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1000V就要來了,高壓連接器的設計和選型應注意哪些?
發布時間:2018-10-17   點擊次數:96次

我司已獲得該文章作者的授權轉載。

本文作者深耕電動力總成數年,目前為某車企該領域負責人,文章僅代表作者本人觀點,與所在公司無關。本文授權第一電動網發布,謝絕任何形式未經許可的轉載。

來源:第一電動網

作者:劉敢闖

對于新能源汽車,國內談論最多的是“電池、電機、電控”三電系統的如何發展和技術突破,然而實際應用中,還有一個重要的電氣單元——高壓電氣連接系統。【本文作者為樓佳烽,深耕電動力總成數年,授權第一電動網發布,謝絕任何形式未經許可的轉載】

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。

在電氣連接系統中,連接器的質量尤為重要,這成為保障電連接安全可靠至關重要的因素,以下是國內外的一些參考標準:

 

國標還未正式發布,對照國外標準,征求稿的細則上還是有較大區別。連接器選型應用時,需要根據部件使用環境(如溫度、濕度、海拔等)、安裝位置(振動條件、體積結構、密封等級要求)、載流特性、成本核算等合理選擇產品。對高壓連接器的理想期望,希望產品有較高的安全防護等級、高耐溫、大載流、低功耗、抗油脂、體積小、輕量化、長壽命周期且低成本。

1. 安全防護

連接器的安全防護主要指電氣性能滿足設計要求,如絕緣、耐壓、電氣間隙、爬電距離、防呆、防觸指(端子周圍加絕緣材料,高出端子高度或者端子加塑料帽)設計等符合規定要求,除了以上性能,應用時,需重點關注連接器HVIL和密封防護、EMC性能。

1)高壓互鎖(High Voltage Interlock)

高壓互鎖是通過使用電氣信號,可以確認高壓系統連接的完整性,也可以作為蓋板打開檢測。

高壓連接器設計時,考慮插拔過程中的高壓安全保護,如斷開時,HVIL首先斷開,后斷開高壓端子;而接合時則相反。連接器HVIL在結構設計上一般有內置式和外置式(見圖1),由于內置式結構緊湊體積較小,目前普遍使用內置式,高壓互鎖回路安裝在高壓端子之間。在應用中,部分內置式連接器缺少互鎖裝置的CPA(Connector position assurance),如果連接器結構設計得不好,在某些惡劣的條件的,部分供應商的產品由于互鎖裝置位移會導致互鎖信號的不連續性,給車輛調試及安全駕駛帶來不必要的問題。

 

在實際使用的過程中,HVIL回路主要通過信號(如電平、PWM信號)注入法檢測,失效模式主要考慮HVIL電路故障短路(包含對電源、對地短路,采用電平檢測,存在系統可能無法正確判斷的風險)或斷開(產品需確保互鎖裝置不位移)。

另外,連接器選型設計時應考慮連接器HVIL裝置接觸電阻及線束回路電阻,避免由于信號壓降造成的HVIL檢測失效。

2)防護等級要求

高壓連接器密封一般要求至少達到IP67,在汽車一些特殊場合選型時甚至要求IP6K9K,以保證即便在高壓沖洗時也滿足使用要求。

目前產品防護要求及驗證方法主要參考GB4208,把部件或連接器放置于水箱1m深處,以檢測其防護等級IP67是否通過(見圖2),但在實際使用中,這一點是否能模擬車輛的實際工況上值得商榷

 

車輛的實際工況需要經歷疲勞荷載,面臨材料老化問題(見圖3)。比如,長期面臨振動條件;極端天氣下,需面對極寒極熱情況;涉水時,水分中含有其他雜質,需應對腐蝕性等情況。為保障全生命周期內產品性能,實際運用當中,重要的是在車輛接近壽命尾聲時,密封情況的好壞。

 

連接器在實驗室的浸水防塵測試,無法完全模擬車輛連接器的實際環境。將連接器產品先經過機械疲勞、振動、熱沖擊、鹽霧等測試后,再進行IP67測試,可以盡可能完整地預估系統生命終期的密封性能。

另外,值得注意的是,密封材料一般為橡膠材質,本身面臨壽命衰減,目前連接器產品應用中缺少有效的風險報告,在系統設計時,也需要考慮如何預防因密封材料壽命衰減帶來的問題。

如果產品全生命周期內可以保證密封性能,連接器密封在應用設計中,主要考慮以下幾點:連接器和部件之間(主要涉及部件結構設計控制)、連接器和電纜之間(產品保證密封圈位置限位不移動及線束生產時控制裝配準確性)、連接器公母端之間(產品結構工藝及裝配的完整性)。

