高压配电盒结构设计详谈

韩震坡

苏州英威腾电力电子有限公司 江苏省苏州市 215000

1 结构造型设计

东风某项目示意说明：

1.1 总体结构要求

（1）和客户初步沟通，客户会根据产品应用场景（大巴车，公交车，乘用车，物流车），年需求量，初步给出选用下列外壳类型：塑胶，钣金，铝压铸等三种外壳材料，塑胶外壳一般用在BDU上；

（2）当客户提出需求时，PDU电气原理图已经绘制好，大致外形尺寸已经给出，此时客户会和PDU厂商进一步确认电气件选型，连接器选型；

（3）内部器件要求：装配便利；维护方便；所有的电气件，PCB板都要很方便的维护，因此设计的铜排都是异形铜排。

（4）防护等级：IP67。

1.2 外壳设计

1.2.1 钣金外壳

材质：冷轧板SPCC，铝板AL6061 OR AL5052，不锈钢SUS304，SUS316，不锈钢不好加工，一般不选；

表面处理：喷粉，户外粉体，外壳喷粉后盐雾测试48小时不生锈；

板厚：SPCC1.5-2.0mm；AL6061 1.5-2.0mm；SUS304：1.0-1.5mm

1.2.2 压铸铝外壳

材质：ACD12

表面处理：喷砂样机，喷细沙，银色或黑色，盐雾测试48小时不生锈

板厚：5.0mm左右

1.2.3 塑胶外壳

材质：硬质塑料：PC，PA

表面处理：烤漆

板厚：4.0mm左右

1.3 搭铁设计（配电盒安装孔位部件）

1.3.1 钣金外壳

板厚3mm左右，满焊

1.3.2 钣金外壳压铸铝外壳

厚度5mm左右，和壳体压铸一体成型

1.3.3 钣金外壳搭铁孔

一般是腰型孔，大小根据客户螺丝大小决定，大多选用M5或M6螺丝固定配电盒

1.3.4 钣金外壳搭铁结构满足和成型的工艺和结构强度就好了。

1.4 铜排设计（配电盒安装孔位部件）

1.4.1 根据铜排载流量速算设计

1.4.2 根据下表查询载流量

图1 东风某项目示意说明

估算法：

单条铜母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数

双母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数X 1.5(经验系数)

铜排和铝排也可以按平方数来，通常铜应该按5-8A/平方，铝应该按3-5A/平方

常用铜排的载流量计算方法：

40℃时铜排载流量=排宽*厚度系数

排宽(mm)；厚度系数为：母排12厚时为20；10厚时为18；依次为：[12-20，10-18，8-16，6-14，5-13，4-12] .

双层铜排[40℃] =1.56-1.58单层铜排[40℃] （根据截面大小定）

3层铜排[40℃] =2单层铜排[40℃]

4层铜排[40℃] =单层铜排[40℃] *2.45(不推荐此类选择，最好用异形母排替代)

铜排[40℃] = 铜排[25℃] *0.85

铝排[40℃] = 铜排[40℃] /1.3

例如求TMY100*10载流量为：

单层：100*18=1800(A)[查手册为1860A] ；

双层：2(TMY100*10)的载流量为：1860*1.58=2940(A)；[查手册为2942A] ；

三层：3(TMY100*10)的载流量为：1860*2＝3720(A)[查手册为3780A]

以上所有计算均精确到与手册数据相当接近。

1.5 线束设计

（1）根据线束通过载流量选用合适线径，因为配电盒内部空间很紧凑，线束线径一般不超过4平方，不然线缆折弯半径太大不方便装配；（2）根据线径和两端连接器件选用合适端子；（3）电缆线径选取根据V下表载流容量的规定来选取，见表2：

2 安规设计

2.1 爬电距离

高压配电盒的爬电距离满足G B/T 18384.1中规定的相关爬电要求。

PDU内部爬电距离保持在12mm比较合理，一般参考标准IEC 60664或 GB16935，按污染等级2；考虑装配公差和失效需要增大1~2mm。

2.2 抗振动性

一般按照QC/T413-2002测试

频率：25～500Hz 每个方向8小时(箱体安装面法为Z向)

