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新能源汽車高壓連接器技術、設計及趨勢

2021-08-27

近年來,由于受到全球經濟波動的影響,北美、歐洲和日本連接器市場增長緩慢,而以中國為代表的新興市場呈現持續增長勢頭,成為推動全球連接器市場增長的主要動力。為此,全球知名連接器企業紛紛把生產基地轉移到國內,包括TE Connectivity、Molex、Delphi等持續在國內投資建廠,中國已經成為全球最大的連接器生產基地,尤其在政府的政策推動激勵下,我國新能源汽車行業穩健發展帶動了汽車連接器的持續發展。我國連接器經過了多年的技術積累,無論在設計能力還是自動化生產能力上已經滿足了新能源汽車高壓連接器所要求的技術水平。在下游廠商國產化和技術能力足夠滿足的前提下,國內廠商已經占領了新能源汽車高壓連接器的至高點,比如四川永貴、中航光電、巴斯巴等知名企業。希望在這個新的領域實現彎道超車,有機會打破外商在傳統汽車連接器的壟斷地位。


1 高壓連接器技術分析


1.1 高壓連接器在整車系統中的應用


新能源汽車用連接器是連接器大類中的一種,是近幾年隨著國家新能源汽車的發展,逐漸從傳統高壓大電流和傳統低壓汽車連接器中分離出來的一類連接器。相較于傳統高壓大電流連接器,新能源汽車用連接器的使用工況更復雜多變,對連接器的可靠性要求更高;相較于傳統低壓汽車連接器,由于電壓等級的提高(目前主流系統的電壓均高于300V DC),增加了人體受到電擊傷害的風險,對連接器的安全性要求更高;所以對產品的絕緣、防護要求等比傳統低壓插件均有所提高。


新能源汽車用連接器的作用主要是保證整車高壓互聯系統,即在內部電路被阻斷或孤立不通處架起橋梁從而使電流流通。新能源車用連接器的組成一般可分為:外殼、密封件等輔助結構,絕緣件,導電接觸對三部分組成。通過插頭護套和插座護套間的對插、相互配合,即可達到接通和導電的功能。高壓連接器主要使用在新能源汽車高壓大電流回路,和導電線纜同時作用,將電池包的能量通過不同的電氣回路,輸送到整車系統中各部件,如電池包、電機控制器、DCDC轉換器、充電機等車身用電單元。

 

圖1就是高壓連接器在整車系統運用中的一個布局圖。



1.2 高壓連接器設計關鍵項分析


1.2.1溫升及降額曲線值


溫升是連接器設計最重要的設計關鍵項之一,異常的溫升會導致連接器因為溫升過高,發生燒蝕。


連接器的溫升受如下因素影響:


1、 接觸電阻:用于導電連接,兩接觸載體之間的電阻,如針孔對插接觸電阻、針孔尾部與導線壓接電阻、螺紋連接銅牌與銅牌之間的接觸電阻


2、物質環境加熱:當連接器長期處于一個高溫環境,由于連接器所用的材料都是工程塑料、金屬、橡膠等,尤其工程塑料要求最高工作溫度140℃,但當產品使用的環境溫度過高,連接器由于自身接觸內阻發熱在達到熱平衡時,加上所處的環境溫度高于了材料允許使用最高工作溫度。此時,若連接器長期處于一個該環境,連接器內部針孔件發熱導致內部溫度排不出來話,內部溫度會持續升高,連接器就會產生很大的熱量,導致連接器出現燒蝕引起車輛燃燒,這是非常嚴重的問題。橡膠材料和金屬材料均有最高工作溫度限制,設計時均需要考慮。


3、板端的連接:設計的時候要用螺栓的情況下,或者要用預防措施,防止供貨的時候松脫;同時在螺栓連接時,一定要根據操作規范進行扭力檢測。導電部件螺釘連接情況下,主要的失效模式之一就是未按照力矩要求進行擰緊力矩管控,導致連接部位溫升異常,燒蝕。


