日系混动车型的高压连接梳理
“纵观汽车世界格局,三分天下,日本占其一“,日本也是最早推出新能源汽车的国家之一,说日本是世界上最发达的汽车国度之一不为过,但是日本的思路一直是在混动路线上,准确的说在 特斯拉上位之前,世界除了东方大国的中国以外,新能源车还都是混动汽车的天下;
笔者不才,想提笔从东往西吹吹这个高压连接,先说说扶桑国,日本的汽车品牌比较多,有代表性的,莫过于 丰田的普锐斯、日产聆风、三菱欧蓝德等,这几个也是早几年卖的最好的车型之一,早几年,这三位在欧洲的销售榜上是轮流做桩的;90年代末,HEV车型开始因为其节能相比燃油车优秀的缘故推出市场,HEV车型上增加了相对传统的12V或者48V系统更大的电池,所以引入高压系统,当然其电池不可以反复充电,其高压的板块也主要集中在battery inverter converter motor几个部分,就是我们现在所说的”三电“所以对于高压连接器或者线束而言,也存在这些单元的输入输出端口和之间的连接;
三菱欧蓝德PHEV于2013年推出,是全球首款插电式混合动力SUV,欧蓝德虽然外形不咋地,不太好看,但它的确是卖的最畅销的SUV混动车型之一,欧蓝德的PHEV也是第一款采用双电机的SUV,当然2019新款升级车型无论外形和性能就好很多;
当然,这个不是我们聊的主要内容,我们主要还是看看其高压系统,高压连接器和高压线束啥的;欧蓝德由前后电机、空压、电池、电控、OBC DCDC等部分组成,因为其地板的电池容量不大,所以其母线电流也没有多大,最大也就100多安培,在其前后电机、发电机、逆变等部位都采用了高压线束和高压接头,
之前在文章里也提及过,高压线束连接无非2大类,一类是直接螺栓连接器,一类是通过外壳固定内部连接(内部还可以分弹性簧片传导和不传导2种)欧蓝德基本上全部采用了螺栓的连接方式,其固定的外壳采用的是铝合金进行固定,而不是全部采用塑料材质,按照日本人说法,金属的安装不容易变形、耐冲击,而金属加塑料的方式同时又兼顾了成本和重量,这类产品在日本的很多车型都能看见,这点和我们国内起步的方式不太一样,我们国内的早期NEV车型都是从工业的金属航插过渡过来的,到目前为止,很多车型上还在用;
如果说混动车型,绝不可能不提普锐斯,这款风靡了20年的混动车型,车型都不知道出了多少版本了,其高压单元的演变除了电池以外,其大功率的inverter converter也可以看出;
其最早的一版是98/2000那个版本,其连电池的双pin的插件看起来像Yazak的早期的双芯的(电流也就125A的额度)此时的连接器都还没有HVIL的功能,插座也是一体式,插头倒是可以分开的,也没CPA,第一代的端子采用圆柱形端子和簧片,插座的板端密封还采用的是孔式径向周圈线性密封结构;而电机的端口采用是较为简单的穿墙式连接方式,这种方式在螺栓的连接基础上主要增加防护和屏蔽的功能(此时发防护也是孔式径向密封,而屏蔽是单线屏蔽),这种方式的连接在后续的HEV车型上会大量的出现;
其实到了04/09这个地方的变动不是特别大,只是细节优化了很多,比如battery的连接,线束外部增加了EPDM材质的防护套来起到安装面和波纹管端口间的防护,电池的接口由早期的pin针形式改为成本更好的片式连接,连接器的尺寸比之前更小,防护依然采用了单孔的周圈密封,在连接器上依然没有CPA和HVIL的预留功能;
到了10~15版,变化就比较大了,我们发现其集成的思路非常明显,低压的端口由原来的四五个插件都集中成一个端口了,而电机和电池的连接,由第一代的单独屏蔽方式,改为了一体化的屏蔽,其电缆由电缆本身屏蔽改为了外部屏蔽,其地板的动力线也改为了外部铝壳成型屏蔽,其系统级屏蔽的思路非常明确,线束及PN连接器(住友公司称其为PN连接器)及地板外部保护铝管都有日本住友公司开发的;住友高压线束的连接器和屏蔽管道的开发,基本上是由住友的水谷先生和其团队开发的,这点如果有心可以通过其相关的论文可见一斑;
