【摘" 要】文章以新能源汽車某型電流傳感器的電連接器為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析電連接器的接觸機(jī)理及失效形式，并根據(jù)新能源汽車電連接器常見失效模式設(shè)計(jì)出可靠性測(cè)試方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電連接器在振動(dòng)、溫濕度等環(huán)境因素影響下具有良好的連接可靠性。同時(shí)，通過插拔力測(cè)試和有限元仿真分析，驗(yàn)證仿真方法能夠準(zhǔn)確模擬插拔過程中的應(yīng)力分布和力學(xué)特性。本研究期望為新能源汽車電流傳感器電連接器的設(shè)計(jì)選型和可靠性驗(yàn)證提供重要參考。

【關(guān)鍵詞】電連接器；接觸件；可靠性分析；試驗(yàn)測(cè)試設(shè)計(jì)；有限元仿真

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0043-05

Research on the Reliability of Electrical Connectors for Current Sensors in New Energy Vehicles

【Abstract】This paper takes the electric connector of a type of current sensor of new energy vehicles as the research object，systematically analyzes the contact mechanism and failure form of the electric connector，and designs a reliability test scheme according to the common failure mode of the electric connector of new energy vehicles. The test results show that the electric connector has good connection reliability under the influence of environmental factors such as vibration，temperature and humidity. At the same time，through the insertion force test and finite element simulation analysis，it is verified that the simulation method can accurately simulate the stress distribution and mechanical characteristics during the insertion and removal process. This study is expected to provide an important reference for the design，selection and reliability verification of electric connectors for current sensors in new energy vehicles.

【Key words】electrical connector；contact parts；reliability analysis；test design；finite element simulation

0" 引言

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)已成為新能源汽車的核心部件。在電驅(qū)系統(tǒng)中，電流傳感器作為電流的檢測(cè)設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制、電池管理以及故障診斷等功能方面起到了至關(guān)重要的作用。電流傳感器常使用電連接器與電驅(qū)系統(tǒng)連接來滿足各種連接需求，故其廣泛應(yīng)用于新能源汽車行業(yè)中。電連接器性能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行[1]，然而車輛運(yùn)行過程中面臨多種復(fù)雜的行駛工況，振動(dòng)、濕熱等環(huán)境因素造成的磨損和腐蝕是導(dǎo)致電連接器故障失效的主要原因。電連接器的應(yīng)用場(chǎng)景決定了其需要良好的連接性能和可靠性。目前，相關(guān)失效分析的研究聚焦于微動(dòng)磨損[2]、插拔力[3]、溫度[4]以及振動(dòng)疲勞[5]等因素，但是針對(duì)于新能源汽車電連接器的相關(guān)研究較少。本文為了探究新能源汽車電連接器的可靠性，以某型新能源汽車電流傳感器的電連接器為研究對(duì)象，聚焦于電連接器可靠性試驗(yàn)測(cè)試，首先分析了電連接器的失效形式，接著針對(duì)常見的失效形式設(shè)計(jì)了一系列測(cè)試試驗(yàn)，最后通過有限元分析電連接器接觸件的插拔力對(duì)于電連接器連接性能的影響。

1" 電連接器失效形式及機(jī)理分析

1.1" 電連接器接觸機(jī)理分析

絕大部分的電連接器由接觸件、絕緣體、外殼和附件4部分組成，其中接觸件是電連接器實(shí)現(xiàn)連接功能的重要組成，插孔件通過插針插入后產(chǎn)生的彈性變形與插針件形成配合，實(shí)現(xiàn)連接功能。

接觸件互相接觸時(shí)名義上是面接觸的形式，但是由于接觸面表面并不是完全光滑，所以實(shí)際上的接觸形式應(yīng)為點(diǎn)接觸，接觸示意圖如圖1所示。這些局部的金屬接觸部位會(huì)形成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是接觸電阻，接觸性能的優(yōu)劣與接觸電阻密切相關(guān)，一般要求接觸電阻值越小越好。