3)EMC

由于新能源汽車使用大量電力電子器件,高壓和大電流產生的電磁場,會對其他的通訊設備產生電磁干擾,整車和零部件必須要有抗干擾和抗輻射的能力。

高壓電氣連接系統設計時,要求連接器具備360°屏蔽層,并有效地和電纜屏蔽層連接,屏蔽層覆蓋整個連接器長度,以保證足夠的屏蔽功能,并盡量減少屏蔽界面之間的電阻,在產品生命周期內,屏蔽連接接觸電阻<10mΩ。

對于由塑料制成的高壓連接器,屏蔽須用金屬面來實現。

2. 連接器耐溫、功耗

連接器(主要指其中的接觸件)超過規定使用溫度限值,連接器會因發熱降低安全特性,甚至失效損壞。造成連接器溫升增高的主要原因如下:

1)環境因素,布置位置易受高溫影響或處于熱量集中的密封艙內,在避免不了其布置位置的情況下,選型時也需要對連接器的耐溫進行考慮(如標2)。

 

2)連接器自身發熱,影響因素主要為插合接觸件的接觸電阻功耗發熱或壓接不良。

連接器電性能重要的衡量指標為連接器之間的接觸電阻,接觸電阻越小,則電壓降越小,意味著電損耗越低,也意味著溫升較低,連接端子可以獲得較高的使用壽命。

接觸件受熱后將影響鍍層,或在接觸區域形成絕緣薄膜層,增大接觸電阻,進一步加劇溫升,形成惡性循環。

連接器受熱超過限值,熱失效嚴重時線束燒毀,且將導致絕緣材料產生化學分解,降低絕緣性能,嚴重時有可能出現連接器正負極柱間因絕緣材質熱熔后擊穿短路現象。

參照大眾VW80834標準,連接器接觸電阻不能超過表3的限值:

 

連接器線纜壓接完整后,接觸電阻計算公式如下:

Rtotal=Rcrimp1+Rcontact+Rcrimp2

 

a)一般而言,線束壓接外包給選配的連接器廠家代工,可以更好地保障連接器壓接可靠性。實際應用中,連接器熱失效大部分由于線束壓接不良,如壓接比率不足,導致飛邊壓接,或者壓接比率過剩,導致壓接不完全。

 

b)連接器的界面結構,如材質/鍍層種類及它的純度、厚度、幾何形狀等決定了連接器的性能,包括接觸電阻、插拔力和插拔壽命。

 

高壓連接器端子接觸件結構主要有開片式、冠簧式、扭簧式、表帶式等(如圖7),不同的結構形式決定了電接觸方式(面接觸、線接觸和多點接觸),選用何種形式需要根據連接器的應用場合決定。對于經常插拔式連接器,根據并聯分流原理,利用載流橋數量多少以達到降低接觸電阻的目的。

連接器鍍層一般選擇接觸電阻較低的銀(如表5),不同廠家產品鍍層厚度各不相同(鍍層太薄磨損厲害,太厚鍍層附著力不足),選用時需根據考慮不同的適用場合,如室內/室外、是否需要頻繁插拔等。比如充電連接器,實驗室插拔試驗可滿足國標規定的10000次目標,但在戶外實際使用條件下,首先面臨的環境條件比實驗室惡劣(如潮濕、炎熱、粉塵等);其次,人員操作是否規范具有隨機不確定性。若使用或維護不當,充電連接器局部鍍層將磨損嚴重,出現“漏銅”現象,使用中將產生銅銹,導致有效的載流面/點減少。

 

另外,連接器選型應用中,還應關注連接器端子的結構形式,如插件端子以90°直角連接,則應避免選用螺紋連接的結構形式。此種結構形式,螺紋齒紋配合精度要求非常緊密,但在螺紋加工以及線束裝配過程中,無法避免不完全連接接觸。尤其是大電流端子連接,長期使用中,端子螺紋齒口會由于局部過熱,連接器面臨熱失效風險。

關于此點,也可參見大眾制訂的VW80304-2013標準,規定電纜出線以180°、90°方式,直角90°方式下,不允許螺紋連接。

 

3. 連接器壽命、成本

對于連接器性能壽命要求,大眾汽車標準中規定:乘用車開發項目必須保證全功能能力生命周期:至少15年或300000Km(≥8000h動作+30000h充電),商用車須保證至少15年或1000000Km。

連接器選型過程,產品成本不應是第一考慮因素,只有在滿足性能要求基礎上,降本增效才有可能,除非愿意以犧牲整車高壓電氣連接可靠性為代價。當然,為保證產品性能,選型中也應避免結構和規格的過度選配,造成產品成本的提升。

總結:

高壓電氣連接系統涉及電氣架構及安全,連接器產品關于整個產業鏈的發展。

產品的性能決定于產品的結構和材料,在產品結構被優化到合適,產品性能的競爭就是基礎材質與物理研究的競爭。在產品選型應用中,如果不掌握連接器界面材質,不了解連接器的失效機理,就無法科學評估連接器的可靠性。對于1000V高壓系統的熱點討論,對連接器提出了更高的性能要求。

 

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