新エネルギー自動車産業の新時代は、産業の変革と高度化、そして大気環境の保護という二重の使命を担っており、電気自動車用高電圧ケーブルおよび関連アクセサリーの産業発展を大きく推進しています。ケーブルメーカーや認証機関は、電気自動車用高電圧ケーブルの研究開発に多大なエネルギーを注いでいます。電気自動車用高電圧ケーブルは、あらゆる面で高い性能が求められ、RoHSb規格、難燃性等級UL94V-0規格の要件、そして柔軟性を満たす必要があります。本稿では、電気自動車用高電圧ケーブルの材料と製造技術について紹介します。
1.高電圧ケーブルの材質
（１）ケーブルの導体材料
現在、ケーブル導体層の主な材料は銅とアルミニウムの2種類です。一部の企業は、純アルミニウム材料をベースに銅、鉄、マグネシウム、シリコンなどの元素を添加し、合成や焼きなまし処理などの特殊なプロセスを経て、ケーブルの電気伝導性、曲げ性能、耐食性を向上させ、同じ負荷容量の要件を満たし、銅芯導体と同等またはそれ以上の効果を実現することで、アルミニウム芯を使用することで生産コストを大幅に削減できると考えています。そのため、生産コストを大幅に節約できます。しかし、ほとんどの企業は依然として銅を導体層の主要材料とみなしています。まず、銅の抵抗率が低いことに加え、大電流容量、低電圧損失、低エネルギー消費、高い信頼性など、同じレベルのアルミニウムよりも優れた性能を持つ銅が多数存在するためです。現在、導体の選定においては、一般的に国家規格6の軟質導体（単線銅線の伸びが25%以上、単線径が0.30mm未満）を用いて、銅単線の柔軟性と靭性を確保している。表1に、一般的に使用される銅導体材料が満たすべき規格を示す。
（２）ケーブルの絶縁層材料
電気自動車の内部環境は複雑であり、絶縁材料の選択においては、一方では絶縁層の安全な使用を確保し、他方では可能な限り加工が容易で広く使用されている材料を選択する必要がある。現在、一般的に使用されている絶縁材料はポリ塩化ビニル（PVC）である。架橋ポリエチレン（XLPE）シリコーンゴム、熱可塑性エラストマー（TPE）など、およびそれらの主な特性を表2に示します。
中でもPVCには鉛が含まれていますが、RoHS指令では鉛、水銀、カドミウム、六価クロム、ポリ臭化ジフェニルエーテル（PBDE）、ポリ臭化ビフェニル（PBB）などの有害物質の使用が禁止されているため、近年ではPVCはXLPE、シリコーンゴム、TPEなどの環境に優しい素材に置き換えられています。
（３）ケーブルシールド層材料
遮蔽層は、半導電性遮蔽層と編組遮蔽層の2つの部分に分けられます。半導電性遮蔽材の20℃および90℃での体積抵抗率と経年劣化後の体積抵抗率は、遮蔽材を測定するための重要な技術指標であり、高電圧ケーブルの耐用年数を間接的に決定します。一般的な半導電性遮蔽材には、エチレンプロピレンゴム（EPR）、ポリ塩化ビニル（PVC）、およびポリエチレン（PE）原料は、材料をベースにしています。原料に利点がなく、短期間で品質レベルを向上させることができない場合、科学研究機関やケーブル材料メーカーは、シールド材の加工技術と配合比率の研究に注力し、ケーブルの総合的な性能を向上させるために、シールド材の組成比率の革新を追求します。
2.高電圧ケーブルの準備プロセス
（１）導体ストランド技術
ケーブルの基本プロセスは長い間開発されてきたため、業界や企業には独自の標準仕様もあります。伸線プロセスでは、単線の撚り戻しモードに応じて、撚り線装置は撚り戻し撚り線機、撚り戻し撚り線機、撚り戻し/撚り戻し撚り線機に分類できます。銅導体の結晶化温度が高いため、焼鈍温度と時間が長くなり、撚り戻し撚り線装置を使用して連続引張と単線連続引張を行い、伸線の伸びと破断率を向上させるのが適切です。現在、架橋ポリエチレンケーブル（XLPE）は、1～500kVの電圧レベルでオイルペーパーケーブルを完全に置き換えています。XLPE導体には、円形圧縮とワイヤ撚りという2つの一般的な導体成形プロセスがあります。一方、ワイヤーコアは、架橋パイプライン内の高温高圧によってシールド材や絶縁材が撚り線の隙間に押し込まれて無駄になるのを防ぐことができます。他方、導体方向に沿った水の浸入を防ぎ、ケーブルの安全な動作を確保することもできます。銅導体自体は同心円状の撚り線構造であり、主に通常のフレーム撚り線機、フォーク撚り線機などで製造されます。円形圧縮プロセスと比較すると、導体の撚り線が円形に形成されることを保証します。
（２）XLPEケーブル絶縁体の製造工程
高電圧XLPEケーブルの製造には、カテナリー式乾式架橋（CCV）と垂直式乾式架橋（VCV）という2つの成形プロセスがある。
（３）押出成形プロセス
以前は、ケーブルメーカーは二次押出成形プロセスを使用してケーブル絶縁コアを製造していました。最初のステップでは、導体シールドと絶縁層を同時に押出成形し、ケーブルトレイに交差させて巻き取り、一定時間置いてから絶縁シールドを押し出します。1970年代には、絶縁ワイヤコアに1+2三層押出成形プロセスが登場し、内部および外部のシールドと絶縁を単一のプロセスで完了できるようになりました。このプロセスでは、まず導体シールドを押し出し、短い距離（2～5m）後に、導体シールド上に絶縁と絶縁シールドを同時に押し出します。しかし、最初の2つの方法には大きな欠点があったため、1990年代後半に、ケーブル製造装置サプライヤーは、導体シールド、絶縁、絶縁シールドを同時に押し出す三層共押出成形プロセスを導入しました。数年前、海外でも新しい押出機バレルヘッドと湾曲メッシュプレート設計が発表されました。これは、スクリューヘッドキャビティの流れ圧力をバランスさせることで材料の蓄積を軽減し、連続生産時間を延長し、ヘッド設計の仕様を絶えず変更する必要をなくすことで、ダウンタイムコストを大幅に削減し、効率を向上させるものです。
3．結論
新エネルギー車は発展の見込みが高く、巨大な市場を擁しており、高負荷容量、耐高温性、電磁シールド効果、耐曲げ性、柔軟性、長寿命など優れた性能を備えた一連の高電圧ケーブル製品が生産され、市場を席巻する必要がある。電気自動車用高電圧ケーブルの材料とその製造プロセスは、発展の大きな可能性を秘めている。高電圧ケーブルがなければ、電気自動車の生産効率の向上や安全な使用の確保は不可能である。
投稿日時: 2024年8月23日