接觸電阻主要有兩種情況，一種是收縮電阻，電連接器接觸件的點(diǎn)接觸形式導(dǎo)致電流線在接觸點(diǎn)處的收縮，有效導(dǎo)電橫截面積減小，因此導(dǎo)致電阻增大，形成了收縮電阻。當(dāng)接觸件的插針與插孔材料相同時(shí)，收縮電阻計(jì)算公式[6]為：

式中：F——接觸壓力；a——接觸點(diǎn)的平均半徑；ζ——接觸對(duì)材料變形系數(shù)；H——材料硬度；ρ——材料導(dǎo)電率。

接觸電阻的另一種情況是膜層電阻，金屬表面被氧化或其他原因?qū)е卤砻娈a(chǎn)生薄膜，一般這些薄膜不具有導(dǎo)電性，使得接觸電阻迅速增大。膜層電阻計(jì)算公式為：

式中：σf——根據(jù)薛定諤方程得到的膜層隧道電阻率；a——接觸點(diǎn)的平均半徑；H——金屬硬度；Ｆ——接觸壓力。

由于在工程中想要獲取接觸點(diǎn)的半徑較為困難，故一般使用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)接觸電阻進(jìn)行估算，其表達(dá)式[7]為：

式中：Ｆ——接觸壓力；k——與接觸件材料相關(guān)的常數(shù)；m——與接觸形式相關(guān)的常數(shù)，一般在點(diǎn)接觸情況下取值0.5。

1.2" 電連接器的性能要求及失效分析

電連接器的性能要求主要分為電氣性能和機(jī)械性能兩大類，電氣性能需要保證連接的連續(xù)性和良好的絕緣耐壓性能，同時(shí)要求接觸電阻小于規(guī)定值。電連接器最重要的機(jī)械性能是插拔力，設(shè)計(jì)需要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。與電連接器性能相對(duì)應(yīng)的，其失效形式主要分為3種：電氣失效、機(jī)械失效和環(huán)境失效。如振動(dòng)、濕熱等環(huán)境因素影響下導(dǎo)致的失效，本質(zhì)上屬于電氣或機(jī)械失效的范疇。電氣失效又可以細(xì)分為接觸失效和絕緣耐壓失效，其中接觸失效是電連接器失效最常見的形式。接觸壓力導(dǎo)致接觸電阻增大、導(dǎo)通性變差、接觸瞬斷等都是常見的接觸失效形式。絕緣失效指絕緣電阻的減小導(dǎo)致漏電或絕緣體被擊穿，導(dǎo)致絕緣電阻降低，使電連接器無法正常工作。機(jī)械失效往往與電連接器的接觸件有關(guān)，比如插拔力設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)裝配公差設(shè)計(jì)不合理等原因，都能引起機(jī)械失效。

對(duì)于機(jī)械失效，通過良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型，保證插拔力、接觸壓力的設(shè)計(jì)合理，可以有效減少機(jī)械失效的發(fā)生。對(duì)于絕緣耐壓失效而言，選取恰當(dāng)?shù)慕^緣材料，也能夠有效減少此類故障發(fā)生。在實(shí)際情況中，接觸失效是電連接器的主要失效形式，諸多因素的影響都能導(dǎo)致接觸件接觸條件發(fā)生變化而造成失效，有效減少接觸失效是保證電連接器可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)。

2" 電流傳感器電連接器接觸件可靠性試驗(yàn)

2.1" 試驗(yàn)介紹

本章節(jié)結(jié)合SEA-USCAR2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以新能源汽車某型電流傳感器為研究對(duì)象，給出電流傳感器電連接器性能測(cè)試的試驗(yàn)驗(yàn)證方法，通過完整的試驗(yàn)驗(yàn)證保證電連接器的可靠性。試驗(yàn)所用電流傳感器示意圖如圖2所示。

