聊聊高压连接器的设计与验证

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高压连接器也被称为高压接插件,是车用连接器的一种,一般指的是工作电压在60V以上的、主要负责传输大电流的连接器。高压连接器通过保持导电部分的稳定接触,利用绝缘材料和密封结构确保连接器的安全性和稳定性,从而实现高压电力或信号的传输。本文线束工程师之家主要介绍下高压连接器的设计与验证。

高压连接器的品牌众多,国际知名品牌主要有泰科、安费诺、莫仕、安波福等。国内也有一些优秀的高压连接器品牌,如中航光电、瑞可达、永贵电器等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

目前,高压连接器主要有三种标准体系,分别为LV标准插件,USCAR标准插件,以及日标插件,此三种插件目前以LV在国内市场流通性最大,工艺标准最完善。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

GB/T 20994-2007,规定了高压连接器的安全要求和试验方法。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

QC/T 1039-2016,规定了汽车用高压连接器的技术要求和试验方法。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

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高压连接器基本构成

高压连接器主要由4大基本结构组成,分别为接触器、绝缘体、塑壳和附件。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

(1) 接触件:完成电气连接的核心零件,即公母端子、簧片等;文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

(2) 绝缘体:支撑接触件,保证接触件之间的绝缘,即内塑壳;文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

(3) 塑壳:连接器的外壳,保证接插对准和保护整个连接器,即外塑壳;文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

(4) 附件:包括结构附件和安装附件,即定位销、导向销、连接环、密封圈、转动杠、锁止结构等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/the-design-and-verification-of-high-voltage-connectors/

聊聊高压连接器的设计与验证

高压连接器的设计要求

高压系统对高压连接器的要求包括但不仅限于:具有高电压、大电流性能;需要能够在各种工况下实现等级较高的防护功能(例如高温、震动、碰撞冲击、防尘防水等);具备可安装性;有良好的电磁屏蔽性能;成本应尽可能的低并且耐用。

高压连接器的设计要求主要包括以下几个方面:

电气性能要求:高压连接器需要满足额定电压下的绝缘电阻、介质损耗角正切值、放电电流、耐电压试验等电气性能要求。此外,还需要考虑额定电流、接触电阻、温升等参数。

环境适应性要求:高压连接器需要能够适应各种恶劣的工作环境,如高温、低温、湿度、振动等。设计时需要考虑这些因素对连接器性能的影响,并采取相应的措施进行优化。

机械强度要求:高压连接器需要承受一定的机械应力,因此需要具备足够的机械强度。设计时需要对连接器的结构进行详细的分析和计算,以确保其能够承受各种应力。

密封性能要求:高压连接器需要具备优良的密封性能,以防止水、尘等杂质进入连接器内部,影响其电气性能和安全性。设计时需要采用可靠的密封材料和密封结构,并对连接器的外观进行严格的检查。

可靠性要求:高压连接器需要具备较高的可靠性,以保证其在长期使用过程中能够保持稳定的性能。设计时需要采用优质的原材料和先进的工艺技术,并进行充分的测试和验证。

安全性能要求:高压连接器需要具备足够的安全性能,以防止电击、短路等危险情况的发生。设计时需要采用安全保护措施,如设置接地保护、过流保护等,并严格控制连接器的温升。

高压连接器的实验测试

高压连接器需要进行一系列的实验测试,以确保其性能和安全性。以下是一些常见的实验测试:

机械强度测试:包括耐久性测试、振动测试、冲击测试等,以检验连接器的机械强度和可靠性。

高压连接器安装在高压设备上,在车辆的实际使用中,会遭受各种振动和冲击。这种振动和冲击会导致高压连接器系统中的端子接触面产生磨损,电气连接不连续以及机械部件失效。

试件需要接插完整的公母连接器(高压线束端连接器及高压设备端连接器),并确保齐其连接电阻符合要求。

电气性能测试:包括额定电压、额定电流、接触电阻、温升等方面的测试,以确保连接器在正常工作条件下能够保持良好的电气性能。

环境适应性测试:包括温度循环、湿度、盐雾、霉菌等环境因素的测试,以评估连接器在不同环境条件下的性能表现。

高温老化,热老化会改变金属和塑料,这些改变会对电气和物理性能造成伤害。通过高温暴露试验模拟高压连接器长期暴露在高温环境下受到的影响。

温度冲击,冷热冲击试验是作用于连接器系统中各种材料上的极端温度循环试验,通过连接器各种材料的膨胀和冷缩,使端子与端子接触面之间产生摩擦加速,以此来评定连接器在存储、运输和使用中可能遇到的空气温度急变的耐受能力。

