趙 輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）

近十幾年，中國汽車產(chǎn)業(yè)得到了超常規(guī)的穩(wěn)定發(fā)展，隨著清潔能源技術(shù)和智能電網(wǎng)的發(fā)展和推廣，對電動汽車用高壓線束的需求會越來越大，電動汽車的電池供電系統(tǒng)、光伏、風(fēng)能等清潔能源并網(wǎng)發(fā)電用逆變器電源切換控制等使用場所都會用到大電流連接器進(jìn)行傳輸和連接。電動汽車用高壓線束作為汽車上的一個重要部件，必將迎來大發(fā)展的歷史機(jī)遇。

1 概述

依據(jù)我所多年的軍用高壓連接器和大電流連接器研制技術(shù)基礎(chǔ)及汽車電子產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工程生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合目前市場上整機(jī)廠配套要求，與國內(nèi)主要電動汽車生產(chǎn)廠家的溝通、商議，在安徽省科技廳的幫助下，從結(jié)構(gòu)、工藝、材料選擇等方面綜合設(shè)計，開展了節(jié)電動汽車用高壓線束技術(shù)研究。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

電動汽車用高壓線束主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定電流270A；額定電壓630 V AC/DC；絕緣電阻≥5 000 MΩ；耐電壓3 000 V；使用溫度-40 ℃～125 ℃；鹽霧48 h；機(jī)械壽命500次；振動頻率為55～500 Hz，加速度為150 m/s2；沖擊頻率為10～40次/min，加速度為300 m/s2，3 000次；防護(hù)等級IP67。

1.2 項目成功應(yīng)用領(lǐng)域

汽車中的線束是電氣系統(tǒng)的重要部件，主要是在汽車電氣系統(tǒng)中扮演能量輸送和信號傳遞的作用。在新能源汽車特別是純電動汽車中，除了12 V電路系統(tǒng)以外，還有一個電壓超過300 V主要用于動力驅(qū)動系統(tǒng)的電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)中需要采用高壓線束來連接各個電路中的單元（電池包與PDU之間，PDU與電機(jī)、DC/DC模塊等），是高壓電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零組件，為電動汽車運(yùn)行的可靠性和安全性提供了保證。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動汽車用高壓線束分為插頭和插座兩部分，插頭為帶線纜的連接器，插座尾部可根據(jù)用戶需求接銅排或?qū)Ь€。插頭與插座連接形式為推拉自鎖式，插拔快速、連接可靠。插座安裝方式為法蘭安裝、螺釘緊固，插座屏蔽套與金屬安裝面板彈性接觸。連接器插合時，主接觸件接觸后，信號接觸件才接觸；分離時，信號接觸件分離后，主接觸件才分離，防止帶電插拔，保證安全。連接器插合示意見圖1。

圖1 連接器插合圖

2.1 接觸件的設(shè)計

如圖2所示，接觸件的設(shè)計采用“籠式片簧孔”結(jié)構(gòu)，其中插針為剛性結(jié)構(gòu)，插孔為籠式片簧孔結(jié)構(gòu)。插針接觸件采用銅合金通過精密機(jī)械加工制造而成，表面鍍硬金，插針接觸件前端加絕緣插針護(hù)套，起安全防護(hù)作用。插孔接觸件是由插孔殼體和籠式片簧片所組成，插孔殼體采用銅合金通過精密機(jī)械加工制造而成，籠式片簧片采用彈性較好的鈹青銅通過沖壓、卷圓后成型，進(jìn)行熱處理，表面鍍銀?；\式片簧片裝入插孔殼體內(nèi)，與插孔殼體形成整體結(jié)構(gòu)，籠式片簧片的內(nèi)孔尺寸要小于插針的端部直徑，這樣插針在插入時，能夠形成彈性壓縮，從而產(chǎn)生一定的接觸壓力；籠式片簧片是由多個窄帶結(jié)構(gòu)所組成，從而形成多點(diǎn)接觸，大大減小了接觸電阻。

圖2 接觸件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 防錯插結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了防止誤插、保證正確插合，殼體設(shè)計有防錯插鍵槽結(jié)構(gòu)。插座連接器設(shè)計有4個防錯插鍵，插頭連接器設(shè)計有對應(yīng)防錯插槽。防錯插結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 防錯插結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 防護(hù)等級的設(shè)計

