周光榮，王嬌嬌，張 亮，李 曉，未倩倩，陳 赫

（1.蘇州智綠環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 蘇州 215126；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

電動(dòng)汽車從發(fā)展之初到現(xiàn)在，已經(jīng)得到越來(lái)越多人的認(rèn)可，也走進(jìn)了尋常百姓家。無(wú)論是純電動(dòng)、混合、燃料電池汽車，都需有一套完整的高壓連接系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中，往往都應(yīng)用大量的高壓連接器，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車有著明顯的區(qū)別。高壓系統(tǒng)工作時(shí)放電電流有可能達(dá)到數(shù)幾十安，甚至高達(dá)數(shù)百安［1］。但是在新能源電動(dòng)汽車發(fā)展初期，高壓連接器并沒(méi)有得到整車企業(yè)的足夠重視，認(rèn)為高壓連接與傳統(tǒng)低壓線連接類似，重心在“三電” （電驅(qū)、電池、電控）上面，但隨著時(shí)間的推移，大家發(fā)現(xiàn)高壓連接系統(tǒng)比較容易發(fā)生問(wèn)題，且一旦發(fā)生問(wèn)題，后果都比較嚴(yán)重，輕則過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)容易發(fā)生高溫或燃燒事件。正是因?yàn)榇蠹艺J(rèn)識(shí)到高壓連接器的重要性［2］，開(kāi)始重視高壓連接系統(tǒng)。在前幾年，整車企業(yè)更傾向選擇市場(chǎng)上用量較大、品質(zhì)更穩(wěn)定的外資品牌產(chǎn)品。

隨著這幾年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展，加上成本及競(jìng)爭(zhēng)加劇，不少車企也在開(kāi)始選用國(guó)內(nèi)品牌的產(chǎn)品，也給國(guó)內(nèi)連接器企業(yè)帶來(lái)了更多的機(jī)會(huì)，成就了這個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展，但從行業(yè)整體水平來(lái)看，與外資品牌的差距還很大，這也意味著國(guó)內(nèi)企業(yè)有一定的發(fā)展空間。

本研究圍繞高壓連接器的發(fā)展歷程展開(kāi)，分析中國(guó)電動(dòng)汽車用高壓連接器的標(biāo)準(zhǔn)體系、測(cè)試方法，針對(duì)產(chǎn)品使用過(guò)程中的性能指標(biāo)，搭建高壓連接器測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展高壓連接器的物理連接、電氣性能等方面的測(cè)試，為產(chǎn)品的不斷改進(jìn)提供了支撐。

1 高壓連接器的發(fā)展歷程

電動(dòng)汽車高壓連接器的發(fā)展與電動(dòng)汽車的發(fā)展是同步進(jìn)行的，從連接器角度來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車連接器發(fā)展經(jīng)歷以下幾代。

1）第1代高壓連接器 （圖1），2008年左右開(kāi)始，主要是由當(dāng)時(shí)工業(yè)連接器改款而來(lái)。這代產(chǎn)品的特點(diǎn)，以金屬連殼體為主，無(wú)高壓互鎖功能，防誤插入 （防呆）效果較差。比較有代表性產(chǎn)品有安費(fèi)諾公司HV系列的金屬連接器，后來(lái)市場(chǎng)上很多款連接器是基于這種類型產(chǎn)品延伸擴(kuò)展出來(lái)的。

2）第2代高壓連接器 （圖2），在第1代的基礎(chǔ)上增加了高壓互鎖功能，連接器的外殼也逐漸由金屬變?yōu)樗芰稀?/p>

3）第3代高壓連接器 （圖3），塑料+屏蔽功能+高壓互鎖的高壓連接器。有代表性的是行業(yè)中800系列產(chǎn)品 （這類產(chǎn)品是通過(guò)操作順序來(lái)實(shí)現(xiàn)部分二級(jí)解鎖功能，不是直接機(jī)械式結(jié)構(gòu)），如TE／安費(fèi)諾／智綠及國(guó)內(nèi)新一代產(chǎn)品。

圖1 第1代高壓連接器

圖2 第2代高壓連接器

圖3 第3代高壓連接器

4）第4代高壓連接器 （圖4），塑料+屏蔽功能+高壓互鎖+二級(jí)解鎖的高壓連接器。有代表性的是行業(yè)中280系列產(chǎn)品，如TE／智綠及國(guó)內(nèi)新一代產(chǎn)品，這類產(chǎn)品是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)解鎖功能，更為安全。

圖4 第4代高壓連接器

5）未來(lái)一代高壓連接器 （圖5）會(huì)在第4代產(chǎn)品上考慮冷卻方式，如配合大功率充電帶液冷、風(fēng)冷的方式，來(lái)有效提高傳輸能量密度，降低質(zhì)量，提高產(chǎn)品綜合性能。

