还有带编织型屏蔽结构的电缆可供用户选用。

轻金属材料的比重为铜的30%左右，但金属铝的导电性能比铜要低35%左右，在电阻相同的情况下，若用铝电缆来代替相同电阻、横截面积为

50mm2铜电缆时，所需的铝芯电缆横截面积尺寸为80mm2，这样的高压电缆每米可以减轻约0.2kg的质量（见图2）。因此，把轻合金材料作为一种导电材料使用时，其很轻的密度带是非常诱人的。若车辆内部有足够的空间安装电缆时，可以用铝芯的电缆来代替铜芯电缆。在BEV蓄电池驱动的车辆中，这一减重所带来的增程效果远比传统内燃机车辆要好得多。

铝质电缆应用的主要难度是连接工艺技术中的问题。在高压启动电网中，高压电缆的连接点都在密封的范围内，这样就可以省略防止电化学腐蚀的技术措施。

图3 真实的负载状况带来的发热明显的低于其最大电流带来的发热

耐高温绝缘电缆

所需传递的电流强度是确定插接连接系统电缆横截面积和触点横截面积的基础。因为电缆横截面积的大小影响电缆的发热程度。在实践中，电缆横截面积的选择一方面要尽可能的大，保证电缆不会过热；另一方面也要尽可能的小，保证节约安装空间、降低生产成本和减轻重量。而利用耐高温的绝缘材料可以满足这一矛盾的目标要求，例如，在不增大电缆横截面积的条件下满足电流峰值引起的发热。

在已知真实的电动汽车电流水平时，可以对电流的横截面积大小进行优化。横截面积大的电缆有着很好的承受热负荷的能力，因此在短时高电流脉冲时产生较低的电缆发热。在模拟时可以清楚地看到：真实的负载状况带来的发热明显地低于其最大电流带来的发热（见图3）。当把真实负载曲线的平均电流作为确定电缆横截面积的设计计算基础时，就能够得到很好的、接近真实负载状况的发热情况。例如，在这样的电力负载状况下可以用横截面积为10mm2的耐高温绝缘电缆来代替25mm2的电缆。

综合屏蔽方式改善屏蔽性能

电动汽车的电力驱动部件都是在换流器或者变频器的高频驱动下工作的。根据各种不同的工作状态和选择的PWM 脉宽调制，电气开关过程中产生的陡峭曲线可以产生一个高次谐波频谱（Oberwellenspektrum），使得高能量的高次谐波能够达到中等范围。这时就要注意永久性的电磁屏蔽措施，避免这些屏蔽对其他的系统元器件造成影响。一方面，屏蔽会增加电缆的生产成本；另一方面也会因这些要求使系统变得不可靠。

图4 高压电缆（16mm2）使用屏蔽膜前后屏蔽效果的比较

在低频范围内，屏蔽层内的电磁场也会感应出电流。这样，对屏蔽能力提出的要求就明显高于没有感应电流的屏蔽了，即屏蔽应有更高的载流量。高频电磁场所需采取的措施则执行的是不同于低频电磁防护技术的法律法规。在编织型屏蔽中，各芯和每一个搭接处都会有短波电磁波能够穿透的空隙。在高频范围的电磁场中，可通过编织型和导电屏蔽膜的综合屏蔽方式来改善电缆的屏蔽性能（见图4）。另一方面，导电屏蔽膜也改善了批量生产的可能性。

改善局部放电效应

与传统的汽车启动电网以及常规的功率控制与电动机之间交流电驱动连接系统相比较，汽车领域中的高电压连接系统是一项全新的技术。在中压电力技术中，人们已经清楚地知道：高压，尤其是交流电场可以产生大大缩短绝缘层寿命的电晕效应和局部放电效应（见图5）。

局部放电效应是由电场的不均匀分部以及可能的故障点所引起的，例如绝缘层中夹杂的气泡或者绝缘层介质的不均匀等。当局部的击穿场强过高时，可在绝缘层内的局部形成局部放电。第一次局部放电时的电压被称为“局部放电阀值电压TEE”。

图5 内部受损绝缘层的显微照片

在一系列的绝缘层厚度影响试验测试中，即在汽车制造领域中常常要求的绝缘层厚度的影响测试中，对常规汽车用绝缘层材料的局部放电过程进行了测试试验。试验时使用的是不同规格尺寸的单芯高电压屏蔽电缆。所有的检测试验都在有电磁兼容性防护的EMV实验室内进行，被测试电缆的长度为25m。通过试验对电缆的局部放电起始阀值电压TEE以及局部放电截止阀值电压TEA进行了测定。

在绝缘材料相同时，薄壁绝缘电缆（FLR）比厚壁绝缘电缆（FL）的局部放电起始阀值电压TEE要低10%。绝缘层厚度相同但绝缘材料不同电缆的试验结果比作为基准的参考电缆的局部放电起始阀值电压低了25%。

因为前面介绍的高压电缆常常也在高温环境中工作，因此第二项检测试验就是测定电缆温度对局部放电的影响。试验结果表明：在工作温度较高时会过早地出现局部放电。局部放电起始阀值电压的范围是电动机在较高工作电压下不可避免要出现局部放电效应的电压范围。

结论

汽车高电压启动电网设计的一个重要因素是电缆类型和规格尺寸的正确选择。从电缆所有原材料的选择开始到系统确定的电磁兼容性直至根据电缆实际传递电流的特性选择电缆横截面积。电缆局部放电效应测试的结果表明：在汽车高电压系统中也必须考虑局部放电的问题。