插座連接器密封圈與安裝面板結(jié)合實(shí)現(xiàn)密封，插頭連接器兩端設(shè)計有2個密封圈實(shí)現(xiàn)密封，如圖4所示，密封圈的材料均為硅橡膠，通過模具擠膠成型。硅橡膠是一種邵氏硬度在30～55范圍內(nèi)的彈性材料，在插合時，通過連接裝置，形成彈性壓縮，達(dá)到了良好的密封效果，實(shí)現(xiàn)連接器的防護(hù)等級IP67。

2.4 參數(shù)設(shè)計

電動汽車用高壓線束屬于大電流高電壓連接器，其主要性能指標(biāo)為：接觸電阻≤0.11mΩ；工作電流270A；絕緣電阻≥5 000MΩ；介質(zhì)耐電壓630V/AC；機(jī)械壽命500次。下面將分別給出上述參數(shù)的設(shè)計。

圖4 密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.1 接觸電阻

接觸電阻是該產(chǎn)品的一個關(guān)鍵指標(biāo)，如果接觸電阻超標(biāo)，會由于接觸電阻的增加而導(dǎo)致連接器溫升過高，從而影響產(chǎn)品的可靠性，甚至造成接觸失效，因此接觸件的接觸電阻必須滿足協(xié)議書要求，減少接觸電阻是大電流連接器設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)。連接器連接的額定電流I是一定的，電流I通過連接器接觸件從插針傳送至插孔，在插孔狹小的空間內(nèi)，接觸簧片的橫切面積極低，為避免接觸簧片電流密度過大，連接器設(shè)計通常采用多通道傳遞電流，即連接器領(lǐng)域稱為“多觸點(diǎn)接觸”，以增大接觸簧片的橫切面積，降低接觸簧片的電流密度，以達(dá)到插針、接觸簧片和插孔的電流密度接近于電纜或連接器連接的其他導(dǎo)體。

當(dāng)2個金屬表面在一定壓力下相互接觸時就形成了接觸電阻。一般情況下，接插元件正常接觸電阻約在10-8～10-2Ω之間。接觸電阻由下式各項組成。

式中： RB——金屬體本身電阻，約10-4Ω，其值小而穩(wěn)定，一般可忽略不計；RC——壓縮電阻，是由于電流線被壓縮而形成的，清潔的接觸對，其RC約在10-4～10-3Ω之間；RF——膜層電阻，是因為接觸界面被氧化、硫化或腐蝕、污染而形成一層薄膜（由于金屬擴(kuò)散，薄膜成為重?fù)诫s的半導(dǎo)體，在一定電場下，薄膜呈隧道性導(dǎo)電，此時隧道電阻也就是膜層電阻，其阻值隨膜層厚度增加而急劇升高），膜層電阻是造成接觸電阻不穩(wěn)定的主要因素；RJ——接觸電阻，為壓縮電阻、膜層電阻之和。

1）壓縮電阻估算。當(dāng)接觸表面主要是塑性變形時，壓縮電阻估算為

式中：ρ——相同金屬表面的電阻率，Ω·m；H——金屬表面硬度，N/m2；P——接觸處的正壓力，N；ζ——塑性變形的修正系數(shù)，表示實(shí)際接觸處除塑性變形外還有部分彈性變形，通常ζ=0.7，當(dāng)接觸表面潔凈，膜層厚度小于5埃時，接觸電阻可算壓縮電阻。

由以上計算得出P=3.84N，當(dāng)接觸件材料選擇銅時，由《機(jī)電元件技術(shù)手冊—設(shè)計、制造、使用、維護(hù)》中表1.1-2查得H=3.9，ρ=16.8，代入式（3），得：Rc=1.42×10-4Ω，20個Rc并聯(lián)可以得出：Rc=7.1×10-5Ω。

2）膜層電阻的估算。當(dāng)兩接觸表面間施以電壓，電場強(qiáng)度低于109～1010V/m時，兩表面之間的膜層電阻值可大致按下式估算

式中：ρF——隧道電阻率（其值隨膜層厚度急劇上升，見《機(jī)電元件技術(shù)手冊—設(shè)計、制造、使用、維護(hù)》圖1.1-5），Ω·m2，當(dāng)接觸件材料選擇銅合金時，若表面未遭磨損破壞，其化學(xué)性能是穩(wěn)定的，表面氧化層厚度約在20埃左右。查表得：ρF= 3×10-11，又P =3.84N，H=3.9，代入式（4）得：RF=1.06×10-11Ω，8個RF并聯(lián)可以得出：RF=1.33×10-12Ω，將Rc、RF代入式（1）得：R=7.1×10-5Ω≤0.11 mΩ。

