徐永軍

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電動乘用車快換電池連接器設(shè)計(jì)及性能研究*

徐永軍1,2

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200030；2.上海電巴新能源科技有限公司，上海 201308）

快換電池連接器是純電動汽車快換電池系統(tǒng)的重要零部件，其設(shè)計(jì)和性能是否可靠直接影響到快換電池系統(tǒng)的安全使用。文章基于底盤式快換電池系統(tǒng)的快換連接器，對其關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、基本性能要求、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，為同類型的快換式連接器設(shè)計(jì)開發(fā)提供了指導(dǎo)。

快換電池連接器；關(guān)鍵技術(shù)；性能要求

前言

電動汽車作為一種新型的出行交通工具，具有節(jié)能、環(huán)保、能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國未來重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一[1-3]。動力電池作為電動汽車的重要能量來源，受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平及電池的能量密度比較低等因素的影響，純電動汽車仍然無法像燃油車一樣很方便的實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛，從而在一定程度上制約了電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[4]。

可快速更換電池的電動汽車可以解決目前純電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足的缺陷。由于換電式電動汽車采用車電分離銷售模式，因而可以大大降低用戶采購成本。同時(shí)換電運(yùn)營效率高、電池采用慢充的補(bǔ)電方式使得電池壽命更長，對電網(wǎng)沖擊小。加之快換電池的集中管理充電和遠(yuǎn)程監(jiān)控，易于回收和梯次利用，電池變得更加安全等眾多優(yōu)點(diǎn)，從而使得快換式電池系統(tǒng)在對充電時(shí)間敏感及高續(xù)駛里程要求的出租車領(lǐng)域得以大批量推廣使用[3,5-7]。

文章研究的電動乘用車快換電池連接器是快換電池系統(tǒng)的重要零部件，是用于實(shí)現(xiàn)整車與快換電池系統(tǒng)之間電氣快速連接、分離的專用連接器，主要由快換插頭、快換插座及相關(guān)電纜組成?？鞊Q電池連接器工作時(shí)，快換插座和快換電池箱體安裝在一起，快換插頭安裝在電動汽車或固定的充電架上面，通過特殊設(shè)計(jì)的換電機(jī)構(gòu)和輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)動力電池系統(tǒng)和整車之間的高壓連接與低壓通訊。圖1為快換電池連接器結(jié)構(gòu)示意圖。

1 快換電池連接器的關(guān)鍵技術(shù)

電動汽車的能量來源于電池系統(tǒng)，因此快換電池系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)與整車之間安全可靠的電氣快速連接和分離，實(shí)現(xiàn)這一功能的零部件即為快換電池連接器?？鞊Q電池連接器除了要求滿足一般動力電池系統(tǒng)高低壓連接器的全部功能和技術(shù)要求，如基本的電氣性能、絕緣、接地、高壓互鎖等各種性能外。同時(shí)要求快換電池連接器具有一些為實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的快速更換而必須具有的特殊功能和關(guān)鍵技術(shù)要求[8-9]，主要包括以下6個(gè)方面：

1）快換電池連接器可以實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)與整車之間的電氣與通訊連接，實(shí)現(xiàn)其快速接合和分離，即動力電池系統(tǒng)與電動汽車之間的高、低壓信號快速、有序的接合與分離。

2）快換電池連接器必須具有滿足電池系統(tǒng)快速更換的導(dǎo)向、定位和限位機(jī)構(gòu)，使得電池系統(tǒng)更換時(shí)能自動的修正連接器插頭與插座之間的位置偏差，從而確保連接器插頭和插座可以準(zhǔn)確對接。

3）為了節(jié)省空間，快換電池連接器高低壓要求采用一體化設(shè)計(jì)，高低壓電氣連接采用平面電連接技術(shù)。在電動汽車行駛的各種道路工況中，快換電池連接器上要求設(shè)計(jì)有連接狀態(tài)檢測裝置以保證高低壓電氣連接的可靠性。高低壓電連接端子的接觸阻抗和電氣性能在規(guī)定的換電次數(shù)內(nèi)不允許出現(xiàn)突變和性能衰減并通過檢測裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4）快速電池連接器的插頭與插座之間可以根據(jù)整車振動實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨動，即連接器可以在X、Y、Z三個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)浮動和位置糾錯(cuò)，從而保證連接器高低壓電氣連接的安全可靠。

5）為了實(shí)現(xiàn)不同車輛之間電池系統(tǒng)的更換，快換電池連接器必須設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的高低壓電氣接口，強(qiáng)電與弱電觸頭必須隔離并預(yù)留接地與高壓互鎖功能。

6）快換電池連接器可以兼容不同車輛之間的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)互換并且電氣性能、使用壽命及相關(guān)匹配的可靠性能不會出現(xiàn)任何降低或異常。

2 快換電池連接器設(shè)計(jì)及基本性能

2.1 快換連接器外形尺寸及接口定義

圖2 快換插頭外形及尺寸示意圖

圖3 快換插座外形及尺寸示意圖

表1 快換連接器通訊接口功能定義

為了節(jié)省安裝及換電運(yùn)動空間，快換電池連接器的高低壓連接采用一體化的連接方式，并且采用平面連接技術(shù)?？鞊Q插頭和插座的外形與尺寸分別如圖2，圖3所示。插頭和插座低壓連接的接口定義與功能如表1所示。

2.2 快換電池連接器基本技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)整車開發(fā)及實(shí)際的換電營運(yùn)要求，快換電池連接器設(shè)計(jì)開發(fā)與使用過程中需要滿足一些基本的技術(shù)要求，主要包括基本電氣要求、機(jī)械要求、環(huán)境要求及其它特殊要求[10]。