根據(jù)失效機(jī)理的分析，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行工況中環(huán)境因素、接觸件插拔力以及接觸電阻變化是造成電連接器各種形式失效的主要原因，且新能源汽車電流傳感器的運(yùn)行工況較為惡劣，受到隨機(jī)振動(dòng)、濕度和溫度等環(huán)境因素的影響較大，故在試驗(yàn)中必須要考慮上述因素的影響。結(jié)合實(shí)際情況，電連接器的可靠性試驗(yàn)主要包括：插拔力試驗(yàn)、溫濕循環(huán)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)考慮到電連接器獨(dú)特的瞬斷失效現(xiàn)象，并在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中加入瞬斷檢測(cè)?？煽啃栽囼?yàn)設(shè)置如圖3所示。

2.2" 前置試驗(yàn)

在進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試之前，首先需要確認(rèn)測(cè)試之前的接插件接觸良好，故在對(duì)公端和母端連接后進(jìn)行干電路測(cè)試、電壓降測(cè)試和尺寸試驗(yàn)。

干電路測(cè)試主要是為了在端子經(jīng)受環(huán)境暴露后，檢測(cè)接觸表面因污染產(chǎn)生的電阻，通常在較小的電壓和電流條件下進(jìn)行，以避免對(duì)端子接觸表面造成破壞或影響測(cè)試結(jié)果。電壓降測(cè)試則是為了檢測(cè)電路中的電壓下降現(xiàn)象，判斷電路連接是否牢固，電路中的各部件是否正常工作，是否存在短路、斷路、接觸不良等故障，以確保電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在實(shí)際測(cè)試中需要在較大的電流和電壓條件下進(jìn)行，以模擬實(shí)際工作中的電路狀態(tài)。干電路測(cè)試和電壓降測(cè)試的具體步驟參考SEA-USCAR2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在此不再贅述。按照測(cè)試要求選取公端、母端各5組，干電路測(cè)試要求總連接干電路電阻小于20mΩ，電壓降測(cè)試要求總連接電阻小于20mΩ。具體的測(cè)試結(jié)果見表1，從測(cè)試結(jié)果中可以看出所有樣品的連接電阻都小于20mΩ，符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在完成干電路測(cè)試和電壓降測(cè)試后，對(duì)公母端進(jìn)行灌膠并研磨，得到Pin針與端子彈片接觸位置的金相圖，如圖4所示。從接觸位置圖中可以看出，公端和母端接觸良好，母端的最后接觸點(diǎn)與公端引入錐度的起始點(diǎn)有明顯的過量插入，符合相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

2.3" 插拔力試驗(yàn)

插拔力是電連接器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，故對(duì)電連接器的插拔力進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試環(huán)境溫度為25.4℃，測(cè)試濕度為59%RH，測(cè)試設(shè)備主要有全自動(dòng)荷重試驗(yàn)機(jī)和數(shù)碼工具顯微鏡，插拔速度為50mm/min，選取樣品共5個(gè)。

測(cè)試共進(jìn)行20次循環(huán)插拔，當(dāng)插入力小于45N且拔出力小于75N時(shí)判定為合格，記錄第1次和第20次插拔力，當(dāng)插拔力變化率小于25%時(shí)判定為合格。測(cè)試結(jié)果見表2，從表中可以看出，測(cè)試結(jié)果均為合格。完成循環(huán)拔插測(cè)試后，使用數(shù)碼工具顯微鏡對(duì)接口進(jìn)行尺寸檢查，發(fā)現(xiàn)尺寸并無明顯變化，部分尺寸檢查結(jié)果如圖5所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電連接器的可靠性，對(duì)經(jīng)歷了循環(huán)插拔力測(cè)試的電連接器與電流傳感器連接后進(jìn)行零點(diǎn)測(cè)試，電流傳感器的零點(diǎn)輸出理論值為2.5V±20mV，其零點(diǎn)測(cè)試的結(jié)果見表3。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在經(jīng)歷了循環(huán)插拔力測(cè)試后的電連接器的連接性能良好，可靠性較高。

2.4" 溫濕循環(huán)試驗(yàn)

