用于新能源汽车的高柔性屏蔽软电缆及在线监测方法与流程

本发明属于新能源汽车电线电缆，尤其涉及用于新能源汽车的高柔性屏蔽软电缆及在线监测方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车产业快速发展，整车高压平台逐步由400v向800v高压系统升级，车载动力电缆作为电池、电机、逆变器之间电能传输的核心载体，大量布置于底盘、机舱等狭小区域。车辆行驶过程中电缆持续承受往复弯折、扭转、路面颠簸带来的持续振动冲击；同时逆变器高频载波工作会产生宽频电磁谐波干扰，不仅影响整车各类车载控制器、传感器正常工作，还会向外辐射电磁噪声。因此，高压车载电缆同时需要具备优异的耐动态弯折疲劳性能、高压绝缘稳定性、全频段电磁屏蔽能力、耐高低温及阻燃特性。

2、目前，市面上常规新能源汽车多芯屏蔽软电缆仍存在诸多缺陷：传统电缆缆芯填充多采用实心橡胶、普通纤维绳填充，填充结构缺少自适应形变能力。电缆反复弯折、挤压时，应力集中直接作用于绝缘线芯表面，长期动态载荷下极易造成绝缘层挤压变形、开裂。面向800v高压平台的电缆普遍缺少电场均衡结构，高压工况下绝缘层外表面容易积聚静电，引发电场畸变，产生局部放电现象，持续加速绝缘材料老化，缩短电缆使用寿命。

3、此外，屏蔽层是决定电缆电磁屏蔽性能的关键结构。车载电缆长期处于往复弯折与振动工况下，金属编织屏蔽层的铜丝极易发生疲劳断丝、局部损伤与厚度减薄，导致屏蔽效果逐步劣化甚至失效，进而引发整车电磁干扰、控制器误动作等隐患。然而，现有电缆的屏蔽层损伤往往只能在停机后通过离线测量屏蔽层两端电阻等方式判断，无法在车辆运行过程中实时感知屏蔽层的健康状态，更无法在断丝发生之前识别断裂前异常，也无法对损伤点进行定位与剩余寿命预测。屏蔽层故障往往具有隐蔽性、突发性，成为新能源汽车高压系统可靠性提升的技术盲区。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了用于新能源汽车的高柔性屏蔽软电缆及其屏蔽层健康状态的在线监测方法，具备弯折寿命长、应力分散效果好、全频段电磁屏蔽、高压耐老化、层间不易分层滑移的优点，并通过配套的在线监测方法实现屏蔽层健康状态在线分级监测、损伤定位与剩余寿命预测，解决了现有技术中电缆弯折易开裂、屏蔽易失效、高压工况易发生局部放电、振动环境下层间磨损老化、屏蔽层损伤难以在线感知与预测的问题。

2、本发明是这样实现的，用于新能源汽车的高柔性屏蔽软电缆，包括缆芯，所述缆芯之间填充固定有弹性填充层，所述弹性填充层的外围填充固定有复合纤维填充垫层，所述复合纤维填充垫层的外围固定包覆有导电均压缓冲层，所述导电均压缓冲层的外围固定包覆有复合屏蔽层，所述复合屏蔽层由内到外依次包括pet铜箔绕包屏蔽内层、镀锡铜丝编织屏蔽中层、铜纤维缓冲网套屏蔽外层，所述复合屏蔽层的外围固定包覆有eva过渡缓冲层，所述eva过渡缓冲层的外围固定包覆有阻燃外护套层。

3、作为本发明优选的，所述缆芯包括镀锡绞合导体，所述镀锡绞合导体的外围固定包覆有xlpe绝缘基底层，所述xlpe绝缘基底层的外围固定包覆有tpee柔性绝缘包裹层。

4、通过该设置，xlpe绝缘基底层保证电缆基础耐高压、耐电晕性能，外层tpee柔性绝缘包裹层提升绝缘整体柔韧性，双层复合绝缘结构优势互补，承受反复弯折时不易出现绝缘脆裂，适配车载动态弯折工况。