由計算可知，接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇滿足設(shè)計要求。

2.4.2 工作電流

該連接器的接觸件由剛性插針和彈性插孔組成。該產(chǎn)品額定電流為270A，工作溫度范圍為-65 ℃～125 ℃。按表1所應(yīng)選擇的導(dǎo)線截面為：S=0.06，則導(dǎo)線直徑d=0.28，故將焊接端設(shè)計為φ0.45，接觸端設(shè)計為φ0.6插針或插孔時能滿足產(chǎn)品電流要求。

表1 單根導(dǎo)線在自由空氣中載流量隨溫度升高而減小的變化表

2.4.3 絕緣電阻

根據(jù)本產(chǎn)品的使用環(huán)境，安裝板材料我們選擇了熱塑性工程塑料——30%玻纖增強(qiáng)的聚苯硫醚（PPS），其技術(shù)參數(shù)見表2。該材料阻燃性好，負(fù)載熱變形溫度高，能滿足產(chǎn)品工作溫度范圍-65 ℃～125 ℃；該材料體積電阻率大，能滿足產(chǎn)品的絕緣電阻（≥5000 MΩ）和耐電壓（＞800V）要求；該材料在較大的頻率、濕度及溫度范圍內(nèi)變化不大，模具成型收縮率較小，適合加工小節(jié)距、高密度安裝板。

表2 PPS GF30技術(shù)參數(shù)

2.4.4 絕緣電阻計算

絕緣電阻通常是絕緣材料的體積電阻和表面電阻的并聯(lián)結(jié)果。

根據(jù)公式：

式中：Rv——體積絕緣電阻，Ω；Rs——表面絕緣電阻，Ω；——體積電阻率，Ω·m；——表面電阻率，Ω；s——導(dǎo)體間相對應(yīng)的面積，m2；b——導(dǎo)體間絕緣材料表面的最短距離，m；d——導(dǎo)體間絕緣材料內(nèi)的最短距離，m。

根據(jù)設(shè)計要求，安裝板的材料選擇PPS，其表面電阻率和體積電阻率分別為：ρv=1×1016；ρs=1×1013。

又s=1×10-5，b=6×10-4，d=1.6×10-3，代入式（6）、式（7）求得：Rv=1.6×1017，Rs=3.8×1012。代入式（5）得：R=3.8×105MΩ＞5 000 MΩ，滿足項目5 000 MΩ的要求。

2.4.5 介質(zhì)耐電壓

本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中，主要包括主接觸件與屏蔽層及外殼之間、屏蔽層與信號接觸件之間、2路信號接觸件之間、信號接觸件與外殼之間的耐電壓。根據(jù)理論計算，其中最短距離為2路信號接觸件之間，距離約為2.6 mm，主接觸件與屏蔽層間最短距離約為10 mm。根據(jù)巴申曲線，空氣擊穿電壓約為3 kV/mm，該產(chǎn)品要求耐電壓為3 000 VDC，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.4.6 機(jī)械壽命

機(jī)械壽命是經(jīng)過多次插拔，使鍍層局部機(jī)械磨損，直到露出基底金屬估算出的插拔次數(shù)。機(jī)械磨損的主要原因是金屬表面受壓粘結(jié)又經(jīng)過滑動摩擦造成的。影響粘結(jié)的因素有：①材料的硬度，軟金屬較硬金屬易粘結(jié)；易受氧化、硫化或腐蝕的材料不易粘結(jié)；②接觸對滑行距離、接觸壓力、滑行距離越大或接觸壓力越大，粘結(jié)磨損越嚴(yán)重；③表面情況，粗糙表面易粘結(jié)。各種金屬材料的腐蝕和粘結(jié)程度見表3。

表3 各種金屬材料的腐蝕和粘結(jié)程度

由機(jī)械粘結(jié)造成的磨損可按下式進(jìn)行估算：

式中：V——一次插拔磨損的體積，m3；k——磨損系數(shù)；x——滑行距離，m；P——接觸壓力，N；H——金屬表面硬度，N/m2。

當(dāng)接觸壓力超過0.5 N后，k值接近于3.1×10-4。隨接觸結(jié)構(gòu)的不同，2個接觸表面被磨損的金屬體積并不相同，當(dāng)插拔次數(shù)多時，為粗略估計，可假定，磨損金屬平均來自2個接觸面，插拔相對位置不變，兩接觸面鍍層厚度相同。接觸壓力超過0.5 N，則機(jī)械壽命可近似為

