Die neue Ära der Elektromobilität steht vor der doppelten Aufgabe, industrielle Transformation und Modernisierung mit dem Schutz der Umwelt zu verbinden. Dies treibt die industrielle Entwicklung von Hochspannungskabeln und zugehörigem Zubehör für Elektrofahrzeuge maßgeblich voran. Kabelhersteller und Zertifizierungsstellen investieren daher erhebliche Ressourcen in die Forschung und Entwicklung von Hochspannungskabeln für Elektrofahrzeuge. Diese Kabel müssen in jeder Hinsicht hohe Leistungsanforderungen erfüllen und unter anderem die RoHSb-Norm, die Anforderungen der Flammschutzklasse UL94V-0 sowie die Anforderungen an flexible Eigenschaften gewährleisten. Dieser Artikel beschreibt die Materialien und die Herstellungstechnologie von Hochspannungskabeln für Elektrofahrzeuge.
1. Das Material des Hochspannungskabels
(1) Leitermaterial des Kabels
Derzeit werden hauptsächlich Kupfer und Aluminium als Leitermaterialien für Kabel verwendet. Einige Unternehmen sind der Ansicht, dass Aluminiumkerne die Produktionskosten erheblich senken können. Dies erreichen sie durch die Zugabe von Kupfer, Eisen, Magnesium, Silizium und anderen Elementen zu reinem Aluminium. Spezielle Verfahren wie Synthese und Glühbehandlung verbessern die elektrische Leitfähigkeit, Biegefestigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Kabels und ermöglichen so die Erfüllung der Anforderungen an die Belastbarkeit. Dadurch sollen die gleichen oder sogar bessere Eigenschaften wie bei Kupferkernen erzielt werden. Die meisten Unternehmen setzen jedoch weiterhin auf Kupfer als Hauptmaterial für Leiter. Kupfer besitzt einen niedrigen spezifischen Widerstand und bietet bei gleicher Belastbarkeit in vielen Bereichen bessere Eigenschaften als Aluminium, beispielsweise eine hohe Strombelastbarkeit, geringe Spannungsverluste, einen niedrigen Energieverbrauch und eine hohe Zuverlässigkeit. Aktuell werden für die Leiterauswahl in der Regel weiche Leiter nach nationalem Standard 6 verwendet (Dehnung des einzelnen Kupferdrahts: > 25 %, Durchmesser des Monofilaments: < 0,30 mm), um die Flexibilität und Zähigkeit des Kupfermonofilaments zu gewährleisten. Tabelle 1 listet die Normen auf, die für gebräuchliche Kupferleitermaterialien erfüllt werden müssen.
(2) Isolierschichtmaterialien von Kabeln
Der Innenraum von Elektrofahrzeugen ist komplex. Bei der Auswahl der Isoliermaterialien muss einerseits die sichere Verwendung der Isolierschicht gewährleistet sein, andererseits sollten möglichst einfach zu verarbeitende und weit verbreitete Materialien gewählt werden. Derzeit werden häufig Polyvinylchlorid (PVC) als Isoliermaterial verwendet.vernetztes Polyethylen (XLPE), Silikonkautschuk, thermoplastisches Elastomer (TPE) usw., und ihre wichtigsten Eigenschaften sind in Tabelle 2 dargestellt.
Unter ihnen enthält PVC Blei, aber die RoHS-Richtlinie verbietet die Verwendung von Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertigem Chrom, polybromierten Diphenylethern (PBDE) und polybromierten Biphenylen (PBB) sowie anderen schädlichen Substanzen, sodass PVC in den letzten Jahren durch XLPE, Silikonkautschuk, TPE und andere umweltfreundliche Materialien ersetzt wurde.
(3) Material der Kabelschirmung
Die Schirmung besteht aus zwei Teilen: einer halbleitenden und einer geflochtenen Schirmung. Der spezifische Volumenwiderstand des halbleitenden Schirmungsmaterials bei 20 °C und 90 °C sowie nach Alterung ist ein wichtiger technischer Kennwert zur Beurteilung des Schirmungsmaterials und bestimmt indirekt die Lebensdauer des Hochspannungskabels. Gängige halbleitende Schirmungsmaterialien sind Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Polyvinylchlorid (PVC) und …Polyethylen (PE)Basierend auf den verwendeten Materialien. Falls die Rohstoffe keine Vorteile bieten und die Qualität kurzfristig nicht verbessert werden kann, konzentrieren sich Forschungseinrichtungen und Kabelmaterialhersteller auf die Erforschung der Verarbeitungstechnologie und der Zusammensetzung des Schirmmaterials und streben Innovationen in der Zusammensetzung des Schirmmaterials an, um die Gesamtleistung des Kabels zu verbessern.
