线束工程师:高压连接器的基础扫盲(精读)

2020年8月20日 评论 230 4181字

散漫说,高压连接器是电动汽车重要的零部件,本文对高压连接的发展历程、高压连接器的技术特点及产品验证测试等进行了全面深入的阐述,值得一读。

1高压连接器的发展历程

电动汽车高压连接器的发展与电动汽车的发展是同步进行的,从连接器角度来说,国内电动汽车连接器发展经历以下几代。

1)第1代高压连接器(图1),2008年左右开始,主要是由当时工业连接器改款而来。这代产品的特点,以金属连壳体为主,无高压互锁功能,防误插入(防呆)效果较差。比较有代表性产品有安费诺HV系列的金属连接器,后来市场上很多款连接器是基于这种类型产品延伸扩展出来的。

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2)第2代高压连接器(图2),在第1代的基础上增加了高压互锁功能,连接器的外壳也逐渐由金属变为塑料。

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3)第3代高压连接器(图3),塑料+屏蔽功能+高压互锁的高压连接器。有代表性的是行业中800系列产品(这类产品是通过操作顺序来实现部分二级解锁功能,不是直接机械式结构),如TE/安费诺/智绿及国内新一代产品。

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4)第4代高压连接器(图4),塑料+屏蔽功能+高压互锁+二级解锁的高压连接器。有代表性的是行业中280系列产品,如TE/智绿及国内新一代产品,这类产品是通过机械结构来实现二级解锁功能,更为安全。

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5)未来一代高压连接器(图5)会在第4代产品上考虑冷却方式,如配合大功率充电带液冷、风冷的方式,来有效提高传输能量密度,降低质量,提高产品综合性能。

2 电动汽车用高压连接器的技术特点

在新能源汽车的三电系统中,高压连接系统有着举足轻重的地位,好比是把人体内各个重要的器官有机整合的血管系统,电池总正、总负回路类似于人体主动脉和主静脉,各个系统回路类似于人体各条动脉、静脉和毛细血管,是保证电动汽车能量传递,安全、可靠运行的重要保障,实现源源不断地把能量传送到各个系统。图6为高压连接系统与三电的关系。

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2.1端子类型

目前高压连接器可按照端子类型及结构两种方式进行分类。

2.1.1按照端子类型分(图7)

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1)方端子结构。采用冲压的端子技术,这类别的端子成本较低,有模具要求及模具费用投入高,40A以下的小电流中应用较为广泛,行业中以TE端子具有代表性。有一些日系、美系车企大电流的连接器采用方端子结构,住友、Yazaki等,车企如Tesla、丰田。

2)圆端子结构。采用机加工端子技术为主,端子成本相对于冲压端子,成本更高,但由于采用机加工生产方式,无需或很低的模具投入,端子前期投资较少。比较有代表性的产品有TEHVA800系列、国内主流产品系列。

2.1.2按照结构类型分(图8)

连接器结构按照安装方式可以分为插头、插座,插头可分为线性插头、90°直角插头,插座可分为法兰插座、90°直角插座,线性插座等。

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2.2高压互锁

高压互锁(HighVoltageInter-lock,简称HVIL),用低压信号管理高压回路的一种安全设计方法。在高压系统设计中,为避免由于高压连接器在实际操作过程中带电断开、闭合所造成的拉弧,高压连接器一般都应具备“高压互锁”功能。

具有高压互锁功能的高压连接系统,连接和断开时功率和互锁端子应满足以下条件:高压连接系统连接时,功率端子先接通,互锁端子后接通;高压连接系统断开时,互锁端子先断开,功率端子后断开。

高压互锁常用于高压电气回路中,如高压连接器、MSD、高压配电盒等回路中。

带有高压互锁的连接器,在带电情况下进行解锁时,可通过高压互锁的逻辑时序来断开,断开的时间与高压互锁端子和功率端子的有效接触长度差值大小有关,与断开时的速度有关。通常情况下,系统对互锁端子回路的响应时间在10~100ms之间,当连接系统分离(拔出)时间小于系统响应时间时,就会出现带电插拔的安全风险,而二次解锁就是为了解决这个断开时间问题,通常情况下,二次解锁能有效地把这个断开时间控制在1s以上,以确保操作安全。

2.3二次解锁

二次解锁分为两种方式,一种是通过操作顺序来实现,通过与正常拔出的反方向或不同方向来实现,如市场上主流的HVA800、HVC800系列高压连接器产品,连接器拔出时,助力板手与分离方向正好相反或不在一个方向上,以增加拔出时的响应时间,达到二次解锁功能。另一种为机械式的二次解锁功能,当拔出连接器时,第一次只能拔出到高压互锁端子断开的位置,这个状态下功率端子仍然有效接触,此时高压回路因高压互锁端子分离而断开,然后再经过二次操作才能把功率端子分离,从而实现两次解锁功能要求,机械式二次解锁与操作顺序解锁相比,具有更高的安全性,但结构相对更复杂。图9为二级解锁过程。

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2.4锁止结构

连接器二次锁止结构(ConnectorPositionAssurance,简称CPA),是用于增加连接器锁止装置强度的卡扣结构。CPA能有效保护连接器插头、插座的可靠连接,防止汽车运行过程中的意外松脱或接触不良引起的带载插拔安全事故,CPA属于辅助锁止结构,是通过与主锁止结构配合以达到可靠锁止的要求。CPA的工作原理,当主锁止结构锁止后,CPA辅助锁止,此时主锁止结构将不容易受到外界环境影响而松脱(主锁止结构失效除外),解锁时需要解开CPA才能正常解开,能满足较苛刻条件下使用的一种锁止构结。

