L'ère nouvelle de l'industrie automobile à énergies nouvelles repose sur une double mission : la transformation et la modernisation industrielles, ainsi que la protection de l'environnement. Ce double enjeu stimule fortement le développement industriel des câbles haute tension et autres accessoires pour véhicules électriques. Les fabricants de câbles et les organismes de certification ont investi massivement dans la recherche et le développement de ces câbles. Les câbles haute tension pour véhicules électriques doivent répondre à des exigences de performance élevées à tous les niveaux et satisfaire aux normes RoHSb, UL94V-0 (classe de résistance au feu) et présenter un comportement souple. Cet article présente les matériaux et les techniques de fabrication des câbles haute tension pour véhicules électriques.
1. Matériau du câble haute tension
(1) Matériau conducteur du câble
Actuellement, les conducteurs de câbles sont principalement composés de deux matériaux : le cuivre et l’aluminium. Certaines entreprises estiment que l’utilisation d’une âme en aluminium permet de réduire considérablement leurs coûts de production. Pour ce faire, elles ajoutent du cuivre, du fer, du magnésium, du silicium et d’autres éléments à l’aluminium pur, grâce à des procédés spécifiques tels que la synthèse et le recuit. Ces procédés améliorent la conductivité électrique, la rigidité diélectrique et la résistance à la corrosion du câble, afin de répondre aux exigences de capacité de charge équivalente et d’obtenir des performances similaires, voire supérieures, à celles des conducteurs à âme en cuivre. Ainsi, les coûts de production sont fortement réduits. Cependant, la plupart des entreprises privilégient encore le cuivre comme matériau principal pour les conducteurs. Tout d’abord, sa faible résistivité et, à performances égales, ses qualités sont généralement supérieures à celles de l’aluminium : capacité de transport de courant élevée, faibles pertes de tension, faible consommation d’énergie et grande fiabilité. Actuellement, le choix des conducteurs se fonde généralement sur la norme nationale 6 relative aux conducteurs souples (allongement du fil de cuivre unique supérieur à 25 %, diamètre du monofilament inférieur à 0,30 mm) afin de garantir la souplesse et la ténacité du monofilament de cuivre. Le tableau 1 répertorie les normes auxquelles doivent répondre les matériaux conducteurs en cuivre couramment utilisés.
(2) Matériaux de la couche isolante des câbles
L'environnement intérieur des véhicules électriques est complexe, notamment en ce qui concerne le choix des matériaux isolants. Il faut d'une part garantir la sécurité d'utilisation de la couche isolante, et d'autre part privilégier autant que possible des matériaux faciles à mettre en œuvre et largement utilisés. Actuellement, les matériaux isolants les plus couramment utilisés sont le polychlorure de vinyle (PVC).polyéthylène réticulé (XLPE), le caoutchouc de silicone, l'élastomère thermoplastique (TPE), etc., et leurs principales propriétés sont présentées dans le tableau 2.
Parmi eux, le PVC contient du plomb, mais la directive RoHS interdit l'utilisation du plomb, du mercure, du cadmium, du chrome hexavalent, des polybromodiphényléthers (PBDE) et des polybromobiphényles (PBB) ainsi que d'autres substances nocives. C'est pourquoi, ces dernières années, le PVC a été remplacé par le XLPE, le caoutchouc de silicone, le TPE et d'autres matériaux respectueux de l'environnement.
(3) Matériau de la couche de blindage du câble
La couche de blindage se divise en deux parties : une couche de blindage semi-conductrice et une couche de blindage tressée. La résistivité volumique du matériau de blindage semi-conducteur à 20 °C et 90 °C, ainsi qu’après vieillissement, constitue un indice technique important pour évaluer ce matériau et déterminer indirectement la durée de vie du câble haute tension. Parmi les matériaux de blindage semi-conducteurs courants, on trouve le caoutchouc éthylène-propylène (EPR), le polychlorure de vinyle (PVC) et…polyéthylène (PE)Dans le cas où la matière première ne présente aucun avantage et où le niveau de qualité ne peut être amélioré à court terme, les instituts de recherche scientifique et les fabricants de matériaux pour câbles concentrent leurs efforts sur la recherche concernant la technologie de traitement et la formulation du matériau de blindage, et recherchent des innovations dans la composition de ce matériau afin d'améliorer les performances globales du câble.