4、降額曲線:現在我們來討論下降額曲線,在我的理解中,降額曲線圖就好比你去選擇一個商品,這個商品要用在特定的環境中使用,這時選擇商品的時候就要根據這個商品的一個屬性值來確定你選擇哪個區間范圍內的商品。高壓連接器的降額曲線圖就是給客戶提供一份菜單,客戶根據這個菜單對應自己的口味選擇自己合適的菜品。


降額曲線就是不同電流在不同的工作環境溫度下對應出的不同值,這些值通過描點法得到的一個曲線圖,有了這個降額曲線圖就能更加直觀的看到這個連接器使用條件。


下圖就是關于溫升和降額曲線的圖示


溫升曲線圖


降額曲線圖


1.2.2高壓互鎖(HVIL)


針對整個的高壓互連系統來講,為了保證高壓系統上下電時的安全,在連接設計時,引入了高壓互鎖概念。簡單描述為,連接器在插合導通時,高壓回路先接觸導通,后高壓互鎖信號回路再導通;分斷時,先高壓互鎖信號分斷,后高壓回路斷開。大多數連接器廠家會把高壓互鎖設計放在連接器內部,也有一部分廠家會把高壓互鎖通過輔助結構設計放在對插腔體的外部。確保高壓互鎖回路的穩定性,十分重要。如果說高壓互鎖不連續,可能帶來的影響會很惡劣,比如車正在行駛過程中,突然高壓互鎖回路信號異常,導致整車突然掉電,不能正常運行,這樣會造成交通事故。


1.2.3 鎖緊結構


理解真正的二次鎖不是有一個二次的保護作用,是更要有效地對其保護,這個真正的含義就是在一次鎖止后,如果一次鎖失效了或者沒有操作核實到位,二次鎖就是確保一次鎖鎖好以后,對第一次鎖進行保護,這是一個很重要的作用。二次鎖緊結構結合一次鎖里面最常用的就是力臂機構,因為一次鎖緊跟插拔力有關,所以按照力學設計理念需要一種類似于力臂機構的形式,這樣才能達到既省力,也能夠很輕松地把連接器插到位。對于力臂的要求,USCAR里面講到了很多的力臂的人機工程的可操作性。USCAR里面也規定了相關一次鎖和二次鎖在對插和不對插情況下的力的要求。其實我們大家都會認為USCAR是連接器的標準,但我認為USCAR標準不僅僅是作為一個技術性標準,而且還指導了設計者在設計過程中把結構做可靠,怎么在結構及性能可靠的前提下,也能夠提供客戶更好的產品體驗感。下圖2是比較常見的鎖緊結構產品圖。



 

1.2.4 防護等級


連接器的防護主要分在三個布置:


第一個是板端密封:板端就是連接器插座端采用四個螺釘采用機械連接方式安裝,這種是比較常用的結構,也有一些比較特殊的結構(圖3);


第二個是頭座對插密封:頭座對插就是公端包含母端或者是母端包含公端中間采用橡膠件進行徑向和軸向之間的防護(圖4);


第三個是線端密封,線端連接器跟電纜之間的防護密封(圖5)。


對于電動汽車高壓連接器隨著市場的發展,主機廠對產品防護的性能要求也在不斷地提高。行業發展初期,IPI67的防護要求已經可以滿足絕大部分客戶。但是后期隨著市場上出現的連接器產品防護失效,導致產品出現漏水,絕緣故障、甚至燒蝕的案例也越來越來越多。