式中：t——鍍層局部磨損殆凈時的插或拔的單程次數(shù)；a——鍍層被磨的長度，m；b——鍍層被磨的寬度，m；c——鍍層厚度，m；x——滑行距離，m。

已知a=10 mm，b=13.4 mm，c=7×10-3mm，x=15 mm，H=2.5×102N/mm2，P=3.84N，代入式（9）得：機(jī)械壽命t=30773次＞500次，滿足設(shè)計要求。

2.5 溫升控制技術(shù)

2.5.1 熱設(shè)計

連接器通過電流，由于連接器本身的電阻和接觸阻抗，電能會以熱能的形式消散功率并向周圍散發(fā) ，這將使機(jī)內(nèi)溫度升高，使設(shè)備的可靠性下降，熱設(shè)計的不合理是當(dāng)前造成電子設(shè)備可靠性差的重要原因之一，大電流條件下工作的元器件更應(yīng)將熱設(shè)計作為重要設(shè)計內(nèi)容來考慮。

當(dāng)電流流過接觸件時，熱量Q將以式（10）產(chǎn)生，當(dāng)產(chǎn)生的熱量和熱傳導(dǎo)的熱量失去熱平衡，連接器將產(chǎn)生局部高溫，將會使連接器的內(nèi)部溫度上升甚至發(fā)生驟然變化，而過高的內(nèi)部溫度將對連接器的結(jié)構(gòu)性能與使用壽命產(chǎn)生相當(dāng)大的影響：第一，導(dǎo)致絕緣材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生化學(xué)分解 ，絕緣性能變壞；第二，使彈性材料的機(jī)械性能劣化，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和接觸件鍍層破壞；第三，在接觸區(qū)形成絕緣薄膜，使接觸電阻增大，并反過來進(jìn)一步加劇溫升。因此，熱設(shè)計是接觸件設(shè)計前必須考慮的一項內(nèi)容。

本產(chǎn)品的熱設(shè)計主要是計算接觸件接觸點(diǎn)的溫度和工作狀態(tài)下連接器整體的工作溫度。前者通過計算接觸處的電流所產(chǎn)生的電熱，判斷接觸處所需要的耐熱能力，判定接觸處是否安全；后者是通過計算連接器的多個接觸件產(chǎn)生的熱量和連接器的熱傳遞的能力，判定產(chǎn)品是否能在125 ℃環(huán)境下長期工作，從而進(jìn)一步檢驗金屬材料和絕緣材料的選擇是否正確。

該產(chǎn)品的額定電流按每個接觸件的額定電流計算，由于存在體電阻和接觸電阻，電流通過時將發(fā)出熱量，當(dāng)接觸電阻過大而電流又較大時，接觸處的溫度升高，連接器的溫度將失去溫度平衡，內(nèi)部溫度的不斷升高可能達(dá)到使金屬軟化甚至熔化的程度，因此應(yīng)當(dāng)給通過的電流以一定限制。接觸處的電流也可用接觸電壓表示，即

式中：VC——接觸電壓，V；L——洛倫茲常數(shù)，對于低電阻率的純金屬，L≈2.4×10-8V2/K；T——接觸處金屬溫度，K；TA——環(huán)境溫度，常以20 ℃即293 K計。

設(shè)計時不應(yīng)使接觸電壓達(dá)到其軟化接觸電壓，常用金屬軟化和熔化時的接觸電壓見表4。

表4 常用金屬的軟化和熔化溫度時的接觸電壓

已知I=270A，接觸電阻應(yīng)小于0.11mΩ，即R初始max=0.11mΩ，在125 ℃高溫環(huán)境中接觸電阻為R高溫max=0.11mΩ，則VC2=0.0009V2。

當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時即TA=293K時，接觸處金屬溫度為35.6 ℃，即T=308.6K（27 ℃）；當(dāng)環(huán)境溫度為125 ℃時即TA=398K時，接觸處金屬溫度為136.6 ℃，即T=409.6K。查表4知，銅的軟化溫度為190 ℃，軟化時接觸電壓為0.12 V，可見設(shè)計滿足要求。

