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高壓大電流連接器的載流能力分析
摘要：應用在新能源領(lǐng)域的高壓電氣連接系統，由線(xiàn)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)系統的載流能力。
目前行業(yè)應用的高壓大電流連接器，涵蓋40A~500A的載流要求。如何在設計之初就能準確評估產(chǎn)品的載流能力（即評估其溫升能力），是連接器行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題。本文針對載流能力設置為200A的載高壓連接器進(jìn)行詳細的電流溫升仿真，計算此連接器在各種電流載荷下的溫升數據，與實(shí)驗溫升結果一一對應，可知此評估方式可靠、準確。
關(guān)鍵詞：高壓大電流連接器，溫升，載流能力，溫升測試，仿真
①前言
對于新能源汽車(chē)，國內談?wù)摯蠖嗍恰半姵?、電機、電控”三電系統的如何發(fā)展和技術(shù)突破，然而在實(shí)際應用中，還有一個(gè)重要的電氣單元——高壓電氣連接系統。
高壓電氣連接系統主要包含高壓線(xiàn)束和連接器，整車(chē)故障報修中，電氣連接系統有一定占比，電連接成為高壓系統中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節。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、機械、環(huán)境等性能，進(jìn)而影響電動(dòng)車(chē)輛的行車(chē)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、機械和環(huán)境性能，才能符合整車(chē)標準。以下三條是針對高壓連接器產(chǎn)品的基本性能要求：
--載流能力必須能滿(mǎn)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?xún)龋?/p>
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。在電動(dòng)汽車(chē)或其他應用高壓大電流的系統中，200A的載流能力是其基本的功率要求。
如何在產(chǎn)品的設計之初就能準確評估產(chǎn)品的載流能力（即評估其溫升能力），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，USCAR-2-20135.3.3中規定要求額定載流下，溫升需要在550C以下。
此測試用于確定連接器系統在室溫下的最大載流能力，是高電流連接器的核心性能。
2.1溫升的理論基礎
溫升是材料的主體電阻作用的結果。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。因此溫升又可以說(shuō)是依賴(lài)于端子材料的熱傳遞能力，電流的大小和連接器的熱量對流。
通電流的產(chǎn)生熱能方程：
溫升=最終溫度-初始溫度
在外加條件固定情況下，導電系數與傳熱系數是唯一能作用于溫升的材料屬性。不過(guò)這個(gè)公式對于溫升只是個(gè)保守的估計，因為它假設沒(méi)有通過(guò)對流或輻射而產(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)品的材料導電系數和傳熱系數成反比。為了降低溫升，不僅要提升導電系數，還要提升材料的傳熱系數以便可以產(chǎn)生少的熱量而傳出多的熱量，最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)連接器系統溫度上升，溫度的上升顯著(zhù)影響連接器的工作性能。對于大電流連接器，其溫度上升效應是必須要考慮的關(guān)鍵性能。
在實(shí)際的運用過(guò)程中，熱量密度來(lái)自于公母連接器及通電線(xiàn)纜的部分。其中熱量密度最高的部位有兩個(gè)：其一，接觸對的接觸點(diǎn)；其二，端子與線(xiàn)纜的壓接點(diǎn)。
對實(shí)際設計復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，因為空氣的對流散熱對于實(shí)際的溫升度數有至關(guān)重要的作用,且傳熱的面積因形狀復雜不能精確確定；其二，發(fā)熱的關(guān)鍵點(diǎn)，接觸對的接觸點(diǎn)電阻及壓接點(diǎn)電阻都需要足夠的計算能力與實(shí)際經(jīng)驗才能得到合理精確值。
在大部分企業(yè)，此溫升性能的預測和改善都是基于實(shí)踐試驗結果。無(wú)法在產(chǎn)品設計之時(shí)確認溫升性能，成了制約大電流連接器開(kāi)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，在對應的接觸點(diǎn)部分施加接觸點(diǎn)電阻，在壓接部分施加對應的壓接點(diǎn)電阻，并通過(guò)熱傳導方式將熱傳給其他部分（如線(xiàn)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)行對流傳熱的方式來(lái)達到散熱的目的。如此，可以得出較精確的溫升分析結果
③高壓大電流連接器載流仿真
本文采用電動(dòng)乘用車(chē)中應用的載流能力常用等級-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)品接觸對內簧片，材料為高性能鈹銅1/2HT,其他載流導電部位皆為T(mén)2。通過(guò)CAE軟件自帶的模型處理功能，將各接觸區域粘接為一個(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：
第一步，建立高壓大電流連接器公母端子對接模型；
第二步，建立溫升測試中連接器兩端對接的線(xiàn)纜模型；
第三步，在連接器兩端的線(xiàn)纜施加載荷電流載荷和電壓載荷）如200A、250A）；
第四步，在接觸對的簧片、端子壓接部分的線(xiàn)纜體施加對應的熱生成率載荷；
第五步，施加環(huán)境溫度25度，并對祼露在外的面施加自然對流系數；
第六步，計算載荷；
第七步，提取溫度、電阻及電流密度結果
根據實(shí)驗驗證，上升的溫度一般會(huì )在0.5~1.5小時(shí)后穩定。由于熱載荷是穩定的，故在此選用的是穩態(tài)分析（也曾用一種設定時(shí)間為5500秒即1.5小時(shí)的瞬態(tài)電熱耦合分析，結果基本沒(méi)有差別）
3.3200A高壓大電流連接器的溫升分析結果
對于設計額度為200A的接觸對的溫升，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電流溫升分析結果
載流為200A時(shí)，接觸對的溫升為65.684-30=35.684°，溫升最高點(diǎn)發(fā)生在簧片內部其次為圓形Pin針與簧片接觸區域，再次為壓接及簧片外部holder處
3.3.2 250A電流溫升分析結果
載流為250A時(shí)，接觸對的溫升為85.742-30=55.742°，溫升最高點(diǎn)發(fā)生在簧片內，
其次為Pin針與簧片接觸區域，再次為壓接及簧片外部holder處
3.3.3 300A/350AA電流溫升分析結果
載流為300A時(shí)，接觸對的溫升為：110.269-30=80.269°，載流為350A時(shí)，接觸對的溫升為：139.255-30=109.255°。
3.4溫升試驗數據和仿真誤差分析
實(shí)際的溫升測試中數據見(jiàn)圖9，測試數據與溫升仿真分析數據對比見(jiàn)表2。
④小結
在對200A高壓大電流連接器的溫升分析過(guò)程中發(fā)現，得到的溫升結果準確與否與各連接點(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，如此才能準確分析出溫升的結果。
此外，亦需要根據簧片扭轉后的形狀得出插拔力，再根據插拔力得出各個(gè)柵條簧片的正向力，再根據接觸電阻計算方法得出接觸對連接點(diǎn)的接觸點(diǎn)電阻，最后匯總所有測試出的接觸點(diǎn)電阻和計算出的接觸點(diǎn)電阻，一對一模擬溫升測試時(shí)的各種線(xiàn)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果。
據此仿真技術(shù)，可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計時(shí)，提前確定產(chǎn)品的溫升性能和載流能力，對高電流連接器的開(kāi)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，根據理論計算加仿真人得出的核心端子接觸點(diǎn)電阻，并實(shí)驗測試出來(lái)的壓接點(diǎn)及連接點(diǎn)的接觸點(diǎn)電阻，施加對應的電流負載和散熱系數，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)可對大電流連接器進(jìn)行參數化優(yōu)化設計，開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的核心端子結構，大大提升大電流連接器的載流能力和可靠性。