防護要求逐步的提高成為電動車發展趨勢,目前IP67的要求不能滿足正常的使用要求,當然這也不是絕對的,還要看連接器在車上布置的位置。根據高壓回路在整車布置來講,都會懸掛在汽車底盤下面,高壓不得進艙內這是一個原則,所以說大多數高壓連接器都是會在底盤靠近地面,或者靠近輪轂的位置,當一些天氣惡劣的時候,比如說嚴酷的天氣很大的暴雨或者說一些嚴寒的天氣,你的輪胎帶起來的水其實會沖擊這些連接器,如果大家熟悉測試的話,國內標準沒有IP6K9K一說,你會發現如果IP67的話,高壓水槍的沖擊的壓力,其實沒有6k9k大。當汽車高速行使的時候,突然涉水時,瞬時涌向連接器的水壓會很大,所以說IP67有的時候是很難滿足實際的使用要求。針對這一點的話,現在國內標準QC/T1067,國外標準USCAR將連接器密封分為兩個等級S1和S2。S2等級的話,明確規定適用的場合是底盤的位置較低,推薦的就是6K和9K,所以未來連接防護的話一定是6K和9K。如果連接器并不是布置在上述位置,IP67的設計其實還是可以滿足整車使用要求。


1.2.5 電磁屏蔽


電動汽車有很多的電子器件,電流會產生磁場,整車零部件要有抗干擾的能力。尤其是電動汽車現在作為一個載體,無人駕駛會在這個基礎上更多地開發,所以這個技術問題非常重要。對于高壓系統而言,屏蔽連接器、電纜是非常重要的,但是我們更多的是要優先考慮系統級的布置,這是一個前提條件,如果你的OBC,你布置的位置,包括系統中的DCDC,是不是本身可能會有一些先天性的問題,即使連接器做得再好,也會出現各種信號干擾的問題,所以首先要考慮系統型的,其次考慮零部件級的。對于連接器屏蔽效能,一般會采用二個方式。第一種方式,我們在一些塑料連接器上,里面會有金屬屏蔽罩,電纜屏蔽層會跟金屬殼的屏蔽層相連,形成一個有效的360°的屏蔽層。第二種方式,大多數的高壓小電流的連接,都不會有二次的連接,會采用跟電纜的屏蔽層相接,這種方式也是現有廠家常用的方式,包括國內一些比較知名的主機廠也在考慮這種方式,我們叫spring contact(英文),其實就是一個彈簧的連接。這種結構的好處也是很多的,因為尺寸、空間會更小,它的接

觸點也會更多;此結構的制造商很多,主要代表的公司像瑞士的寶馬彈簧、美國的巴塞爾等,他們在這塊有很多實際成熟應用案例。大多數情況下,導線和屏蔽層的連接,我們會用金屬內、外環的形式,進行壓接,將屏蔽層置于兩個金屬環之間,通過冷壓變形使屏蔽層和金屬環進行緊密固定。另外,我們還有一種屏蔽方式,它通過一種類似于表帶簧的結構,用以替代彈簧連接,該結構常在軍用產品上使用,技術成熟;我們做過相關測試,均能滿足設計要求。該結構應用在新能源電動車的屏蔽,既能夠滿足性能要求,同時又是沖制件,適合批量生產,性價比高。


1.2.6連接器材質


連接器絕緣件材質一般選用PA66、PBT、ABS、PC等。接觸件材質一般選用黃銅、磷青銅、鈹銅等,但現在國外用的比較多的材料是銅鎳硅材料。連接器殼體材質一般分為塑料和金屬兩種材質。


關于如何選擇塑料材質或者金屬材質,一般有如下幾個參考點:


1.輕量化


由于對整車輕量化的需求,尤其是乘用車廠商會在滿足產品性能的前提下,盡量去選擇塑料連接器,以達到控制整車重量。


2.產品的使用環境


由于金屬材料的機械強度比塑料好。所以在一些使用環境比較惡劣的環境下,金屬連接器會更適合。例如像特種車輛、渣土車,以及整車在布置時,未做防護的電氣連接部位。此時,金屬材質相比塑料材質的連接器在受環境影響及機械強度方面略勝一籌。