湿热循环,高湿度和高温度能加速端子的电流和电解腐蚀,温度循环可以导致磨损和摩擦腐蚀的接触表面的相对运动,导致高压连接器电气性能和机械性能恶化。为了评估高压连接器系统的电气耐久性,需要使用温度和湿度变化作为老化因子,来模拟车辆实际使用的状况。

盐雾腐蚀,盐雾腐蚀试验的目的是测试高压连接器的抗腐蚀能力。

密封性能测试:包括气密性测试、水密性测试等,以验证连接器的密封性能和防尘防水能力。

防水密封试验的目的是测试高压连接器的密封性能。采用冷热冲击试验机,对接插完整的公母高压连接器进行水密试验和高压喷水试验。

可靠性测试:包括寿命测试、故障模式与影响分析等,以评估连接器的可靠性和稳定性。

安全性能测试:包括过载保护测试、短路保护测试、电击保护测试等,以确保连接器在遇到异常情况时能够安全地切断电源或释放能量。

机械冲击与振动

高压连接器安装在高压设备上,在车辆的实际使用中,会遭受各种振动和冲击。这种振动和冲击会导致高压连接器系统中的端子接触面产生磨损,电气连接不连续以及机械部件失效。

试件需要接插完整的公母连接器(高压线束端连接器及高压设备端连接器),并确保齐其连接电阻符合要求。

(1)机械冲击

以100g加速度,每次冲击持续时间5ms,进行总计6000次(每个轴2个方向,每个方向1000次冲击)的冲击。

(2)机械振动

将试样固定在振动试验台架上,模拟正常安装状态,按QC/T 413-2002标准中的要求,对试样进行X/Y/Z三个方向上的扫频振动试验。

以10g加速度,频率10~1000HZ,进行总计48小时(X/Y/Z三轴各16小时)的机械振动。

试件在进行机械冲击和机械振动时,同步测试其电阻变化,要求其电阻变化连续大于7Ω的时间≤1us。在完成冲击和振动试验后,目测试样无损坏、开裂或变形的情况出现。

环境适应性测试

高温老化

热老化会改变金属和塑料,这些改变会对电气和物理性能造成伤害。通过高温暴露试验模拟高压连接器长期暴露在高温环境下受到的影响。

将接插完整的高压公母连接器放入无空气流动影响的恒温干燥箱,将温度调整至125℃,进行高气流速度循环。当试样的温度达到稳定后,在该条件下持续暴露240小时。

如果试验要求试样在测试过程中带电负荷,那么需要在试样的温度到达稳定后通电。

在试验完成后的5分钟内,对试样进行检测。试样需满足绝缘电阻≥100MΩ,耐压满足5000直流电压和3500交流电压,密封性能满足IPX8,并目测无损坏、开裂或变形等缺陷。

温度冲击

冷热冲击试验是作用于连接器系统中各种材料上的极端温度循环试验,通过连接器各种材料的膨胀和冷缩,使端子与端子接触面之间产生摩擦加速,以此来评定连接器在存储、运输和使用中可能遇到的空气温度急变的耐受能力。

试验采用冷热冲击试验机,使用完整接插的高压公母连接器,在最低工作温度±2℃和最高工作温度±2℃之间来回切换循环100次,高低温切换时间为30秒。

在试验完成后的5分钟内对试样进行电气性能测试,要求试样满足绝缘电阻≥100MΩ,耐压满足5000直流电压和3500交流电压,密封性能满足IP67,并目测无损坏、开裂或变形等缺陷。经过试验后的试样插拔时无卡滞现象,直接插拔的操作力应小于100N。

湿热循环

为了评估高压连接器系统的电气耐久性,需要使用温度和湿度变化作为老化因子,来模拟车辆实际使用的状况。

高湿度和高温度能加速端子的电流和电解腐蚀,温度循环可以导致磨损和摩擦腐蚀的接触表面的相对运动,导致高压连接器电气性能和机械性能恶化。

试验采用恒温恒湿试验机,在-40℃且无湿度控制的情况下,使用接插完整的公母高压连接器按如下步骤开始循环,共循环40次,每个循环8小时。

(1) 在-40℃保存0.5小时;