2.5端子辅助结构

连接器端子保持辅助结构(TerminalPositionAssurance,简称TPA)(图10),是用于对端子的二次保护和限位的一种结构,防止端子在外界拉力的作用下脱出,造成线路中断,应用在环境比较恶劣或要求拉脱力更大的情况下。这种构成中一般会包含两种保持结构,一是端子本身的保持结构,另一种是由TPA构成的保持结构。

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2.6 关键参数端子压接评估

端子压接是连接器行业核心的关键工艺,评价端子压接的效果主要由以下几点组成。

1)端子抗拉力。评估端子压接的效果包含端子与线之间的压接最小抗拉强度。主要参数要求见表1。

2)端子电阻。评估端子压接的效果包含压接电阻测试评估。表2为端子电阻。

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3)端子压接剖面分析。对压接后的端子压接有效区域(选择压缩最致密区域)进行端面截断,打磨,剖光,然后用专业的设备进行压缩比测试,在放大约5~10倍时要求被压缩的线缆铜丝间无可见空隙,且压缩比控制在80%~90%为宜。

4)端子温升。温升测试,一般要求温升不超过55K(不同的标准对应不同的要求,也有50K)。国标GB/T37133—2018中的要求是55K。

6)端子压高压宽的定义。对于前面测试OK后的端子进行端子压高、压宽定义,并在制程过程中进行CPK管控。

2.7 高压连接器的综合检测

高压连接器及线束在生产下线过程中,需对产品性能进行综合检测,这类综合检测对产品品质起到非常重要的把关作用,一般会包含但不限于以下几项进行测试。

1)耐压测试。主要是针对产品在组装过程中是否存在因空间或爬到距离变化导致的耐压不良,或者在线束组装过程中线束压接或其他引起损伤导致的耐压不良产生的风险,通常情况下这类测试需要100%的检测。

2)绝缘测试。主要是针对产品在组装过程中是否存在因空间或爬到距离变化导致的绝缘不良,或者在线束组装过程中线束压接或其他引起损伤导致的绝缘不良产生的风险。

3)回路导通。多用于2组或以上的回路中,用于检测连接器在组装后各回路是否一一对应。

4)气密测试。适用于连接器成品或线束总成测试,施加47.8kPa的气压,对连接器的密封性进行检测,测试时间、泄漏值及其他参数可根据产品特点调整。

5)屏蔽回路测试。用于检测屏蔽回路中的阻值,一般情况下屏蔽电阻应小于10mΩ。

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综合模拟测试台(图11)可实现连接器的主要电气性能检测(绝缘、耐压、导通等)及气密性测试,检测NG时综合检测台程序锁止,并伴随着报警灯闪烁,需专人打开。测试OK后能自动生成唯一条形码(二维码)的标签并打印,确保所有下线产品经过检测并且可追溯。

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3测试验证

3.1测试系统搭建

由于高压连接器的性能直接关系到整个新能源汽车的安全,所以对产品的要求,除了要拿到最终产品状态的标准符合性报告,在工厂设计及生产阶段还会有DV测试验证及PV测试。测试要求主要包含以下方面。

1)电气性能。电气性能包括对电气参数的确认以及电气安全的保证。如电流循环、搭铁电阻、绝缘耐压测试等。

2)机械性能。为保证产品的安装便利性、连接的可靠性以及维修的便利性,对产品的拉拔力、振动、机械机构等方面做出的要求。

3)环境性能。包括耐盐雾、热老化、温度冲击、湿热循环等,这些环境可以完整复现产品在使用过程中的严苛工况,为产品在使用过程中的可靠性提供检验依据。具体测试项目参照表3执行,测试方法及要求根据产品的使用工况会存在差异。

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为有效对高压连接器进行测试,试验室搭建了用于温升测试的系统(图12),测试系统包括直流恒流源、数据采集系统以及控制单元。直流恒流源为被测样品提供所需电流值,数据采集系统采集被测样件各个点的温度值及环境温度,控制单元用于调整整个测试系统中的电流值。

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3.2测试数据分析

3.2.1端子保持力

本研究对同一型号的4个连接器进行了端子保持力的测试,线径截面积为4mm2,测试结果如图13所示。

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图13中可见,对于线径截面积为4mm2的产品,其端子抗拉力可满足表1中的最小抗拉强度要求,且公端与母端的产品一致性在可控范围内。

3.2.2温升

本研究选取线缆截面积为4mm2的连接器,通以30A的电流值,每天记录其温升数据,连续记录1008h,如图14所示。

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由图14分析,4mm2的连接器可长期承受30A,且温升保持在45K范围内。在前600h内,温升数据在一定的范围内波动,在650~700h,温升值开始上升至最高,逐渐稳定在45K,可满足基本使用工况。

众所周知,在新能源汽车中,高压连接器的使用环境较为复杂,湿度、温度都是影响其性能的主要因素,因此在进行验证试验时,除上面提到的常温环境下的验证测试,还需要开展复杂环境下的的验证以保证其可靠性。

4结论

高压连接系统作为新能源汽车中的重要组成部分,其可靠性问题会直接影响电动汽车安全性,将对行业发展造成严重影响。本文研究了电动汽车用高压连接器的发展历程,从产品的技术特点及测试要求等几方面重点介绍。基于其关键技术要求,搭建了综合模拟测试台架,对指定一款产品进行了测试,依据测试数据进行了分析总结,后续的验证测试需考虑更复杂的环境,以提高产品可靠性。

来源:电动学堂

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