2 電動(dòng)汽車用高壓連接器的技術(shù)特點(diǎn)

圖5 未來(lái)一代高壓連接器

在新能源汽車的三電系統(tǒng)中，高壓連接系統(tǒng)有著舉足輕重的地位，好比是把人體內(nèi)各個(gè)重要的器官有機(jī)整合的血管系統(tǒng)，電池總正、總負(fù)回路類似于人體主動(dòng)脈和主靜脈，各個(gè)系統(tǒng)回路類似于人體各條動(dòng)脈、靜脈和毛細(xì)血管，是保證電動(dòng)汽車能量傳遞，安全、可靠運(yùn)行的重要保障，實(shí)現(xiàn)源源不斷地把能量傳送到各個(gè)系統(tǒng)。圖6為高壓連接系統(tǒng)與三電的關(guān)系。

圖6 高壓連接系統(tǒng)與三電的關(guān)系

2.1 端子類型

目前高壓連接器可按照端子類型及結(jié)構(gòu)兩種方式進(jìn)行分類。

2.1.1 按照端子類型分 （圖7）

圖7 方端子與圓端子

1）方端子結(jié)構(gòu)。采用沖壓的端子技術(shù)，這類別的端子成本較低，有模具要求及模具費(fèi)用投入高，40A以下的小電流中應(yīng)用較為廣泛，行業(yè)中以TE端子具有代表性。有一些日系、美系車企大電流的連接器采用方端子結(jié)構(gòu)，住友、Yazaki等，車企如Tesla、豐田。

2）圓端子結(jié)構(gòu)。采用機(jī)加工端子技術(shù)為主，端子成本相對(duì)于沖壓端子，成本更高，但由于采用機(jī)加工生產(chǎn)方式，無(wú)需或很低的模具投入，端子前期投資較少。比較有代表性的產(chǎn)品有TE HVA800系列、國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品系列。

2.1.2 按照結(jié)構(gòu)類型分 （圖8）

連接器結(jié)構(gòu)按照安裝方式可以分為插頭、插座，插頭可分為線性插頭、90°直角插頭，插座可分為法蘭插座、90°直角插座，線性插座等。

圖8 高壓連接器的分類

2.2 高壓互鎖［3］

高壓互鎖 （High Voltage Inter－lock，簡(jiǎn)稱HVIL），用低壓信號(hào)管理高壓回路的一種安全設(shè)計(jì)方法。在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為避免由于高壓連接器在實(shí)際操作過(guò)程中帶電斷開(kāi)、閉合所造成的拉弧，高壓連接器一般都應(yīng)具備“高壓互鎖”功能。

具有高壓互鎖功能的高壓連接系統(tǒng)，連接和斷開(kāi)時(shí)功率和互鎖端子應(yīng)滿足以下條件：高壓連接系統(tǒng)連接時(shí)，功率端子先接通，互鎖端子后接通；高壓連接系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)，互鎖端子先斷開(kāi)，功率端子后斷開(kāi)。

高壓互鎖常用于高壓電氣回路中，如高壓連接器、MSD、高壓配電盒等回路中。

帶有高壓互鎖的連接器，在帶電情況下進(jìn)行解鎖時(shí)，可通過(guò)高壓互鎖的邏輯時(shí)序來(lái)斷開(kāi)，斷開(kāi)的時(shí)間與高壓互鎖端子和功率端子的有效接觸長(zhǎng)度差值大小有關(guān)，與斷開(kāi)時(shí)的速度有關(guān)。通常情況下，系統(tǒng)對(duì)互鎖端子回路的響應(yīng)時(shí)間在10～100ms之間，當(dāng)連接系統(tǒng)分離 （拔出）時(shí)間小于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)帶電插拔的安全風(fēng)險(xiǎn)，而二次解鎖就是為了解決這個(gè)斷開(kāi)時(shí)間問(wèn)題，通常情況下，二次解鎖能有效地把這個(gè)斷開(kāi)時(shí)間控制在1s以上，以確保操作安全。

2.3 二次解鎖

二次解鎖分為兩種方式，一種是通過(guò)操作順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)與正常拔出的反方向或不同方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，如市場(chǎng)上主流的HVA800、HVC800系列高壓連接器產(chǎn)品，連接器拔出時(shí)，助力板手與分離方向正好相反或不在一個(gè)方向上，以增加拔出時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到二次解鎖功能。另一種為機(jī)械式的二次解鎖功能，當(dāng)拔出連接器時(shí)，第一次只能拔出到高壓互鎖端子斷開(kāi)的位置，這個(gè)狀態(tài)下功率端子仍然有效接觸，此時(shí)高壓回路因高壓互鎖端子分離而斷開(kāi)，然后再經(jīng)過(guò)二次操作才能把功率端子分離，從而實(shí)現(xiàn)兩次解鎖功能要求，機(jī)械式二次解鎖與操作順序解鎖相比，具有更高的安全性，但結(jié)構(gòu)相對(duì)更復(fù)雜。圖9為二級(jí)解鎖過(guò)程。

