Die neue Ära der Automobilindustrie mit alternativen Antrieben verfolgt die doppelte Aufgabe der industriellen Transformation und Modernisierung sowie des Umweltschutzes. Dies treibt die industrielle Entwicklung von Hochspannungskabeln und anderem Zubehör für Elektrofahrzeuge stark voran. Kabelhersteller und Zertifizierungsstellen investieren intensiv in die Forschung und Entwicklung von Hochspannungskabeln für Elektrofahrzeuge. Hochspannungskabel für Elektrofahrzeuge müssen in allen Bereichen hohe Leistungsanforderungen erfüllen und sollten dem RoHSb-Standard, der Flammschutzklasse UL94V-0 und einer sanften Leistung entsprechen. Dieses Dokument stellt die Materialien und Herstellungstechnologien von Hochspannungskabeln für Elektrofahrzeuge vor.
1.Das Material des Hochspannungskabels
(1) Leitermaterial des Kabels
Derzeit gibt es zwei Hauptmaterialien für die Leiterschicht von Kabeln: Kupfer und Aluminium. Einige Unternehmen sind der Ansicht, dass Aluminiumkerne ihre Produktionskosten erheblich senken können, indem sie auf Basis von reinem Aluminium Kupfer, Eisen, Magnesium, Silizium und andere Elemente hinzufügen. Durch spezielle Verfahren wie Synthese und Glühen werden die elektrische Leitfähigkeit, die Biegefestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Kabels verbessert, um die Anforderungen an die gleiche Tragfähigkeit zu erfüllen und die gleiche oder sogar bessere Leistung wie Kupferkernleiter zu erzielen. Dadurch werden die Produktionskosten erheblich gesenkt. Die meisten Unternehmen setzen jedoch weiterhin auf Kupfer als Hauptmaterial für die Leiterschicht, da Kupfer zum einen einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und zum anderen die Leistungsmerkmale von Kupfer im Vergleich zu Aluminium auf gleichem Niveau verbessert, wie z. B. hohe Strombelastbarkeit, geringer Spannungsverlust, geringer Energieverbrauch und hohe Zuverlässigkeit. Derzeit werden bei der Auswahl der Leiter in der Regel die nationalen Standard-6-Weichleiter (Einzeldrahtdehnung größer als 25 %, Durchmesser des Monofilaments kleiner als 0,30) verwendet, um die Weichheit und Zähigkeit des Kupfermonofilaments zu gewährleisten. In Tabelle 1 sind die Normen aufgeführt, die für häufig verwendete 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 müssen möglichst einfach zu verarbeitende und weit verbreitete Materialien gewählt werden. Die derzeit am häufigsten verwendeten Isoliermaterialien sind Polyvinylchlorid (PVC),vernetztes Polyethylen (XLPE), Silikonkautschuk, thermoplastisches Elastomer (TPE) usw. und ihre wichtigsten Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.
PVC enthält unter anderem 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. Daher wurde PVC in den letzten Jahren durch XLPE, Silikonkautschuk, TPE und andere umweltfreundliche Materialien ersetzt.
(3) Material der Kabelabschirmschicht
Die Abschirmschicht besteht aus zwei Teilen: der halbleitenden Abschirmschicht und der geflochtenen Abschirmschicht. Der Volumenwiderstand des halbleitenden Abschirmmaterials bei 20 °C und 90 °C sowie nach Alterung ist ein wichtiger technischer Index zur Messung des Abschirmmaterials, der indirekt die Lebensdauer des Hochspannungskabels bestimmt. Gängige halbleitende Abschirmmaterialien sind Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Polyvinylchlorid (PVC) undPolyethylen (PE)basierten Materialien. Falls der Rohstoff keine Vorteile bietet und das Qualitätsniveau nicht kurzfristig verbessert werden kann, konzentrieren sich wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Kabelmaterialhersteller auf die Erforschung der Verarbeitungstechnologie und des Formelverhältnisses des Abschirmmaterials und suchen nach Innovationen im Zusammensetzungsverhältnis des Abschirmmaterials, um die Gesamtleistung des Kabels zu verbessern.