2. Processus de préparation des câbles haute tension
(1) Technologie des brins conducteurs
Le procédé de fabrication des câbles est développé depuis longtemps, ce qui explique l'existence de normes et de spécifications propres à l'industrie et aux entreprises. Lors du tréfilage, selon le mode de détoronnage du fil, on distingue différentes machines de tréfilage : les machines à détoronner, les machines à détoronner et les machines à détoronner/détoronner. Compte tenu de la température de cristallisation élevée du cuivre, le recuit étant long et à température élevée, il est préférable d'utiliser une machine à détoronner pour réaliser un tréfilage continu, notamment pour les fils individuels, afin d'améliorer l'allongement et de réduire la rupture. Actuellement, le câble en polyéthylène réticulé (XLPE) a complètement remplacé le câble papier-huile pour les tensions de 1 à 500 kV. Deux procédés de formation de conducteurs sont couramment utilisés pour les conducteurs XLPE : le compactage circulaire et le torsadage. D'une part, l'âme du câble permet d'éviter que les températures et pressions élevées présentes dans la canalisation réticulée ne compriment le matériau de blindage et l'isolant dans l'espace entre les brins, évitant ainsi le gaspillage. D'autre part, elle empêche également les infiltrations d'eau dans le sens du conducteur, garantissant ainsi le bon fonctionnement du câble. Le conducteur en cuivre est constitué de brins concentriques, généralement produits par des machines à câbler classiques, telles que des machines à câbler à cadre ou à fourche. Comparé au procédé de compactage circulaire, ce procédé assure une formation circulaire des brins.
(2) Procédé de production d'isolation de câbles XLPE
Pour la production de câbles XLPE haute tension, la réticulation à sec caténaire (CCV) et la réticulation à sec verticale (VCV) sont deux procédés de formation.
(3) Procédé d'extrusion
Auparavant, les fabricants de câbles utilisaient un procédé d'extrusion secondaire pour produire l'âme isolante. La première étape consistait à extruder simultanément le blindage conducteur et la couche isolante, puis à réticuler et enrouler l'âme sur le chemin de câbles. Après un temps de repos, le blindage isolant était extrudé. Dans les années 1970, un procédé d'extrusion trois couches (1+2) est apparu pour l'âme du câble isolé, permettant de réaliser le blindage et l'isolation internes et externes en une seule opération. Ce procédé extrudait d'abord le blindage conducteur, puis, sur une courte distance (2 à 5 m), l'isolant et le blindage isolant étaient extrudés simultanément sur le blindage conducteur. Cependant, les deux premières méthodes présentaient des inconvénients majeurs. C'est pourquoi, à la fin des années 1990, les fournisseurs d'équipements de production de câbles ont introduit un procédé de co-extrusion trois couches, qui extrudait simultanément le blindage conducteur, l'isolant et le blindage isolant. Il y a quelques années, des pays étrangers ont également lancé une nouvelle conception de tête de cylindre d'extrudeuse et de plaque à mailles incurvée, en équilibrant la pression d'écoulement dans la cavité de la tête de vis pour atténuer l'accumulation de matière, prolonger le temps de production continue, le remplacement du changement incessant des spécifications de la tête peut également réduire considérablement les coûts liés aux temps d'arrêt et améliorer l'efficacité.
3. Conclusion
Les véhicules à énergies nouvelles présentent de belles perspectives de développement et un marché immense. Leur production et leur commercialisation nécessitent une gamme de câbles haute tension aux performances exceptionnelles : capacité de charge élevée, résistance aux hautes températures, blindage électromagnétique, résistance à la flexion, flexibilité, longue durée de vie, etc. Le développement des matériaux et des procédés de fabrication des câbles haute tension pour véhicules électriques offre de vastes perspectives. Sans câbles haute tension, il est impossible d'améliorer l'efficacité de la production et de garantir la sécurité d'utilisation des véhicules électriques.
Date de publication : 23 août 2024