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高壓大電流連接器的載流能力分析
摘要：應(yīng)用在新能源領(lǐng)域的高壓電氣連接系統(tǒng)，由線纜、連接器、銅/鋁排組成。其中，搭接部分的連接器，是產(chǎn)品載流能力的瓶頸點(diǎn)，其本身的載流能力決定整個(gè)系統(tǒng)的載流能力。
目前行業(yè)應(yīng)用的高壓大電流連接器，涵蓋40A~500A的載流要求。如何在設(shè)計(jì)之初就能準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品的載流能力（即評(píng)估其溫升能力），是連接器行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題。本文針對(duì)載流能力設(shè)置為200A的載高壓連接器進(jìn)行詳細(xì)的電流溫升仿真，計(jì)算此連接器在各種電流載荷下的溫升數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)溫升結(jié)果一一對(duì)應(yīng)，可知此評(píng)估方式可靠、準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞：高壓大電流連接器，溫升，載流能力，溫升測(cè)試，仿真
①前言
對(duì)于新能源汽車，國(guó)內(nèi)談?wù)摯蠖嗍恰半姵?、電機(jī)、電控”三電系統(tǒng)的如何發(fā)展和技術(shù)突破，然而在實(shí)際應(yīng)用中，還有一個(gè)重要的電氣單元——高壓電氣連接系統(tǒng)。
高壓電氣連接系統(tǒng)主要包含高壓線束和連接器，整車故障報(bào)修中，電氣連接系統(tǒng)有一定占比，電連接成為高壓系統(tǒng)中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于高壓連接器產(chǎn)品的質(zhì)量和精度直接影響到連接器的電氣、機(jī)械、環(huán)境等性能，進(jìn)而影響電動(dòng)車輛的行車安全，因此高壓大電流連接器的質(zhì)量要求比較高，須具備良好的電氣、機(jī)械和環(huán)境性能，才能符合整車標(biāo)準(zhǔn)。以下三條是針對(duì)高壓連接器產(chǎn)品的基本性能要求：
--載流能力必須能滿足200A或以上；
--壽命插拔要求在500次以上；
--溫升能力保證在55度以內(nèi)；
其中，溫升性能決定了連接器本身的載流能力。在這些性能中,載流能力是一個(gè)關(guān)鍵性能，它決定連接器產(chǎn)品的能承載的電流等級(jí)。在電動(dòng)汽車或其他應(yīng)用高壓大電流的系統(tǒng)中，200A的載流能力是其基本的功率要求。
如何在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之初就能準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品的載流能力（即評(píng)估其溫升能力），是連接器行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題。
②載流能力-溫升
連接器工作時(shí)，通過(guò)的電流在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度上升，此即為電子連接器的溫升。大電流的連接器必須考慮溫度上升效應(yīng)，USCAR-2-20135.3.3中規(guī)定要求額定載流下，溫升需要在550C以下。
此測(cè)試用于確定連接器系統(tǒng)在室溫下的***大載流能力，是高電流連接器的核心性能。
2.1溫升的理論基礎(chǔ)
溫升是材料的主體電阻作用的結(jié)果。主體電阻由端子的形狀及其材料阻抗決定。端子的溫升取決于熱產(chǎn)生過(guò)程中的熱傳遞所造成的熱能浪費(fèi)。因此溫升又可以說(shuō)是依賴于端子材料的熱傳遞能力，電流的大小和連接器的熱量對(duì)流。
通電流的產(chǎn)生熱能方程：
溫升=***終溫度-初始溫度
在外加條件固定情況下，導(dǎo)電系數(shù)與傳熱系數(shù)是***能作用于溫升的材料屬性。不過(guò)這個(gè)公式對(duì)于溫升只是個(gè)保守的估計(jì)，因?yàn)樗僭O(shè)沒(méi)有通過(guò)對(duì)流或輻射而產(chǎn)生的熱量損失。
從第三個(gè)公式中很明顯地看出，溫升與產(chǎn)品的材料導(dǎo)電系數(shù)和傳熱系數(shù)成反比。為了降低溫升，不僅要提升導(dǎo)電系數(shù)，還要提升材料的傳熱系數(shù)以便可以產(chǎn)生少的熱量而傳出多的熱量，***終降低溫度的上升量
2.2 高壓大電流連接器的溫升仿真
在大電流情況下，整個(gè)連接器會(huì)因通電而產(chǎn)生的熱量引起整個(gè)連接器系統(tǒng)溫度上升，溫度的上升顯著影響連接器的工作性能。對(duì)于大電流連接器，其溫度上升效應(yīng)是必須要考慮的關(guān)鍵性能。
在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，熱量密度來(lái)自于公母連接器及通電線纜的部分。其中熱量密度***高的部位有兩個(gè)：其一，接觸對(duì)的接觸點(diǎn)；其二，端子與線纜的壓接點(diǎn)。
對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)復(fù)雜的高電流連接器而言，采用簡(jiǎn)單的公式根本無(wú)法得出精確值。原因如下：其一，因?yàn)榭諝獾膶?duì)流散熱對(duì)于實(shí)際的溫升度數(shù)有至關(guān)重要的作用,且傳熱的面積因形狀復(fù)雜不能精確確定；其二，發(fā)熱的關(guān)鍵點(diǎn)，接觸對(duì)的接觸點(diǎn)電阻及壓接點(diǎn)電阻都需要足夠的計(jì)算能力與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)才能得到合理精確值。
在大部分企業(yè)，此溫升性能的預(yù)測(cè)和改善都是基于實(shí)踐試驗(yàn)結(jié)果。無(wú)法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之時(shí)確認(rèn)溫升性能，成了制約大電流連接器開發(fā)的一個(gè)瓶頸。