5、作为本发明优选的，所述弹性填充层由若干个紧密排列的tpu弹性支撑管组成，所述tpu弹性支撑管的内部固定连接有硅橡胶分隔条，所述硅橡胶分隔条将tpu弹性支撑管的内部分隔为若干个中空腔体。

6、通过该设置，中空腔体提供形变缓冲余量，电缆受挤压、弯折时依靠腔体形变吸收冲击应力，硅橡胶分隔条提升支撑管径向支撑能力，防止填充结构塌陷，持续维持缆芯结构稳定。

7、作为本发明优选的，每一所述tpu弹性支撑管的外表面均开设有若干个环形释放槽。

8、通过该设置，环形释放槽形成多点应力释放结构，进一步分散弯折产生的集中应力，避免应力持续堆积造成缆芯绝缘挤压损伤，提升电缆扭转疲劳寿命。

9、作为本发明优选的，所述复合纤维填充垫层采用芳纶纤维与聚酯纤维混纺毡材质填充而成。

10、通过该设置，混纺纤维毡能够弥合弹性填充层外表面凹凸间隙，形成平整光滑的外周支撑面，避免外层导电均压缓冲层、复合屏蔽层受压褶皱破损，同时材料低摩擦、耐高温，减少层间相对运动带来的磨损。

11、作为本发明优选的，所述导电均压缓冲层采用掺杂石墨微粉的聚酯弹性基带制成，所述导电均压缓冲层螺旋绕包在复合纤维填充垫层的外围。

12、通过该设置，导电均压缓冲层为弱导电半导电结构，能够均匀缆芯外围电场，疏导绝缘表面积聚静电荷，抑制电场畸变，降低高压局部放电风险，弹性基带同时起到缓冲隔离作用。

13、作为本发明优选的，所述铜纤维缓冲网套屏蔽外层和镀锡铜丝编织屏蔽中层之间设有若干个缓冲空腔，所述缓冲空腔内填充有改性微弹tpu弹性填充丝。

14、通过该设置，改性微弹tpu弹性填充丝构建缓冲式屏蔽体系，既保留缓冲形变空间，又避免两层屏蔽过度贴合摩擦，车辆振动、电缆弯折时，缓冲空腔与填充丝协同吸收剪切应力，有效防止屏蔽铜丝疲劳断裂。

15、作为本发明优选的，所述pet铜箔绕包屏蔽内层上涂覆有铁氧体吸波涂层。

16、通过该设置，铁氧体吸波涂层可以吸收电机工作产生的低频磁场干扰，配合pet铜箔绕包屏蔽内层、镀锡铜丝编织屏蔽中层阻挡高频电磁波，实现低频吸磁、高频屏蔽相结合，有效抑制电缆工作时向外辐射电磁干扰，同时抵御车载电机、功率器件产生的外部电磁噪声，保障整车各类电气元器件稳定运行，满足车载电磁兼容相关规范要求。

17、作为本发明优选的，所述eva过渡缓冲层的外表面固定有防滑纹，所述阻燃外护套层采用sebs改性低烟无卤阻燃弹性护套。

18、通过该设置，防滑纹增大eva过渡缓冲层与阻燃外护套层之间界面摩擦力，防止使用过程中层间相对滑移、分层，sebs改性护套具备耐高低温、耐油污、耐紫外老化、低烟无卤特性，适配新能源汽车机舱、底盘恶劣使用环境。

19、本发明还提供一种屏蔽层健康状态的在线监测方法，用于上述任一方案的用于新能源汽车的高柔性屏蔽软电缆。该监测方法的要点在于：不改变电缆主体的分层结构、不在电缆内部增设传感器件，仅复用电缆端部已剥露引出的镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层作为同轴传输线，通过监测该同轴传输线的直流电阻变化率与高频传输损耗变化量两个电气量，实现对屏蔽层疲劳断丝与断裂前异常的在线预警，并可进一步实现损伤定位与剩余寿命预测。

