高壓大電流連接器的載流能力分析

　　摘要：應用在新能源領域的高壓電氣連接系統，由線纜、連接器、銅/鋁排組成。其中，搭接部分的連接器，是產品載流能力的瓶頸點，其本身的載流能力決定整個系統的載流能力。

　　目前行業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品的載流能力（即評估其溫升能力），是連接器行業亟需解決的技術難題。本文針對載流能力設置為200A的載高壓連接器進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，與實驗溫升結果一一對應，可知此評估方式可靠、準確。

　　關鍵詞：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，國內談論大多是“電池、電機、電控”三電系統的如何發展和技術突破，然而在實際應用中，還有一個重要的電氣單元——高壓電氣連接系統。

　　高壓電氣連接系統主要包含高壓線束和連接器，整車故障報修中，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環節。由于高壓連接器產品的質量和精度直接影響到連接器的電氣、機械、環境等性能，進而影響電動車輛的行車安全，因此高壓大電流連接器的質量要求比較高，須具備良好的電氣、機械和環境性能，才能符合整車標準。以下三條是針對高壓連接器產品的基本性能要求：

　　--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；

　　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,載流能力是一個關鍵性能，它決定連接器產品的能承載的電流等級。在電動汽車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。

　　如何在產品的設計之初就能準確評估產品的載流能力（即評估其溫升能力），是連接器行業亟需解決的技術難題。

　　②載流能力-溫升

　　連接器工作時，通過的電流在接觸點處產生熱量，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生過程中的熱傳遞所造成的熱能浪費。因此溫升又可以說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流。

　　通電流的產生熱能方程：

　　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。不過這個公式對于溫升只是個保守的估計，因為它假設沒有通過對流或輻射而產生的熱量損失。

　　從第三個公式中很明顯地看出，溫升與產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，整個連接器會因通電而產生的熱量引起整個連接器系統溫度上升，溫度的上升顯著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鍵性能。

　　在實際的運用過程中，熱量密度來自于公母連接器及通電線纜的部分。其中熱量密度最高的部位有兩個：其一，接觸對的接觸點；其二，端子與線纜的壓接點。

　　對實際設計復雜的高電流連接器而言，采用簡單的公式根本無法得出精確值。原因如下：其一，因為空氣的對流散熱對于實際的溫升度數有至關重要的作用,且傳熱的面積因形狀復雜不能精確確定；其二，發熱的關鍵點，接觸對的接觸點電阻及壓接點電阻都需要足夠的計算能力與實際經驗才能得到合理精確值。

　　在大部分企業，此溫升性能的預測和改善都是基于實踐試驗結果。無法在產品設計之時確認溫升性能，成了制約大電流連接器開發的一個瓶頸。

　　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整體，在傳熱過程中，端子部份自身通過電流生熱，在對應的接觸點部分施加接觸點電阻，在壓接部分施加對應的壓接點電阻，并通過熱傳導方式將熱傳給其他部分（如線纜與圓形PIN針等），同時，裸露在外的所有部份都與空氣進行對流傳熱的方式來達到散熱的目的。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

　　本文采用電動乘用車中應用的載流能力常用等級-200A高壓大電流連接器，進行載流能力仿真。

　　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T2。通過CAE軟件自帶的模型處理功能，將各接觸區域粘接為一個整體。

　　各零件所采取的材料及其相關性質系數見表1

　　3.2 200A高壓大電流連接器的溫升分析過程

　　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，在接觸對的簧片、端子壓接部分的線纜體施加對應的熱生成率載荷；

　　第五步，施加環境溫度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

　　根據實驗驗證，上升的溫度一般會在0.5~1.5小時后穩定。由于熱載荷是穩定的，故在此選用的是穩態分析（也曾用一種設定時間為5500秒即1.5小時的瞬態電熱耦合分析，結果基本沒有差別）

　　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，為了更好的考察過流能力，按照200A、250A、300A、350A進行仿真分析。

　　3.3.1200A電流溫升分析結果

　　載流為200A時，接觸對的溫升為65.684-30=35.684°，溫升最高點發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，接觸對的溫升為85.742-30=55.742°，溫升最高點發生在簧片內，

　　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，接觸對的溫升為：110.269-30=80.269°，載流為350A時，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

　　實際的溫升測試中數據見圖9，測試數據與溫升仿真分析數據對比見表2。

④小結

　　在對200A高壓大電流連接器的溫升分析過程中發現，得到的溫升結果準確與否與各連接點的接觸電阻相關性很大。

　　因此我們需要提前測試壓接點的接觸點電阻、各螺栓連接點的接觸電阻，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的接觸點電阻，最后匯總所有測試出的接觸點電阻和計算出的接觸點電阻，一對一模擬溫升測試時的各種線纜連接和電流載荷施加，即可得出比較符合實際情況的溫升仿真結果。

　　據此仿真技術，可以在產品開發設計時，提前確定產品的溫升性能和載流能力，對高電流連接器的開發具有莫大的意義。

　　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電阻，并實驗測試出來的壓接點及連接點的接觸點電阻，施加對應的電流負載和散熱系數，為大電流連接器關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，未來可對大電流連接器進行參數化優化設計，開發出性能更優異的核心端子結構，大大提升大電流連接器的載流能力和可靠性。