溫濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際操作條件，使用溫度和濕度循環(huán)作為老化機(jī)制，以評(píng)估連接器系統(tǒng)的電氣可靠性。溫濕循環(huán)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置溫度在-40～125℃、濕度在0～95%RH之間，循環(huán)測(cè)試40次，每次循環(huán)時(shí)間8h。選取5個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，在溫箱中進(jìn)行溫濕循環(huán)試驗(yàn)。在溫濕循環(huán)試驗(yàn)前后進(jìn)行干電路測(cè)試和電壓降測(cè)試，通過試驗(yàn)前后的總連接電阻變化來判定連接器系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)進(jìn)行絕緣耐壓電阻測(cè)試，在常溫情況下，對(duì)高壓回路與低壓回路之間，以及各回路與殼體之間，分別施加1000V直流電壓，保持60s，當(dāng)測(cè)試所得絕緣電阻大于100MΩ時(shí)，判定測(cè)試通過。絕緣耐壓電阻的測(cè)試布置如圖6所示。

溫濕循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表4。從測(cè)試結(jié)果來看，樣品的絕緣耐壓性能全部合格，絕緣耐壓性良好。測(cè)試后總連接電阻明顯增大，這是由于溫濕循環(huán)促進(jìn)了接觸件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了磨損和腐蝕，使接觸電阻增大，但是測(cè)試結(jié)果依然符合測(cè)試要求。

2.5" 綜合隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)及瞬斷檢測(cè)

振動(dòng)和沖擊會(huì)引起端子界面的磨損、斷續(xù)的電接觸和連接器系統(tǒng)機(jī)械部件的失效。隨機(jī)振動(dòng)綜合試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際車輛條件下的振動(dòng)條件，研究電連接器系統(tǒng)在振動(dòng)條件下的性能。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的最小樣本量設(shè)置，綜合隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)選取5個(gè)樣品開展測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)置參考SEA-USCAR2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，選取V3隨機(jī)振動(dòng)等級(jí)，需要在X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向分別進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)22h，隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度設(shè)置見表5。

同時(shí)，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求需要設(shè)置熱循環(huán)條件，溫度循環(huán)條件設(shè)置為-40～95℃，溫度的轉(zhuǎn)換速度在每分鐘3～5℃，在最高溫和最低溫保持約2h，熱循環(huán)的單次循環(huán)時(shí)間約6h。

在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的零點(diǎn)輸出，要求產(chǎn)品的零點(diǎn)輸出結(jié)果誤差在±18mV范圍內(nèi)。同時(shí)為了探究隨機(jī)振動(dòng)條件下電氣連接的連續(xù)性，考慮瞬斷失效的情況。瞬斷是接觸件之間產(chǎn)生的微小摩擦造成的鍍層破壞，使得接觸電阻急劇增大發(fā)生的現(xiàn)象。如果繼續(xù)磨損，瞬斷現(xiàn)象可能會(huì)引起斷電的發(fā)生。為了檢測(cè)瞬斷現(xiàn)象，使用專用的瞬斷檢測(cè)儀NM11B進(jìn)行檢測(cè)，要求試驗(yàn)中瞬斷阻值連續(xù)大于7Ω的時(shí)間不應(yīng)超過1μs。試驗(yàn)中，瞬斷監(jiān)測(cè)狀態(tài)的布置圖如圖7所示。

瞬斷檢測(cè)儀并未檢測(cè)到瞬斷阻值連續(xù)大于7Ω超過1μs的情況，電連接器并未發(fā)生瞬斷現(xiàn)象。振動(dòng)過程中的零點(diǎn)輸出檢測(cè)最大偏差結(jié)果見表6，從結(jié)果可以看出，在振動(dòng)過程中，傳感器的輸出偏差符合要求，可以發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)振動(dòng)的工況下，電連接器的連接性能依然未受到較大影響。