20、该方法的物理基础在于：镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层同轴布置，二者之间由改性微弹tpu弹性填充丝与缓冲空腔隔开，构成一具有确定分布参数的同轴传输线。屏蔽层铜丝的疲劳断丝、局部颈缩、单丝部分断裂，实质是单位长度串联电阻增大，即损耗增大；有耗传输线的衰减常数≈r/（2z0），与单位长度高频等效串联电阻r一阶正比；而疲劳断丝及编织层表面损伤、丝间接触电阻增大主要发生在导体表层与丝间接触界面，受高频电流集肤效应影响，这些表面损伤使高频等效串联电阻的增幅显著大于直流电阻的增幅，故高频传输损耗，如插入损耗、远端反射回波的往返衰减，对断丝前兆的响应显著先于并强于直流电阻变化率。据此，本发明以高频传输损耗变化量作为断裂前异常预警量，以四线法直流电阻变化率作为疲劳断裂确认量，两者配合实现“先感知前兆、后确认断裂”的分级监测。

21、所述屏蔽层健康状态的在线监测方法，以所述电缆端部设置的测量端为执行载体。测量端在电缆两端将镀锡铜丝编织屏蔽中层的两端引出第一引出端，将铜纤维缓冲网套屏蔽外层的两端引出第二引出端；引出端自电缆端部剥露该两层屏蔽后引出，仅位于电缆端部、不破坏电缆主体的分层结构。第一引出端、第二引出端通过受控开关连接至屏蔽接地端子，受控开关在测量时断开接地、使镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层在测量瞬间与车身电气隔离，在测量完成后闭合恢复接地。该接地切换处理的必要性在于：当屏蔽层两端均接车身时，车身大截面金属导体与屏蔽层构成并联回路，四线法测得的直流电阻为“屏蔽层与车身”的并联值，近似为车身电阻，断丝引起的毫欧级变化被完全淹没；同时高频检查信号也会经测量端口泄入车身，无法有效注入同轴传输线。故测量时需将屏蔽层与车身暂时电气隔离，测后恢复，以兼顾屏蔽接地性能与测量精度。

22、在此基础上，所述方法包括标定步骤、测量步骤、计算步骤、判定步骤与输出步骤，各步骤依次执行，上一步骤的输出作为下一步骤的输入，构成完整的监测数据流。

23、s10、标定；在电缆处于健康状态时，即出厂标定或装车首次上电自检时，通过恒流源向第一引出端施加恒定直流测试电流，通过电压表按四线法测量镀锡铜丝编织屏蔽中层两端的直流电阻，得到初始直流电阻r0；同时，向由镀锡铜丝编织屏蔽中层作为内导体、铜纤维缓冲网套屏蔽外层作为外导体构成的同轴传输线注入扫频交流检查信号，测量初始传输损耗a0（f），其中f为检查信号频率；将初始直流电阻r0与初始传输损耗a0（f）作为健康基线存储于监测单元。

24、s20、测量；在车辆运行过程中，按设定周期重复标定步骤中的测量操作，得到当前直流电阻r（t）与当前传输损耗a（t,f）。

25、s30、计算；计算直流电阻变化率δr=（r（t）−r0）/r0×100%，以及传输损耗变化量δa。

26、s40、判定；当直流电阻变化率δr大于或等于第一阈值时，判定镀锡铜丝编织屏蔽中层已发生疲劳断裂，输出屏蔽层疲劳断裂预警信号；当直流电阻变化率δr小于第一阈值且传输损耗变化量δa大于或等于第二阈值时，判定复合屏蔽层出现断裂前异常，输出屏蔽层早期劣化预警信号。