接觸處正壓力增加時，電流限也增加，I2/F稱為耐熱能力，即：

式中：ρA——環(huán)境溫度TA時的金屬的電阻系數(shù)，Ω·m；α——電阻溫度系數(shù)，1/K。

已知電流為270 A，F(xiàn)=3.84 N，則I2/F=18984.4 A2/N，遠(yuǎn)低于表5中銀的軟化耐熱能力限，故接觸處是安全的。

表5 常見金屬耐熱能力限

接觸對固定時接觸電阻產(chǎn)生的熱量，由于四周絕緣很難散發(fā)出去，造成溫升。假若溫度達(dá)到彈性材料的退火溫度時，材料將失去其彈性，若超過絕緣材料臨界溫度時，材料也將遭到破壞。

考慮到散熱，該產(chǎn)品安裝板四周均設(shè)計有散熱孔，而且絕緣材料選擇的是耐溫等級比較高的PBT。

2.5.2 溫升

接觸對是主要的發(fā)熱體，整個連接器的溫升計算主要考慮的因素有：材料的導(dǎo)熱系數(shù)、接觸電阻、接觸對自身電阻和環(huán)境條件的影響。我們將計算常規(guī)條件下接觸件的溫升，整個連接器則用仿真和實(shí)測來得到。

在接觸件溫度穩(wěn)定時，導(dǎo)體由于電流作用產(chǎn)生的熱量和向外散失的熱量相等。接觸件的溫升公式為

式中：ρ——材料的電阻率；I——接觸件流過的電流；A——導(dǎo)體截面積；S——導(dǎo)體散熱表面的周長；h——散熱系數(shù)，接觸件表面散熱系數(shù)與輻射散熱系數(shù)之和；l0——特征尺寸，對于圓導(dǎo)體可以取它的直徑；K——溫度系數(shù)，取值在1.45～1.2之間，溫度越高取值越低；n——相關(guān)指數(shù)，取值0.4～0.35之間，溫度越高取值越低。

對于圓形接觸件，由式（13）代入式（14）可以得出圓形接觸件在工作電流下的最大溫升經(jīng)驗公式（以20℃為環(huán)境溫度計算起點(diǎn)）如下

在非標(biāo)準(zhǔn)工作溫度下，導(dǎo)體的溫度為T時有

式中：d——導(dǎo)體直徑；αt——接觸件材料的電阻率溫度系數(shù)（銅為0.0015/ ℃）。

已知：I=270，ρ=6.5E-8，d=10，n=0.38，代入（15）得：ΔT=31.1 ℃，就是說在工作電流270A的情況下，連接器的溫升不會超過40 ℃，滿足使用要求。

2.5.3 ANSYS的熱分析

本產(chǎn)品的熱仿真主要是計算接觸件接觸點(diǎn)的溫度和工作狀態(tài)下連接器整體的工作溫度。前者通過計算接觸處的電流所產(chǎn)生的電熱，判斷接觸處所需要的耐熱能力，判定接觸處是否安全；后者是通過計算連接器的多個接觸件產(chǎn)生的熱量和連接器的熱傳遞的能力，判定產(chǎn)品是否能在125 ℃環(huán)境下長期工作，從而進(jìn)一步檢驗金屬材料和絕緣材料的選擇是否正確。仿真結(jié)果見圖5。

由仿真結(jié)果可知，最高溫發(fā)生在插頭前安裝板上，通過顏色對比及定點(diǎn)查看溫度，可知，導(dǎo)體上的溫度不超過58.666 ℃，連接器上最高溫度為58.666 ℃，環(huán)境溫度為23 ℃，所以連接器上最高溫升為35.666 ℃。根據(jù)QC/T417.1—2001《車用電線束插接器》中4.14的溫升試驗要求，每個插接件的升溫溫度不能超過40 ℃。設(shè)計結(jié)果滿足要求。

圖5 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

通過本產(chǎn)品的研發(fā)，了解了高壓連接器研發(fā)需要關(guān)注的重點(diǎn)，為其他同類產(chǎn)品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。隨著該產(chǎn)品的開發(fā)，帶動了高壓分配控制單元（PDU）、多合一PDU等產(chǎn)品。目前已將相關(guān)產(chǎn)品向天津力神電池股份有限公司、安徽易威斯新能源科技股份有限公司、益佳通科技有限公司等新能源企業(yè)進(jìn)行推廣。