2.Hochspannungskabel-Vorbereitungsprozess
(1) Leiterlitzentechnologie
Der grundlegende Prozess der Kabelherstellung wurde über lange Zeit entwickelt und daher gibt es in der Branche und in Unternehmen auch eigene Standard-Spezifikationen. Beim Drahtziehen kann die Verseilausrüstung je nach Aufdrillmodus des Einzeldrahts in Aufdrillverseilmaschinen, Aufdrillverseilmaschinen und Aufdrill-/Aufdrillverseilmaschinen unterteilt werden. Aufgrund der hohen Kristallisationstemperatur von Kupferleitern sind die Glühtemperatur und -zeit länger. Daher ist es angemessen, eine Aufdrillverseilmaschine zu verwenden, um kontinuierliches Ziehen und kontinuierliches Ziehen von Einzeldrähten durchzuführen und so die Dehnung und Bruchrate beim Drahtziehen zu verbessern. Derzeit hat das Kabel aus vernetztem Polyethylen (XLPE) das Ölpapierkabel zwischen 1 und 500 kV vollständig ersetzt. Es gibt zwei gängige Leiterformungsverfahren für XLPE-Leiter: Ringverdichtung und Drahtverdrillung. Einerseits kann der Drahtkern vermeiden, dass die hohen Temperaturen und der hohe Druck in der vernetzten Rohrleitung sein Abschirm- und Isoliermaterial in die Litzenlücke drücken und Abfall verursachen; Andererseits kann es auch das Eindringen von Wasser entlang der Leiterrichtung verhindern, um den sicheren Betrieb des Kabels zu gewährleisten. Der Kupferleiter selbst hat eine konzentrische Verseilstruktur, die meist mit herkömmlichen Rahmenverseilmaschinen, Gabelverseilmaschinen usw. hergestellt wird. Im Vergleich zum kreisförmigen Verdichtungsprozess kann dadurch eine runde Verseilung des Leiters gewährleistet werden.
(2) Herstellungsprozess der XLPE-Kabelisolierung
Für die Herstellung von Hochspannungs-XLPE-Kabeln sind die Catenary Dry Cross-Linking (CCV) und die Vertical Dry Cross-Linking (VCV) zwei Formgebungsverfahren.
(3) Extrusionsprozess
Früher verwendeten Kabelhersteller ein sekundäres Extrusionsverfahren zur Herstellung von Kabelisolationskernen. Im ersten Schritt wurden gleichzeitig Leiterschirm und Isolierschicht extrudiert, dann vernetzt und auf die Kabelrinne gewickelt, für eine gewisse Zeit platziert und dann die Isolierschicht extrudiert. In den 1970er Jahren kam ein 1+2-Dreischicht-Extrusionsverfahren für den isolierten Drahtkern auf, wodurch die innere und äußere Abschirmung und Isolierung in einem einzigen Prozess fertiggestellt werden konnten. Bei diesem Verfahren wird zuerst der Leiterschirm extrudiert, nach einer kurzen Distanz (2–5 m) werden dann Isolierung und Isolierschicht gleichzeitig auf den Leiterschirm extrudiert. Die ersten beiden Methoden hatten jedoch große Nachteile, sodass Anbieter von Kabelproduktionsanlagen Ende der 1990er Jahre ein dreischichtiges Co-Extrusionsverfahren einführten, bei dem Leiterschirm, Isolierung und Isolierschicht gleichzeitig extrudiert wurden. Vor einigen Jahren wurden im Ausland auch neue Extruderzylinderköpfe und gekrümmte Maschenplatten auf den Markt gebracht. Durch Ausgleich des Hohlraumströmungsdrucks des Schneckenkopfs wird die Materialansammlung verringert und die kontinuierliche Produktionszeit verlängert. Durch den Ersatz der ständigen Änderungen der Spezifikationen des Kopfdesigns können außerdem Ausfallkosten erheblich gespart und die Effizienz verbessert werden.
3. Fazit
Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnologie haben gute Entwicklungsaussichten und einen riesigen Markt. Daher müssen Hochspannungskabelprodukte mit hoher Belastbarkeit, hoher Temperaturbeständigkeit, elektromagnetischer Abschirmung, Biegefestigkeit, Flexibilität, langer Lebensdauer und weiteren herausragenden Eigenschaften produziert und auf dem Markt etabliert werden. Das Material für Hochspannungskabel für Elektrofahrzeuge und dessen Herstellungsverfahren haben große Entwicklungsaussichten. Ohne Hochspannungskabel können die Produktionseffizienz und die Sicherheit von Elektrofahrzeugen nicht verbessert werden.
Veröffentlichungszeit: 23. August 2024