1）快換連接器基本電氣性能要求

工作電流：》250A（50mm2或以上）

通訊電流：》5A（0.5mm2）

工作電壓范圍：200-400V

通訊電壓范圍：12～24V

電氣壽命（換電）：》10000次

接觸電阻（高壓極柱）：≤0.3mΩ（正常）

接觸電阻（低壓極柱）：≤50mΩ（正常）

接觸電阻（高壓極柱）：≤0.6mΩ

（振動/沖擊/壽命試驗(yàn)后）

接觸電阻（低壓極柱）：≤100mΩ

（振動/沖擊/壽命試驗(yàn)后）

絕緣阻抗（總成）：》200MΩ

介電強(qiáng)度：< 5mA

防護(hù)等級：IP67XXB

溫升(功率)：＜50K

阻燃性能：UL94-V0

高壓互鎖：符合

接地功能：符合

2）快換連接器機(jī)械性能要求

插拔力（高/低壓）：《 350N

機(jī)械壽命（換電）：》10000次

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（換電）：符合

運(yùn)動行程（換電）：》±12mm

有效電連接行程（壓縮）：》7mm

X向浮動（振動）：》±1mm

Y向浮動（振動）：》±3mm

Z向浮動（振動）：》±3mm

抗沖擊：QC/T 417.1_4.19、GB/T 31467.3_7.2

抗振動：QC/T413-2002_3.12、GB/T 31467.3_7.1

環(huán)境老化：QC/T413-2002（低溫/高溫/高低溫/溫、濕度）

3）快換連接器環(huán)境要求

工作溫度：-40℃～85℃

存儲溫度：-40℃～100℃

相對濕度范圍（RH%）：5%～95%

鹽霧（中性）：》480h

EMC：＞60dB

耐腐蝕：冷卻液/化學(xué)液

禁用物質(zhì)：GB/T 30512-2014

4）快換連接器其它特殊要求

連接器互換性：符合

電池端插件要求：插針

高壓端子保持力：符合

低壓端子保持力：符合

插件防護(hù)蓋：符合

功率端子溫度檢測：符合

壓潰防護(hù)：符合

插座防錯(cuò)裝：符合

安規(guī)符合性：符合

外觀與尺寸：符合

2.3 快換電池連接器設(shè)計(jì)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)及要求

快換電池連接器在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，必須參考和執(zhí)行相應(yīng)的國家、行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)，進(jìn)行各種相應(yīng)的型式試驗(yàn)，以滿足產(chǎn)品長期使用過程中可靠性能要求[10-12]，主要的型式試驗(yàn)項(xiàng)目及執(zhí)行的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 快換電池連接器型式試驗(yàn)及參考標(biāo)準(zhǔn)

3 快換電池連接器測試驗(yàn)證與分析

快換電池連接器在開發(fā)過程的各種測試試驗(yàn)對其性能是否可靠，是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)至關(guān)重要，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面的試驗(yàn)驗(yàn)證：

1）機(jī)械性能測試，主要包含機(jī)械壽命、振動試驗(yàn)及機(jī)械沖擊等性能測試，如圖4～圖6所示。

圖4 快換電池連接器機(jī)械壽命試驗(yàn)示意圖

圖5 快換電池連接器隨機(jī)振動試驗(yàn)示意圖

圖6 快換電池連接器機(jī)械沖擊試驗(yàn)示意圖

2）電氣性能測試，主要包含耐壓、絕緣電阻及介電強(qiáng)度測試等試驗(yàn)，如圖7～圖8所示。

圖7 快換電池連接器耐壓絕緣測試示意圖

圖8 快換電池連接器介電強(qiáng)度測試示意圖

3）環(huán)境性能測試，主要包含高溫、低溫、濕度與溫度、熱沖擊、鹽霧、化學(xué)腐蝕及IP防護(hù)等各種性能的測試，如圖9～圖11所示。

圖9 快換連接器高低溫、濕度相關(guān)溫度試驗(yàn)示意圖

圖10 快換連接器耐化學(xué)腐蝕試驗(yàn)示意圖

圖11 快換連接器高溫環(huán)境下IP試驗(yàn)示意圖

4）在各種機(jī)械與環(huán)境試驗(yàn)完成后，需要重新測量其絕緣電阻、介電強(qiáng)度及高低壓端子的接觸阻抗是否發(fā)生較大變化，如圖12～圖13所示。

圖12 連接器試驗(yàn)后低壓端子接觸阻抗測試示意圖

圖13 連接器試驗(yàn)后高低壓端子介電強(qiáng)度測試示意圖

4 結(jié)論

文章基于底盤式快換電池系統(tǒng)的快換連接器，對其開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、基本性能要求、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及型式試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目與方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，可為同類型的快換式連接器設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)，在行業(yè)內(nèi)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Design and Performance Study of Quick Change Battery Connector for Electric Passenger Car

Xu Yongjun1,2

（1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030; 2.Shanghai Dianba New Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201308 )

The quick-swapping battery connector is an important component of the pure electric vehicle quick-swapping battery system. The reliability of its structure and performance directly affects the safe use of the quick-swapping battery system. Based on the chassis-type quick-swapping battery system, the paper analyzes its structural design features and performance requirements. At the same time, based on the combination of experimental verification, the reliability of the quick-swapping connector of the electric passenger car chassis is studied, which provides guidance for the design and development of the same type of quick-swapping connector.

Quick change battery connector; Key technology; Performance requirements

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

徐永軍，男，目前就職于上海電巴新能源科技有限公司，上海交通大學(xué)車輛工程專業(yè)碩士，中級工程師，主要研究方向：電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。

上海市新能源汽車專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015SHDB09001）；上海市臨港重大技術(shù)裝備研制專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014SHLGDB001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.001