(2) 在0.5小时内,调整温度到80~90℃,保存4小时;

(3) 在0.5小时内,调整温度到高压连接器图纸上标明的最高工作温度,持续1.5小时;

(4) 在1小时内,调整温度到-40℃;

(5) 在80~90℃保存4小时期间,控制湿度在80~100%内,其余状态无湿度控制要求。

在试验完成后的5分钟内对试样进行检测,要求绝缘电阻≥100MΩ,连接电阻满足老化后的要求,施加5000直流电压和3500交流电压后,无击穿情况,水密满足IPX8的性能要求,目测无损坏、开裂或变形等缺陷。

盐雾腐蚀

盐雾腐蚀试验的目的是测试高压连接器的抗腐蚀能力。

将接插完整且接有合适高压导线的公母连接器放入中性盐雾喷水测试仪中,按如下条件进行连续喷雾。

喷雾测试要求

在试验完成后,取出晾干0.5~1小时,用低于40℃的水流进行清洗,并用软毛刷轻轻刷去绝缘体表面的盐沉积物,用小于200kPa的气压在距离试样300mm处将试样吹干。

经过中性盐雾试验后,要求接触件盐雾试验后的接触电阻符合要求;连接器外观 ①金属零件表面应无起泡、起皱、不得暴露出基体金属;②非金属零件表面无明显泛白、膨胀、起泡、皱裂、麻坑等。

耐油耐液

耐油/耐液试验,是对高压连接器在各种液体浸泡的恶劣情况下的性能进行测试。

应采用有可能暴露在如下液体环境的连接器作为试样,在进行公母连接器插合,并接有合适的高压导线后,按要求时间浸泡在如下液体中。

耐油测试条件

在试验完成后,将试样取出,用无活性液体冲洗并晾干7天,进行绝缘电阻测试,要求绝缘电阻大于100MΩ,耐电压承受规定电压1分钟无电介质断裂或击穿现象。

对试样进行目测,要求①金属零件表面应无起泡、起皱、不得暴露出基体金属;②非金属零件表面无明显泛白、膨胀、起泡、皱裂、麻坑等。

密封性能测试

防水密封试验的目的是测试高压连接器的密封性能。采用冷热冲击试验机,对接插完整的公母高压连接器进行水密试验和高压喷水试验。

防触电保护测试

防触电保护测试是用来检测连接器的防触摸性能。将试具连接在LED灯或其他电器回路上,形成回路。

针对未插合的连接器,使用与人手指相同大小的试具插入,并施加10±1N的力;

针对接插完成的连接器,则使用直径1+0.05mm,长度为100±2mm,没有毛刺的刚性金属线,施加1±0.1N的力,伸入连接器的所有缝隙进行探测。

针对不同状态的连接器进行测试,要求试具连接的LED灯无点亮,或试具连接的电气回路无导通,则说明该连接器通过防触电保护测试。

阻燃性能测试

高压连接器的阻燃性能一般分为垂直燃烧实验和水平燃烧试验。通过测试高压连接器的塑料和非金属材料处于50W火焰条件下,水平或垂直方向的燃烧性能,来判定高压连接器是否符合图纸的要求。

高压连接器的塑料材质需要满足垂直燃烧V-0级,水平燃烧HB级。

垂直燃烧的等级分为V-0、V-1、V-2级别。

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垂直燃烧等级的要求

水平燃烧等级HB只需满足以下任一一条即可。

(1) 移去引燃源后,试样没有可见的有焰燃烧;

(2) 在移去引燃源后,试样虽然出现连续的有焰燃烧,但火焰前端为超过100mm标线;

(3) 如果火焰前端超过100mm标线,但厚度3.0mm~13.0mm,其线性燃烧速率为超过40mm/min,或厚度低于3.0mm时未超过75mm/min;

(4) 如果试验的厚度为3.0mm±0.2mm的试样,其线性燃烧速率未超过40mm/min,那么降至1.5mm最小厚度时,就可判断试样为HB水平燃烧等级,

需要注意的是,以上试验内容来自各类公开的试验标准,在此基础上进行了大量的删减和提炼。供应商在切实工作中,仍需要以各大主机厂的认可要求为最终依据,进行零部件的性能试验认可。

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