3.屏蔽實現方式


針對屏蔽連接器,由于金屬連接器自身的外殼就是用于導通屏蔽,形成屏蔽保護的載體。一般情況下,金屬連接器較塑料連接器更容易實現更為優異的屏蔽效能,外形結構更為緊湊。


1.2.7 連接器選型


1.2.7.1連接器選用流程(見下圖)


 

1.2.7.2連接器常用技術參數解讀


(1)使用位置:顧名思義,即為連接器在整車不同高壓電器上的應用位置,選擇連接器。


 

(2)額定電壓:電氣設備(包括用電、供電設備)可長期穩定工作的最大電壓。


額定電壓大小與爬電距離&電氣間隙成正比。


換句話說,額定電壓要求越高,連接器越大,或者越長。爬電距離&電氣間隙設計標準依GBT 16935.1(IEC 60664-1),


(3)額定電流:電氣設備的額定電流是指在基準環境溫度下,在額定電壓工作條件下,發熱不超過長期發熱允許溫度時所允許長期通過的最大電流。


對電動汽車而言,P=UI,額定電流是根據電氣設備的功率P,輸出電壓U決定。


峰值電流:電動汽車在急加速,爬坡,超載的瞬間產生的最大電流值。


載流截面積與連接器額定電流成正比,換句話說,插針/孔/導線截面越大,它所能通過的電流也越大,連接器越大。


(4) HVIL(高壓互鎖)


(4.1)設計HVIL功能目的

確認整個高壓系統的完整性,當高壓系統回路斷開或者完整性受到破壞的時候,激發整車的安全措施啟動。


(4.2)HVIL功能的實現


a.需要整個系統構成,系統開發時就要設計進去;


b.主要通過連接器來完成;


c.HVIL電路是低壓電,相對于功率電路,是獨立的。


(4.3)連接器HVIL功能實現原理


功率和信號端子應滿足:


——連接時,功率端子先接通,信號端子后接通。


——斷開時,信號端子先斷開,功率端子后斷開。


特別說明:功率端子的接通,表示良好的接觸,虛接觸是不可接受



 (5) 屏蔽


交變電場屏蔽:為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓,可以在干擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體,并將金屬屏蔽體接地。

    

屏蔽與非屏蔽連接器主要區別即為是否設置有導電良好的金屬屏蔽體。


(6) 防護等級


IP防護等級是由兩個數字所組成,第一個標記數字表示電器防塵、防止外物侵入的等級,第二個標記數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度,數字越大表示其防護等級越高。


(7)出線方式


主要指電連接器插頭尾部電纜出線角度與插座安裝面法向方向之間的角度,依此劃分,常見的有90°(彎式)及180°(直式)出線電連接器。


(8) 插座安裝方式


為滿足主機廠設計人員對連接器不同布置方式的需求,電連接器插座安裝方式細分為以下四種:



 1.6.2.3選項注意事項


(1)電壓選型需匹配:整車經過負載計算的額定電壓應小于等于連接器額定電壓,若整車工作電壓超出連接器額定電壓長時間運行,電連接器有爬電燒蝕風險。


(2)電流選型需匹配:整車經過負載計算的額定電流應小于等于連接器額定電流,若整車工作電流超出連接器額定電流長時間運行,電連接器有過載燒蝕風險。



(3)電纜選型需匹配:整車電纜選型匹配分為電纜載流匹配和電纜與連接器密封匹配,關于電纜載流,各主機廠有專門的電氣工程師進行匹配設計,在此不作解釋。


密封匹配:連接器與電纜密封依靠橡膠密封件彈性壓縮提供二者間接觸壓力,從而實現可靠的防護性能,如IP67;根據計算,實現特定的接觸壓力依靠密封件特定的壓縮量實現,依此推出,若需可靠防護,連接器的密封防護在設計之初就對電纜有特定的尺寸要求;


同等規格的載流截面,電纜可有不同的外徑尺寸,如屏蔽電纜與非屏蔽電纜,國標電纜與LV216標準電纜,具體匹配何種電纜,連接器選型規格書均有明確表述,故連接器選型時需特別注意適配電纜規格要求,以防造成連接器密封失效。


