電動汽車高壓連接器的設(shè)計(jì)規(guī)范

電動汽車發(fā)展至今，各個模塊均已取得較大的技術(shù)突破，但截至目前我們國內(nèi)尚未制定、發(fā)布高壓大電流連接器相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

本篇主要對歐標(biāo)中關(guān)于高壓連接器的相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行梳理，概述電動汽車高壓連接器的設(shè)計(jì)功能項(xiàng)。

高壓大電流連接器是電動汽車電力傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，其主要功能項(xiàng)大致分電氣性能、機(jī)械性能和環(huán)境性能三類。

0 開發(fā)框架

乘用車高壓連接器需保證至少15年(≥8000 h運(yùn)行壽命+30000 h充電壽命)或至少30萬公里，同時考慮到客車的其他特定要求。

商業(yè)車高壓連接器需保證至少15年以上且不低于100萬公里，同時考慮到客戶指定的操作條件。

高壓連接器的設(shè)計(jì)必須確保在不進(jìn)行任何維護(hù)、正常使用的情況下，保證車輛的整個生命周期。

另外，高壓連接器需滿足在預(yù)期的操作條件下(熱、冷、濕度、振動、與介質(zhì)接觸、電流負(fù)載、電壓負(fù)載等)的運(yùn)行可靠性，并在相應(yīng)的空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高壓連接器一般最大額定電壓為850V DC（額定電壓需保證海拔4000米以上），并保證滿足-40°C～140°C的工作溫度要求。

此外，高壓連接器所有零部件原材料的選擇，需滿足汽車行業(yè)報廢標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

注：隨著整車對大概率的功能需求，最大額定電壓或?qū)⒗^續(xù)提升。

1 電氣性能

1.1 額定電壓

額定電壓即高壓連接器能夠長時間正常工作時的電壓。額定電壓是高壓連接器最核心的功能項(xiàng)之一，它與額定載流決定了高壓連接器的動力傳輸能力，同時也決定了產(chǎn)品的絕緣防護(hù)級別。

注：額定電壓是絕緣材料電極化的主要因素之一。

1.2?沖擊電壓

通常根據(jù)產(chǎn)品工況的最大額定電壓，以及過電壓類別作為其瞬態(tài)沖擊電壓值的依據(jù)。

1.3?絕緣防護(hù)

絕緣防護(hù)的作用是防止不等電位的帶電元器件的短路造成對物、人的傷害。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一般綜合產(chǎn)品使用工況以及產(chǎn)品絕緣材料的選型后，最終歸結(jié)為爬電距離和電氣間隙的取值來量化，所以爬電距離和電氣間隙是產(chǎn)品絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)的兩個重要因素。

注：行業(yè)中通常會有人對平臺型、系列型產(chǎn)品，用過往經(jīng)驗(yàn)“拍腦袋”的方式將“爬電距離”、“電氣間隙”設(shè)為定值，其實(shí)是陷入了誤區(qū)。

1.4 爬電距離

爬電距離是兩個不等電位的導(dǎo)電元件之間沿絕緣表面的最短路徑。長期工作導(dǎo)體周圍的絕緣材料會被電極化，從而導(dǎo)致絕緣材料呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，所以爬電距離的設(shè)計(jì)尤為重要。

爬電距離的主要影響因素是額定電壓、污染等級、材料類別。

注：如果對爬電距離的定義不夠明確，可這樣理解：一只螞蟻沿著兩個不等電位元件之間絕緣材料的表面，所走的最短路徑。

1.5 電氣間隙

電氣間隙是指兩個不等電位導(dǎo)電元件間的最短空間路徑。電氣間隙和絕緣材料的電極化現(xiàn)象無關(guān)，主要為規(guī)避沖擊電壓所引起的電擊穿現(xiàn)象。

電氣間隙的主要影響因素是沖擊電壓、電場類型、污染等級、材料類別、海拔氣壓等。

注：如果對電氣間隙的定義不夠明確，可這樣理解：一只帶有翅膀的飛蟲在兩個不等電位元件之間所飛行的最短路徑。

1.6?額定載流

額定載流即高壓連接器長期正常工作時所傳輸?shù)碾娏髦怠?strong>額定載流是高壓連接器最核心的功能項(xiàng)之一，它與額定電壓決定了高壓連接器的動力傳輸能力，同時也決定了產(chǎn)品熱失效的風(fēng)險級別。

注：通常情況下，電力元件自身均有電阻，額定載流工況下會把一部分電能轉(zhuǎn)換為熱能，其熱能轉(zhuǎn)換功率與額定載流呈現(xiàn)2次方關(guān)系。

1.7 接觸電阻

高壓連接器的接觸電阻通常由其內(nèi)部導(dǎo)電端子的壓接電阻、端子體電阻、針孔接觸區(qū)域的收縮電阻等幾部分組成。

注：額定載流工況下電能向熱能的轉(zhuǎn)換功率與接觸電阻呈正比例關(guān)系。

1.8 電磁屏蔽

為避免高壓連接器內(nèi)部的高壓大電流產(chǎn)生的電磁場干擾信號傳輸?shù)姆€(wěn)定、準(zhǔn)確性，通常需要對高壓連接器執(zhí)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