27、s50、输出；将判定结果与预警信号输出至整车监控系统，提示检修。

28、作为本发明优选的，所述四线法为：将两根恒流线分别连接于第一引出端，恒流源通过两根恒流线向镀锡铜丝编织屏蔽中层通入恒定直流测试电流；将两根电压采样线分别就近并接于第一引出端的内侧，电压表通过两根电压采样线采样；电压采样回路采用高输入阻抗，电压表读数为镀锡铜丝编织屏蔽中层两端的真实压降，使计算所得的直流电阻不包含恒流线的引线电阻与第一引出端的接触电阻。由于镀锡铜丝编织屏蔽中层的直流电阻量级很低，引线电阻与接触电阻若不剔除将严重干扰测量精度，四线法可有效保证δr判据的可靠性。

29、作为本发明优选的，所述初始传输损耗a0（f）与当前传输损耗a（t,f）采用频域扫频法测量：向同轴传输线的近端注入扫频交流检查信号，所述同轴传输线的近端注入端口构成第一测量端口，同轴传输线的远端引出端回接至监测单元构成第二测量端口，在第二测量端口回读信号并测量散射参数，取插入损耗a=−20lg|s21（f）|作为传输损耗，其中s21（f）为正向传输散射参数；扫频交流检查信号的频率范围为100khz～100mhz；传输损耗变化量δa取全扫频频段内传输损耗幅值偏差的最大值，即δa=max|a（t,f）−a0（f）|。

30、作为本发明并列的实施方式，所述初始传输损耗a0（f）与当前传输损耗a（t,f）亦可采用时域反射法测量：向同轴传输线注入阶跃脉冲检查信号，以远端反射回波的往返衰减作为传输损耗量；当镀锡铜丝编织屏蔽中层出现局部损伤时，局部损伤处反射系数增大并产生反射峰，依据反射峰的时延t按l=v·t/2计算损伤点距测量端的距离l，实现损伤定位，其中v为检查信号在同轴传输线中的传播速度，于出厂标定或装车时按v=2l/t0实测确定，l为同轴传输线长度、t0为远端反射回波往返时延，或取等效介电常数对应的近似定值。由此，断裂前异常的检测与损伤点定位可在一套时域反射测量中同时完成。

31、需要说明的是，开路-短路法测量特性阻抗虽在实验室标定中可用，但其要求电缆远端能分别设置开路状态与短路状态，而装车后远端位于电机端或电池端、无法操作，且双端接地下本身无法构成开路状态，故开路-短路法仅作为出厂或实验室标定手段，不作为装车在线监测手段。本发明装车在线监测以频域扫频法或时域反射法为主。

32、作为本发明优选的，为消除温度对测量的干扰，在标定步骤与测量步骤中同步测量电缆的温度，并依据温度系数对初始直流电阻r0与当前直流电阻r（t）进行温度归一化后再参与计算：将实测电阻折算至标定温度t0下，rnorm=r/（1+α（t−t0）），其中α为温度系数，t为测量时温度，r为实测电阻；镀锡铜丝的温度系数约为0.00393/℃。对初始传输损耗a0（f）与当前传输损耗a（t,f）同样按温度归一化后计算传输损耗变化量δa：由于传输损耗与单位长度串联电阻成正比、而串联电阻随温度按（1+α（t−t0））变化，故将实测损耗折算至标定温度t0下，anorm=a/（1+α（t−t0）），其中α为温度系数，t为测量时温度，a为实测损耗；以此消除导体电阻随温度漂移对传输损耗的主要影响。需要说明的是，该归一化以导体电阻损耗为传输损耗的相对主导项、其温度敏感性显著高于介质损耗等其他分量为前提；本实施例扫频检查信号频率为100khz～100mhz，在该测量条件下近似成立，介质损耗等其他分量随温度的变化予以忽略。

33、作为本发明优选的，所述判定步骤采用分级判定：当δr≥第一阈值时判定为重度疲劳断裂；当δr＜第一阈值且δa≥第三阈值时判定为中度断裂前异常；当δr＜第一阈值且第二阈值≤δa＜第三阈值时判定为轻度断裂前异常；轻度断裂前异常、中度断裂前异常、重度疲劳断裂对应递增的预警等级；输出步骤按预警等级输出不同等级的预警信号。本实施例中，第一阈值取15%，第二阈值取1db，第三阈值取3db，阈值均为本实施例设定值。