圖9 二級(jí)解鎖過(guò)程

2.4 鎖止結(jié)構(gòu)

連接器二次鎖止結(jié)構(gòu) （Connector Position Assurance，簡(jiǎn)稱CPA），是用于增加連接器鎖止裝置強(qiáng)度的卡扣結(jié)構(gòu)。CPA能有效保護(hù)連接器插頭、插座的可靠連接，防止汽車運(yùn)行過(guò)程中的意外松脫或接觸不良引起的帶載插拔安全事故，CPA屬于輔助鎖止結(jié)構(gòu)，是通過(guò)與主鎖止結(jié)構(gòu)配合以達(dá)到可靠鎖止的要求。CPA的工作原理，當(dāng)主鎖止結(jié)構(gòu)鎖止后，CPA輔助鎖止，此時(shí)主鎖止結(jié)構(gòu)將不容易受到外界環(huán)境影響而松脫 （主鎖止結(jié)構(gòu)失效除外），解鎖時(shí)需要解開(kāi)CPA才能正常解開(kāi)，能滿足較苛刻條件下使用的一種鎖止構(gòu)結(jié)。

2.5 端子輔助結(jié)構(gòu)

連接器端子保持輔助結(jié)構(gòu) （Terminal Position Assurance，簡(jiǎn)稱TPA） （圖10），是用于對(duì)端子的二次保護(hù)和限位的一種結(jié)構(gòu)，防止端子在外界拉力的作用下脫出，造成線路中斷，應(yīng)用在環(huán)境比較惡劣或要求拉脫力更大的情況下。這種構(gòu)成中一般會(huì)包含兩種保持結(jié)構(gòu)，一是端子本身的保持結(jié)構(gòu)，另一種是由TPA構(gòu)成的保持結(jié)構(gòu)。

圖10 端子輔助結(jié)構(gòu)TPA

2.6 關(guān)鍵參數(shù)端子壓接評(píng)估

端子壓接是連接器行業(yè)核心的關(guān)鍵工藝，評(píng)價(jià)端子壓接的效果主要由以下幾點(diǎn)組成。

1）端子抗拉力。評(píng)估端子壓接的效果包含端子與線之間的壓接最小抗拉強(qiáng)度。主要參數(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 端子抗拉力

2）端子電阻。評(píng)估端子壓接的效果包含壓接電阻測(cè)試評(píng)估。表2為端子電阻。

表2 端子電阻

3）端子壓接剖面分析。對(duì)壓接后的端子壓接有效區(qū)域（選擇壓縮最致密區(qū)域）進(jìn)行端面截?cái)啵蚰?，剖光，然后用專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行壓縮比測(cè)試，在放大約5～10倍時(shí)要求被壓縮的線纜銅絲間無(wú)可見(jiàn)空隙，且壓縮比控制在80%～90%為宜。

4）端子溫升。溫升測(cè)試，一般要求溫升不超過(guò)55K（不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的要求，也有50K）。國(guó)標(biāo)GB／T 37133—2018中的要求是55K［4］。

5）端子壓高壓寬的定義。對(duì)于前面測(cè)試OK后的端子進(jìn)行端子壓高、壓寬定義，并在制程過(guò)程中進(jìn)行CPK管控。

2.7 高壓連接器的綜合檢測(cè)

高壓連接器及線束在生產(chǎn)下線過(guò)程中，需對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行綜合檢測(cè)，這類綜合檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)起到非常重要的把關(guān)作用，一般會(huì)包含但不限于以下幾項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。

1）耐壓測(cè)試。主要是針對(duì)產(chǎn)品在組裝過(guò)程中是否存在因空間或爬到距離變化導(dǎo)致的耐壓不良，或者在線束組裝過(guò)程中線束壓接或其他引起損傷導(dǎo)致的耐壓不良產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，通常情況下這類測(cè)試需要100%的檢測(cè)。

2）絕緣測(cè)試。主要是針對(duì)產(chǎn)品在組裝過(guò)程中是否存在因空間或爬到距離變化導(dǎo)致的絕緣不良，或者在線束組裝過(guò)程中線束壓接或其他引起損傷導(dǎo)致的絕緣不良產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3）回路導(dǎo)通。多用于2組或以上的回路中，用于檢測(cè)連接器在組裝后各回路是否一一對(duì)應(yīng)。

4）氣密測(cè)試。適用于連接器成品或線束總成測(cè)試，施加47.8kPa的氣壓，對(duì)連接器的密封性進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試時(shí)間、泄漏值及其他參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)調(diào)整。