Z方向加速度30m/s2，振幅1.2mm；

Y方向加速度15m/s2，振幅0.6mm；

X方向加速度15m/s2，振幅0.6mm；

客户有指定其他测试标准，按照客户指定测试标准进行振动测试

2.3 抗振动性先按照上述结构设计注意事项及以往案例进行结构设计3D完成后，用软件进行受力模拟，没有问题打样实物测试，中间有问题在整改。

2.4 绝缘耐压

铜排之间间距先按照结构设计摆方案，绝缘耐压不合安规的话，用铜排包胶等工艺实现安规要求。

3 散热设计

（1）如果没有车载充电机，DCDC电源，按照常规设计即可，小电流选用线束，大电流选用铜排；（2）高压配电盒内部有车载充电机，DCDC电源时，根据车载电机，DCDC电源发热量和客户确认采用风冷散热可以满足温升要求时，一般将发热源贴在配电盒侧壁上，配电盒发热源侧壁外部加散热片，散热片上加防水散热风扇来达到所需求散热效果；（3）高压配电盒内部有车载充电机，DCDC电源，根据车载电机，DCDC电源发热量和客户确认采用液冷散热方式时。一般结构设计是铜管穿过配电盒内部的液冷散热片，冷冻液循环流动带走配电盒内部热量达到散热效果，当然液冷管道要做好密封防护处理，防止冷冻液渗漏；（4）配电盒内部温升一般在30K，不超过50K.下图是能源局标准：NB/T33008.1-2013规定的电气部件的温升要求以作参考。

4 密封设计

4.1 上下盖密封设计常用结构

（1）钣金件上下盖防水结构：常用上盖加密封圈，上下盖固定螺丝采用防水压铆螺帽固定。密封圈压缩量一般在20%-40%。（2）铝压铸件上下盖防水结构：密封圈镶嵌在壳体内，密封圈压缩量一般在20%-40%；上下盖固定螺丝在密封圈外缘，螺丝孔处不会渗水到壳体内部。

4.2 外接连接器处防水设计

（1）选用防水连接器；（2）钣金件外壳：固定连接器的位置，铆接防水螺帽；（3）铝压铸件外壳：固定连接器的位置，做凸台，凸台上做盲孔螺纹固定连接器。

5 EMC设计

电磁兼容（EMC）是对电子产品对电磁场方面干扰大小（EMI）和抗干扰能力（EMS）的综合的评价，电磁兼容是电子产品质量最重要的指标之一，产品电磁兼容不好的话，会影响产品的正常使用。

EMC设计问题如下：

（1）只有在PDU里面加了BMS，DCDC电源，车载充电机等其中的一种或几种才考虑EMC；（2）BMS，DCDC电源，车载充电机，这些电气件出厂时一般都做了EMC验证，都在国标规定范围内；（3）EMS不过的话和厂商协同处理靠厂商搞定，结构设计主要方法是加高导电性屏蔽罩，厂商自己整改；因为是PDU一般是金属外壳，可以有效屏蔽电磁干扰，EMI可以完美解决。

6 建模仿真设计

仿真设计分为热仿真，受力分析：

（1）靠经验设计出3D；（2）根据3D模型用软件模拟散热和受力；（3）根据软件模拟状况修正3D结构设计。

7 做DFMEA（设计潜在失效模式）分析

根据上诉所讲，做DFMEA（设计潜在失效模式）分析，当失效风险很低时才可以进行打样，因为汽车行业比较特殊，一是关乎驾驶员和乘客的人身安全；二是汽车销量很大。设计的产品有安全或失效隐患，需要召回维修时，所花费的成本是非常大的。可能造成企业重大经济损失或者企业破产。因此设计的高压配电盒产品信赖性要符合客户和行业要求。

表1 美规与英规AWG与mm 电流对照表

表2 充电机内部各部件极限温升

8 结语

上诉是高压配电盒结构设计常用结构设计注意事项及常用结构类型，供行业内人士做设计参考。