3" 電連接器接觸件插拔力仿真分析

上文通過測(cè)試試驗(yàn)探究了某型電流傳感器電連接器的連接性能，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了振動(dòng)、溫度、濕度、插拔力等因素對(duì)于電連接器的連接性能影響。但是考慮到試驗(yàn)的流程較長(zhǎng)、成本較高，故本節(jié)以插拔力仿真為例，通過仿真模擬接觸件插拔過程，為電連接器接觸件的設(shè)計(jì)、選型和可靠性測(cè)試提供依據(jù)。

根據(jù)電連接器的接觸件三維模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，分析所用的三維模型如圖8所示。電連接器接觸件的材料為CuSn4，其材料參數(shù)見表7。

為了模擬插入及拔出的過程，對(duì)插針添加位移條件，設(shè)置插針移動(dòng)速度0.2mm/s，最大插入量2mm，設(shè)置插針與插孔的接觸面為摩擦接觸，開啟結(jié)構(gòu)大撓曲分析。插針插入過程中，部分位置應(yīng)力分布如圖9所示。從圖中可以看出，插孔簧片向兩側(cè)受迫擴(kuò)張，應(yīng)力呈明顯的梯度分布，應(yīng)力最大值分布在簧片根部，隨著插針的插入，最大應(yīng)力不斷增大，當(dāng)插針完全插入后，簧片的應(yīng)力變化較小。

在分析結(jié)果中添加反力分析后，得到了插拔過程中的插拔力曲線，如圖10所示。通過對(duì)仿真所得的插拔力與試驗(yàn)所得插拔力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩者在數(shù)值上差異不大。當(dāng)插針剛插入時(shí)，插入力明顯增大，隨著插針的持續(xù)插入，插入力逐漸達(dá)到最大值。當(dāng)插針完全插入后，插入力基本保持不變。而在插針拔出的過程中，拔出力也基本保持不變，且拔出力略大于插入力，這也與電連接器插拔力的設(shè)計(jì)要求相符合。

4" 結(jié)論

本文為了探究新能源汽車電流傳感器電連接器的可靠性，以某型電流傳感器的電連接器為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析研究了電連接器連接可靠性，主要結(jié)論如下。

1）對(duì)電連接器的接觸形式及失效形式進(jìn)行分析，并針對(duì)常見的失效形式確定測(cè)試方向，采用設(shè)計(jì)測(cè)試的方式，對(duì)某型電流傳感器的電連接器的插拔力，以及在振動(dòng)、溫濕等環(huán)境因素影響下的連接可靠性進(jìn)行了測(cè)試。

2）通過有限元軟件仿真了電連接器接觸件的插拔過程，仿真所得的插拔力在數(shù)值和趨勢(shì)上與實(shí)際情況均接近，可以較好地模擬接觸件插拔情況，能夠?yàn)殡娺B接器接觸件的設(shè)計(jì)和可靠性測(cè)試提供依據(jù)。

3）本文所做的電流傳感器電連接器的測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析工作，不僅能夠?yàn)殡娺B接器的設(shè)計(jì)選型和連接可靠性測(cè)試提供參考，還能為日后形成一套完整的新能源汽車電連接器測(cè)試方案及標(biāo)準(zhǔn)打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李茜，李景育，陳星昊，等.電連接器的概述和研究現(xiàn)狀分析[J].環(huán)境技術(shù)，2021，39（6）：115-119.

[2] 王騰，郁大照，朱蒙，等.海軍某型飛機(jī)典型電連接器失效分析[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（12）：28-35.

[3] 駱燕燕，楊靜宇，任永隆，等.電連接器接觸件插拔特性仿真與試驗(yàn)研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2017，24（2）：168-173，195.

[4] 駱燕燕，劉旭陽(yáng)，郝杰，等. 航空電連接器熱疲勞失效機(jī)理研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（7）：1266-1274.

[5] 何林濤，任建峰，張克非，等.一種連接器振動(dòng)故障分析[J].裝備環(huán)境工程，2023，20（1）：30-36.

[6] 閆冰.電連接器接觸件力學(xué)特性及溫度特性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[7] 劉宇彤.振動(dòng)環(huán)境下電連接器的可靠性分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2023.