5）屏蔽回路測(cè)試。用于檢測(cè)屏蔽回路中的阻值，一般情況下屏蔽電阻應(yīng)小于10mΩ。

綜合模擬測(cè)試臺(tái) （圖11）可實(shí)現(xiàn)連接器的主要電氣性能檢測(cè) （絕緣、耐壓、導(dǎo)通等）及氣密性測(cè)試，檢測(cè)NG時(shí)綜合檢測(cè)臺(tái)程序鎖止，并伴隨著報(bào)警燈閃爍，需專人打開(kāi)。測(cè)試OK后能自動(dòng)生成唯一條形碼 （二維碼）的標(biāo)簽并打印，確保所有下線產(chǎn)品經(jīng)過(guò)檢測(cè)并且可追溯。

圖11 綜合模擬測(cè)試臺(tái)

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

由于高壓連接器的性能直接關(guān)系到整個(gè)新能源汽車的安全，所以對(duì)產(chǎn)品的要求，除了要拿到最終產(chǎn)品狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)符合性報(bào)告，在工廠設(shè)計(jì)及生產(chǎn)階段還會(huì)有DV測(cè)試驗(yàn)證及PV測(cè)試。測(cè)試要求主要包含以下方面。

1）電氣性能。電氣性能包括對(duì)電氣參數(shù)的確認(rèn)以及電氣安全的保證。如電流循環(huán)、搭鐵電阻、絕緣耐壓測(cè)試等。

2）機(jī)械性能。為保證產(chǎn)品的安裝便利性、連接的可靠性以及維修的便利性，對(duì)產(chǎn)品的拉拔力、振動(dòng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)等方面做出的要求。

3）環(huán)境性能。包括耐鹽霧、熱老化、溫度沖擊、濕熱循環(huán)等，這些環(huán)境可以完整復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品在使用過(guò)程中的嚴(yán)苛工況，為產(chǎn)品在使用過(guò)程中的可靠性提供檢驗(yàn)依據(jù)。

具體測(cè)試項(xiàng)目參照表3執(zhí)行，測(cè)試方法及要求根據(jù)產(chǎn)品的使用工況會(huì)存在差異。

為有效對(duì)高壓連接器進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)室搭建了用于溫升測(cè)試的系統(tǒng)（圖12），測(cè)試系統(tǒng)包括直流恒流源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及控制單元。直流恒流源為被測(cè)樣品提供所需電流值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集被測(cè)樣件各個(gè)點(diǎn)的溫度值及環(huán)境溫度，控制單元用于調(diào)整整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的電流值。

表3 測(cè)試項(xiàng)目及分類

圖12 溫升測(cè)試系統(tǒng)

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 端子保持力

本研究對(duì)同一型號(hào)的4個(gè)連接器進(jìn)行了端子保持力的測(cè)試，線徑截面積為4mm2，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 端子保持力曲線

圖13 中可見(jiàn)，對(duì)于線徑截面積為4mm2的產(chǎn)品，其端子抗拉力可滿足表1中的最小抗拉強(qiáng)度要求，且公端與母端的產(chǎn)品一致性在可控范圍內(nèi)。

3.2.2 溫升

本研究選取線纜截面積為4mm2的連接器，通以30A的電流值，每天記錄其溫升數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄1008h，如圖14所示。

圖14 端子溫升曲線

由圖14分析，4mm2的連接器可長(zhǎng)期承受30A，且溫升保持在45K范圍內(nèi)。在前600h內(nèi)，溫升數(shù)據(jù)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，在650～700h，溫升值開(kāi)始上升至最高，逐漸穩(wěn)定在45K，可滿足基本使用工況。

眾所周知，在新能源汽車中，高壓連接器的使用環(huán)境較為復(fù)雜，濕度、溫度都是影響其性能的主要因素，因此在進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，除上面提到的常溫環(huán)境下的驗(yàn)證測(cè)試，還需要開(kāi)展復(fù)雜環(huán)境下的的驗(yàn)證以保證其可靠性。

4 結(jié)論

高壓連接系統(tǒng)作為新能源汽車中的重要組成部分，其可靠性問(wèn)題會(huì)直接影響電動(dòng)汽車安全性，將對(duì)行業(yè)發(fā)展造成嚴(yán)重影響［10］。本文研究了電動(dòng)汽車用高壓連接器的發(fā)展歷程，從產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)及測(cè)試要求等幾方面重點(diǎn)介紹?；谄潢P(guān)鍵技術(shù)要求，搭建了綜合模擬測(cè)試臺(tái)架，對(duì)指定一款產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析總結(jié)，后續(xù)的驗(yàn)證測(cè)試需考慮更復(fù)雜的環(huán)境，以提高產(chǎn)品可靠性。