采用CAE仿真工具，我們可以假定大電流連接器是由不同材料組成的一個(gè)整體，在傳熱過(guò)程中，端子部份自身通過(guò)電流生熱，在對(duì)應(yīng)的接觸點(diǎn)部分施加接觸點(diǎn)電阻，在壓接部分施加對(duì)應(yīng)的壓接點(diǎn)電阻，并通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將熱傳給其他部分（如線纜與圓形PIN針等），同時(shí)，裸露在外的所有部份都與空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱的方式來(lái)達(dá)到散熱的目的。如此，可以得出較精確的溫升分析結(jié)果
③高壓大電流連接器載流仿真
本文采用電動(dòng)乘用車中應(yīng)用的載流能力常用等級(jí)-200A高壓大電流連接器，進(jìn)行載流能力仿真。
3.1200A高壓大電流連接器溫升模型及材料
此200A高壓大電流連接器的產(chǎn)品接觸對(duì)內(nèi)簧片，材料為高性能鈹銅1/2HT,其他載流導(dǎo)電部位皆為T2。通過(guò)CAE軟件自帶的模型處理功能，將各接觸區(qū)域粘接為一個(gè)整體。
各零件所采取的材料及其相關(guān)性質(zhì)系數(shù)見(jiàn)表1
3.2 200A高壓大電流連接器的溫升分析過(guò)程
此分析為電熱耦合分析,故采用電熱耦合單元。溫升分析的CAE步驟如下：
***步，建立高壓大電流連接器公母端子對(duì)接模型；
第二步，建立溫升測(cè)試中連接器兩端對(duì)接的線纜模型；
第三步，在連接器兩端的線纜施加載荷電流載荷和電壓載荷）如200A、250A）；
第四步，在接觸對(duì)的簧片、端子壓接部分的線纜體施加對(duì)應(yīng)的熱生成率載荷；
第五步，施加環(huán)境溫度25度，并對(duì)祼露在外的面施加自然對(duì)流系數(shù)；
第六步，計(jì)算載荷；
第七步，提取溫度、電阻及電流密度結(jié)果
根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，上升的溫度一般會(huì)在0.5~1.5小時(shí)后穩(wěn)定。由于熱載荷是穩(wěn)定的，故在此選用的是穩(wěn)態(tài)分析（也曾用一種設(shè)定時(shí)間為5500秒即1.5小時(shí)的瞬態(tài)電熱耦合分析，結(jié)果基本沒(méi)有差別）
3.3200A高壓大電流連接器的溫升分析結(jié)果
對(duì)于設(shè)計(jì)額度為200A的接觸對(duì)的溫升，為了更好的考察過(guò)流能力，按照200A、250A、300A、350A進(jìn)行仿真分析。
3.3.1200A電流溫升分析結(jié)果
載流為200A時(shí)，接觸對(duì)的溫升為65.684-30=35.684°，溫升***高點(diǎn)發(fā)生在簧片內(nèi)部其次為圓形Pin針與簧片接觸區(qū)域，再次為壓接及簧片外部holder處
3.3.2 250A電流溫升分析結(jié)果
載流為250A時(shí)，接觸對(duì)的溫升為85.742-30=55.742°，溫升***高點(diǎn)發(fā)生在簧片內(nèi)，
其次為Pin針與簧片接觸區(qū)域，再次為壓接及簧片外部holder處
3.3.3 300A/350AA電流溫升分析結(jié)果
載流為300A時(shí)，接觸對(duì)的溫升為：110.269-30=80.269°，載流為350A時(shí)，接觸對(duì)的溫升為：139.255-30=109.255°。
3.4溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真誤差分析
實(shí)際的溫升測(cè)試中數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9，測(cè)試數(shù)據(jù)與溫升仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。
④小結(jié)
在對(duì)200A高壓大電流連接器的溫升分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，得到的溫升結(jié)果準(zhǔn)確與否與各連接點(diǎn)的接觸電阻相關(guān)性很大。
因此我們需要提前測(cè)試壓接點(diǎn)的接觸點(diǎn)電阻、各螺栓連接點(diǎn)的接觸電阻，如此才能準(zhǔn)確分析出溫升的結(jié)果。
此外，亦需要根據(jù)簧片扭轉(zhuǎn)后的形狀得出插拔力，再根據(jù)插拔力得出各個(gè)柵條簧片的正向力，再根據(jù)接觸電阻計(jì)算方法得出接觸對(duì)連接點(diǎn)的接觸點(diǎn)電阻，***后匯總所有測(cè)試出的接觸點(diǎn)電阻和計(jì)算出的接觸點(diǎn)電阻，一對(duì)一模擬溫升測(cè)試時(shí)的各種線纜連接和電流載荷施加，即可得出比較符合實(shí)際情況的溫升仿真結(jié)果。
據(jù)此仿真技術(shù)，可以在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，提前確定產(chǎn)品的溫升性能和載流能力，對(duì)高電流連接器的開發(fā)具有莫大的意義。
溫升是確定大電流連接器載流能力的核心性能，根據(jù)理論計(jì)算加仿真人得出的核心端子接觸點(diǎn)電阻，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試出來(lái)的壓接點(diǎn)及連接點(diǎn)的接觸點(diǎn)電阻，施加對(duì)應(yīng)的電流負(fù)載和散熱系數(shù)，為大電流連接器關(guān)鍵性能確定提供了可靠的溫升仿真方法，此方法意義重大。
在大電流連接器的核心性能如溫升、壽命等有限元分析方法研究基本完成的情況下，未來(lái)可對(duì)大電流連接器進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)出性能更優(yōu)異的核心端子結(jié)構(gòu)，大大提升大電流連接器的載流能力和可靠性。