2. Vorbereitungsprozess für Hochspannungskabel
(1) Leiterseiltechnologie
Die grundlegenden Prozesse der Kabelherstellung sind seit Langem etabliert, weshalb in der Industrie und in den Unternehmen eigene Normen und Spezifikationen existieren. Beim Drahtziehen lassen sich die Verseilmaschinen je nach Abwickelmodus des Einzeldrahtes in Abwickel-, Abwickel- und Doppelabwickelmaschinen unterteilen. Aufgrund der hohen Kristallisationstemperatur von Kupferleitern und der damit verbundenen längeren Glühzeiten und -temperaturen ist der Einsatz von Abwickel- und Doppelabwickelmaschinen für das kontinuierliche Ziehen von Einzeldrähten vorteilhaft, um die Dehnung und Bruchfestigkeit beim Drahtziehen zu verbessern. Vernetzte Polyethylenkabel (XLPE) haben die Ölpapierkabel im Spannungsbereich von 1 bis 500 kV vollständig ersetzt. Für XLPE-Leiter gibt es zwei gängige Verfahren zur Leiterformung: Rundverdichtung und Drahtverdrillung. Durch die Rundverdichtung wird vermieden, dass die hohen Temperaturen und Drücke im vernetzten Rohr das Schirm- und Isoliermaterial in die Litzenzwischenräume pressen und so Materialverluste verursachen. Andererseits kann es auch das Eindringen von Wasser in Leiterrichtung verhindern und so den sicheren Betrieb des Kabels gewährleisten. Der Kupferleiter selbst ist konzentrisch verseilt und wird meist mit herkömmlichen Rahmenseilen, Gabelseilen usw. hergestellt. Im Vergleich zum Rundverseilverfahren wird dadurch eine runde Form der Leiterseile sichergestellt.
(2) Herstellungsprozess der XLPE-Kabelisolierung
Für die Herstellung von Hochspannungs-XLPE-Kabeln werden zwei Formgebungsverfahren eingesetzt: die kettenförmige Trockenvernetzung (CCV) und die vertikale Trockenvernetzung (VCV).
(3) Extrusionsprozess
Früher verwendeten Kabelhersteller ein zweistufiges Extrusionsverfahren zur Herstellung des Kabelkerns. Dabei wurden zunächst gleichzeitig die Aderabschirmung und die Isolierschicht extrudiert, anschließend vernetzt und auf die Kabelrinne gewickelt. Nach einer gewissen Aushärtezeit wurde die Isolierschicht extrudiert. In den 1970er Jahren kam ein dreischichtiges 1+2-Extrusionsverfahren für den isolierten Drahtkern auf, das die Herstellung der inneren und äußeren Abschirmung sowie der Isolierung in einem einzigen Arbeitsgang ermöglichte. Bei diesem Verfahren wird zunächst die Aderabschirmung extrudiert, anschließend – nach einer kurzen Strecke (2–5 m) – die Isolierung und die Isolierschicht gleichzeitig auf die Aderabschirmung aufgebracht. Da die ersten beiden Verfahren jedoch erhebliche Nachteile aufwiesen, führten die Hersteller von Kabelproduktionsanlagen Ende der 1990er Jahre ein dreischichtiges Co-Extrusionsverfahren ein, bei dem Aderabschirmung, Isolierung und Isolierschicht gleichzeitig extrudiert werden. Vor einigen Jahren brachten auch andere Länder eine neue Extruderzylinderkopf- und gebogene Siebplattenkonstruktion auf den Markt. Durch den Ausgleich des Strömungsdrucks im Schneckenkopfraum wird die Materialansammlung verringert, die kontinuierliche Produktionszeit verlängert und der ständige Wechsel der Kopfspezifikationen ersetzt. Dadurch können auch Ausfallkosten erheblich gesenkt und die Effizienz gesteigert werden.
3. Schlussfolgerung
Elektrofahrzeuge bieten gute Entwicklungsperspektiven und einen riesigen Markt. Um sich erfolgreich am Markt zu etablieren, werden Hochspannungskabel mit hoher Belastbarkeit, hoher Temperaturbeständigkeit, elektromagnetischer Abschirmung, Biegefestigkeit, Flexibilität und langer Lebensdauer benötigt. Die Werkstoffe und Herstellungsverfahren für Hochspannungskabel bieten großes Entwicklungspotenzial. Ohne Hochspannungskabel können Elektrofahrzeuge weder ihre Produktionseffizienz steigern noch ihre Betriebssicherheit gewährleisten.
Veröffentlichungsdatum: 23. August 2024