我们可以看到在这个产品迭代中,丰田取消了原来的插件形式,全部改为更为可靠的螺栓连接的方式,根据住友的分析认为,安装在车辆中的粗线随着车辆的振动而振动,电线振动会通过粗电线传递作用在连接器上,该动作可能会导致连接器的电触头磨损,这可能导致端子发热,为了抑制该振动,需要将电线,连接器和逆变器牢固地固定,所以内部采用了螺栓连接,外部采用金属面板固定,但是,这可能导致连接器的电触头磨损,因为大功率下,较大的电流产生的温度变化会引起的连接器组件的膨胀和收缩,一旦固定死,会在长期使用下引起失效,所以住友在开发PN连接器时增加了柔性的补偿设计来解决这个问题,某种程度上,这个思路是和特斯拉是一样的;
我们看到电池的端口升级为了一个圆形的插头,其内部也是由螺栓的连接方式,同时增加了HVIL的功能,其在外部增加了防护的EPDM的胶套,其屏蔽也是由外部的金属安装面板和电缆屏蔽进行一体化实现;
日系车的一个很大思路都是大模块化的集成,到了16/18款车型上,变频器与电机之间的距离越来越短,我们发现其电源线全部集成在一起,因为空间狭小,距离较短,其屏蔽的方式也是采用布状的方式进行屏蔽,连接本身采用了一体成型的方式,从而实现了尺寸最大化的缩小,
其实在这个地方,考虑到未来电机和变频器可能放在一起,住友还开发出一种去线束直接连接的方案,其核心是增加了导向校对,浮动功能,这种方式值得我们借鉴,比如leaf的车型就把inverter \motor\reduction drive\pdm 全部集成为一个总的动力单元(e-Powertrain PDM),在下面的内容中可以看见;
上面说到聆风,在特斯拉主宰“地球”之前,日产聆风是卖的最好的电动汽车,也是到目前为止地球上卖的最好的纯电汽车之一,卖了快50万辆了;在Model 3未出来之前,聆风一直是卖的最多的电动汽车,直到去年,特斯拉Model 3才超过了Leaf,成为历史上最畅销的新型电动汽车;
日系的混动车型比较多,知名的纯电的不多,聆风是为数不多,又卖的好的车型之一,聆风也出了2个版本,其中其G1的版本上有很多的连接器,有快插的有螺栓连接等;
但是如上文所说的,其集成的思路比较明显,到了G2版本,其动力单元把inverter \motor\reduction drive\pdm全部都集成在一起了,原来的很多连接器都不见了,电机 PDM inverter 之间直接采用了busabar 连接器,更简单直接;
在早期的时候,其都是单独电缆屏蔽,连接器也都是进行单独接触屏蔽,到后来动力线改为非屏蔽,采用外部铝管进行整体屏蔽,这种思路也带到了连接上,把设备到设备之间的屏蔽升级为系统屏蔽的高度,而连接只是在这个屏蔽系统内部来实现的,而不是通过连接器本身内部结构来实现点面的屏蔽,这个地方反映了日本人和欧美的思路不同的地方,欧美尤其德国的OEM更喜欢对单个电缆进行屏蔽,对连接器进行单独的屏蔽,而日本的OEM厂商更喜欢把屏蔽单独作为一个连接系统,而内部导体又单独作为一个系统;两种方式各有优缺点,取决于整车的EMI的思考,尤其在高频的情况下,屏蔽面临的挑战会更多;而其连接器大多采用螺栓的连接方式,这种方式虽然更为可靠,但是要更多的操作空间,要整体去考量,如果在大幅度集成高压单元后,连接点的下降,这种方式未尝不可,而且成本整体考虑,是会下降的, Model Y 最新的车内快充连接就是一个非常好的例子;