(4)整車需柔性布線:對于整車布線,現各主機廠均有彎曲半徑及松弛度要求;根據連接器在整車


使用案例,建議線束裝配完成后,連接器端子本身不受應力,只有當線束整體因汽車運行受到振動、沖擊與車身發生相對位移時,通過線束柔性達到應變消除目的,即使有少許應變傳遞到連接器端子,所產生應力也不超過端子在連接器中設計固持力 。



2 高壓連接器發展趨勢


2.1 政策導向作用

    

國家對新能源電動汽車產業政策的制定要根據中國國情來決定。在發展綠色交通體系方面,國家計劃提出,加快車船結構升級,推廣使用新能源汽車,2020年新能源汽車產銷量達到200萬輛左右。加快推進城市建成區新增和更新的公交、環衛、郵政、出租、通勤、輕型物料配送車輛使用新能源或清潔能源汽車,重點區域使用比例達到80%;重點區域港口、機場、鐵路貨場等新增或更換作業車輛主要使用新能源或清潔能源汽車。2020年底前,在物流園、產業園、工業園、大型單列市建成區公交車全部更換為新能源汽車。在物流園、產業園、工業園、大型商業購物中心、農貿批發市場等物流集散地建設集中式充電樁和快速充電樁。根據國家的政策導向,整車廠也根據相關政策調整內部模式,這就決定了連接器的發展方向。


2.2平臺化及定制化

 

電動汽車這種類型也多,比如說乘用車、物流車,包括定制連接器,要求會不所不同,或者說會提出一些特別特殊的要求,所以包括還有無人駕駛,物聯網車、新能源等等,我們連接器廠家要考慮一下,這種電動汽車細分行業需求的定制化(整車端和電池端),我覺得或許會是一


個選擇不錯的嘗試,我們現在已經在邁向第一步。因為總體來看,這些類型的車都會在不同的場合應用,其實都是一個細分領域,雖然量沒有那么大,但是那個市場就是屬于我們的,我們在這個市場就是做到頂尖,這也是一個不錯的選擇。第二個就是平臺化,未來電池和整車都會趨于平臺化,如何跟客戶保持深入的技術溝通,形成雙方平臺化的產品很重要,國內主機廠比較多,大家平臺現在也不同,比如電池整包廠特別多,每家自己的模組方案、電池箱成組方案都不一樣,作為連接器廠家需要思考怎么樣做適合平臺化的應用。


2.3小型化及輕量化


在汽車工業日漸追求節能與環保的背景下,汽車輕量化及小型化已成為技術潮流,也是汽車廠商技術競爭的重點,通過控制整車重量,可以有效的降低油耗,減小尾氣排放,提高燃油能效。在汽車工業這樣的大環境下,也帶動新能源連接器必須走小型化及輕量化。


汽車小型化及輕量化的一系列重要解決方案,包括引入更小尺寸的高性能銅合金導線做為信號傳輸線,同時引入向微型化發展的端子及接觸件系統,以及該微型化產生的壓接不穩定的優化及可靠驗證方法;采用高性能端子來降低小功率傳輸導線尺寸的原理,以及采用鋁導線替代傳輸較大功率的大線徑銅導線。

 

3 結論


通過分析新能源連接器的主要技術參數及選用原則,隨著我們不斷地去搜集各種各樣的數據反饋,在國外的話,甚至連接器的廠家設置了很多整車的數據返回,他們會形成一個聯盟,他們會根據數據不斷的改良,達到一個最優的產品。


同時,隨著國內連接器廠商,在實際使用過程中得到的主機廠和用戶的實際反饋。連機器廠商們也在不停地去模擬真實用戶使用環境下,連接器是否穩定;包括我們新材料的研發和技術壁壘的攻克,成本是否能夠商業化。在不久的將來,這些都不會是問題,都會被克服掉。


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