34、作为本发明优选的，所述设定周期根据上一周期的预警等级自适应调整：无预警时采用基准周期，出现轻度断裂前异常时采用第一缩短周期，出现中度断裂前异常时采用第二缩短周期，出现重度疲劳断裂时采用第三缩短周期，基准周期＞第一缩短周期＞第二缩短周期＞第三缩短周期，形成测量、计算、判定、输出、调整周期的监测闭环。本实施例中，基准周期为每累计运行100km执行一次，第一缩短周期为50km，第二缩短周期为10km，第三缩短周期为每次上电自检即执行。

35、作为本发明优选的，所述监测单元包括恒流源、电压表、损耗测量单元、温度测量单元、受控开关、存储单元与处理器，处理器依据健康基线、当前直流电阻r（t）、当前传输损耗a（t,f）及温度执行计算步骤与判定步骤；存储单元存储健康基线及r（t）、a（t,f）的历史序列。

36、作为本发明优选的，还包括剩余寿命预测步骤：处理器对历史序列中直流电阻变化率δr随时间的变化进行线性拟合，得到第一斜率kδr，对传输损耗变化量δa随时间的变化进行线性拟合，得到第二斜率kδa；依据rend=r0·（1+δrth）确定疲劳断裂对应的寿命终点，其中δrth为第一阈值；依据第一斜率kδr推算电缆达到寿命终点所需的剩余时间，依据第二斜率kδa推算电缆达到第三阈值所需的剩余时间，取两者中的较小值作为剩余寿命预测值的保守输出；当当前传输损耗变化量δa已达到第三阈值时，以依据第一斜率kδr推算的结果作为剩余寿命预测值；当剩余寿命预测值低于设定预警时间时，提前输出维护建议。

37、作为本发明优选的，所述受控开关为固态开关或继电器，设置于第一引出端、第二引出端与屏蔽接地端子之间，测量时断开、使镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层两端均与车身电气隔离，测量完成后闭合恢复接地。其中，测量直流电阻时仅需断开一侧接地即可消除屏蔽层与车身并联对测量的影响；而测量传输损耗时需断开两端接地，以免远端接地使信号经远端短接而无法有效传输。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

39、通过带中空腔体与环形释放槽的tpu弹性支撑管作为缆芯填充结构，搭配复合纤维填充垫层，多层结构逐级分散弯折、挤压应力，有效避免应力集中损伤缆芯绝缘，提升电缆动态弯折疲劳寿命；在复合纤维填充垫层与复合屏蔽层之间增设导电均压缓冲层，均衡高压电场、释放累积静电，改善800v高压工况下电缆耐局部放电能力，延缓绝缘老化；采用三层梯度复合屏蔽结构，配合铁氧体吸波涂层实现全频段电磁干扰抑制；镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层之间设置带改性微弹tpu弹性填充丝的缓冲空腔，构建缓冲式屏蔽体系，防止屏蔽铜丝疲劳断裂；eva过渡缓冲层设置防滑纹，配合外层sebs低烟无卤阻燃护套，杜绝层间滑移分层，同时兼顾耐磨、耐候、阻燃性能。

40、同时，本发明的在线监测方法在不改变电缆主体分层结构、不在电缆内部增设传感器件的条件下，将已有的镀锡铜丝编织屏蔽中层与铜纤维缓冲网套屏蔽外层复用为同轴传输线，通过测量时的接地切换消除车身并联干扰，以四线法直流电阻变化率确认疲劳断裂、以高频传输损耗变化量感知断裂前异常，并配合温度归一化、分级判定、周期自适应、时域反射法损伤定位与剩余寿命预测，实现对屏蔽层疲劳断丝与断裂前异常的在线自感知，解决屏蔽层损伤难以实时监测的行业盲区，提升新能源汽车高压系统的可靠性，为整车预测性维护提供数据支撑。