注：高壓連接器的電磁屏蔽功能要旨在于：不去傷害他人（信號傳輸系統(tǒng)）。

1.9 高壓互鎖

高壓互鎖簡稱HVIL，即Hazardous Voltage Interlock Loop的簡稱。

高壓互鎖是指，用低壓信號監(jiān)視高壓回路完整性、連續(xù)性的一種安全設(shè)計(jì)方法。

此外，高壓互鎖功能集成在高連接器中，需確保當(dāng)高壓接插件連接或斷開時，HVIL電路先斷后連，中間保持必要的時間差。

注：高壓互鎖與電連接接插件先后順序的時間差可根據(jù)具體情形確定，大體在150ms這個量級，目的在于規(guī)避系統(tǒng)反饋延遲，帶電拔脫時的瞬間高壓對產(chǎn)品或操作者造成傷害。

2?機(jī)械性能

2.1 接口及框架尺寸

供需雙方需明確接口尺寸，且高壓連接器的設(shè)計(jì)必須使各相不能以任何方式彼此混淆（比如增加機(jī)械防錯、顏色標(biāo)識、鍵位標(biāo)識等特征的設(shè)計(jì)）。此外需明確電纜的出線方式等其他產(chǎn)品信息。

2.2 機(jī)械壽命

在車載大三電、小三電模塊的電力傳輸系統(tǒng)中，高壓連接器的機(jī)械壽命要求不高，通常為50～100次，

注：在充電接口的應(yīng)用上，歐美標(biāo)以及國標(biāo)均要求產(chǎn)品具備10000次機(jī)械壽命，這對高壓連接器、尤其對導(dǎo)電端子的綜合性能具備比較高的挑戰(zhàn)性。

2.3 插拔力

高壓連接器的產(chǎn)品插拔力通常要求不得超過100N，如超出100N則有必要增加適當(dāng)?shù)妮o助裝置，如滑梯或杠桿機(jī)構(gòu)等。

其中導(dǎo)電端子的插拔力是產(chǎn)品插拔力的主要組成部分，低插拔力的導(dǎo)電端子有助于實(shí)現(xiàn)連接器產(chǎn)品更便捷、可行的插拔操作。

注：眾所周知接觸電阻隨正向力加大而降低，在具備較低接觸電阻的同時具備較低的正向力、插拔力。是對導(dǎo)電端子比較大的挑戰(zhàn)。

2.4 保持力

高壓連接的對配保持力，以及塑膠件對導(dǎo)電端子的保持力都是重要的考量因素。行業(yè)上較多的高壓連接器卡扣保持力缺乏量化、卡扣存在扭矩等缺陷，具備較大的優(yōu)化空間。

2.5 二級鎖扣

高壓連接器需具備二級鎖緊機(jī)構(gòu)，二級鎖緊機(jī)構(gòu)需要一定的啟動力（通常要求不大于40N），主要目的是讓高壓連接器不會因運(yùn)輸、搬運(yùn)等外力因素而意外開啟。

2.6 防錯及標(biāo)識

如上文“接口及框架尺寸”中所述，高壓連接器需具備機(jī)械防錯功能，即滿足插頭、插座錯插一定力值（防錯力＞3倍的插入力，通常至少80N），而端子不會受到任何形式的損壞。

除此之外，通常還需具備顏色標(biāo)識、鍵位標(biāo)識等的防錯設(shè)計(jì)。

注：通常高壓連接器采用橙色進(jìn)行標(biāo)識，比如色卡號類似RAL2003。

2.7 振動、沖擊性能

高壓連接器的設(shè)計(jì)必須滿足一定的機(jī)械負(fù)載。一般情況下，需滿足振動等級3。

2.8 壓接強(qiáng)度

高壓連接器端子與線纜需滿足一定壓接強(qiáng)度，以長期保持在溫度循環(huán)工況下穩(wěn)定的壓接電阻，同時規(guī)避微端線纜的振動、擺動等慣性力造成壓接脫離。

3?環(huán)境性能

3.1 觸摸防護(hù)

在高壓連接器未對配狀態(tài)及對配狀態(tài)，需滿足IPXXB、IPXXD的防護(hù)要求，以避免操作者誤觸帶電體而受到損傷（有興趣的可詳查相關(guān)資料）。

3.2 密封防護(hù)

高壓連接器在對配狀態(tài)，通常需滿足IP6K9K、IPX7等級的密封要求（充電接口在單體或?qū)ε錉顟B(tài)，通常要求滿足IP54/IP55密封等級的要求）。

3.3 耐鹽霧

高壓連接器在對配狀態(tài)，通常需滿足IEC_60068-2-52或GB/T 2423.18中交變鹽霧試驗(yàn)、嚴(yán)酷等3的腐蝕要求。

綜上：

1.高壓連接器的電力傳輸功率取決于高壓連接器所能承載的額定電壓、導(dǎo)電端子的額定載流。

2.電路中高壓風(fēng)險的規(guī)避能力取決于高壓連接器的絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.熱失效風(fēng)險的規(guī)避能力取決于導(dǎo)電端子長期、穩(wěn)定地保持低電阻的能力。

4.高壓連接器的其他功能項(xiàng)的可靠性也至關(guān)重要，并具備一定的優(yōu)化空間。

所以，高性能、高可靠性的高壓大電流連接器，與其結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高性能的導(dǎo)電端子密不可分。

審核編輯：劉清