電動汽車高壓連接器高壓互鎖瞬斷的和振動問題

前幾天在新能源線束~Linker的微信群里，看大家對連接器的振動非常感興趣，想再寫點和振動相關(guān)的內(nèi)容，之前粗略寫過一篇和連接器振動相關(guān)的文章，主要是簡單的說了一些和測試相關(guān)的內(nèi)容，感興趣的朋友也可以去看看新能源汽車高壓連接器的振動闡述，今天再寫個姊妹篇

其實在車輛振動下，連接器需要考量的因素非常多，如下我簡單的列出了幾個，這個之前也列過；連接器雖然在整車的部件來看，算不了什么大部件，也算不了什么核心部件，但是?一臺車可能要400多個連接器，有超過3000個的單獨終端，而且根據(jù)過往經(jīng)驗來看，因為連接器退化及故障導(dǎo)致了30%~60%的電氣問題，因此召回的案例也比比皆是，所以對于連接器，尤其在混動和純電車輛下的高壓連接器的可靠性就及其重要，?相比靜態(tài)而言，車輛是移動的，所以就要著重考察在車輛全壽命及振動下的接觸的可靠性等性能，基于此，?這篇文章我想主要寫寫連接器在車輛振動下的幾個比較重要也是大家（無論是生產(chǎn)廠家還是使用廠家）應(yīng)該重點關(guān)注的，高壓互鎖瞬斷的問題、接觸區(qū)域ECR變化以及微動磨損的影響程度、連接器怎么降低以及吸收來車輛的振動；

高壓互鎖瞬斷的問題

按照高壓電對人的危害來看，一般超過60V DC/ 30 V AC就會對人造成傷害，就必須進(jìn)行電氣安全保護(hù)，而無論是在混動還是純電汽車，較高的電壓系統(tǒng)帶來了潛在的高壓電擊危險，一般電壓上升會造成人體抵抗電流的內(nèi)阻（阻抗）下降，會導(dǎo)致電流流入人體，嚴(yán)重的電流會造成傷害以及死亡，所以按照SAE J2344、ISO 6469和IEC 60664等國際標(biāo)準(zhǔn)對觸摸安全連接的設(shè)計要求，引入高壓互鎖（HVIL）電路來保證高壓連接斷開的安全

整個回路中，如果有一點斷開，BMS自動會發(fā)送報警，所以HVIL連接設(shè)計的好壞非常重要，在實際的應(yīng)用中，這方面的出問題的比例非常高，怎么保證在嚴(yán)格的車輛振動情況下，HVIL接觸依然是良好的，這個需要在設(shè)計時注意；高壓連接器HVIL一般是由一個小的連接端子連接，一端采用短路設(shè)計，一端采用正負(fù)回路設(shè)計，連接器插合到位HVIL短路連接，未插合到位HVIL 開路狀態(tài)，BMS通過檢測HVIL回路的連接器情況來判定高壓回路是否安全，是否需要整車下電，按照實際的經(jīng)驗來看，這個地方的接觸不良現(xiàn)象較多，主要問題出在高壓互鎖端子的連接的可靠性，尤其需要滿足車輛振動的嚴(yán)格要求；

高壓互鎖其實就是一個信號端子，所以一般廠家設(shè)計其載流能力在5A以內(nèi)，其功率很低，大多數(shù)廠家也都是沿用了傳統(tǒng)汽車低壓插件端子現(xiàn)成的設(shè)計，嚴(yán)格來說，這個無可厚非，畢竟電動汽車振動的標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)車輛對插件的標(biāo)準(zhǔn)也沒有太大的差異，但是在傳統(tǒng)車輛上，沒有什么高壓，沒有單獨的高壓互鎖概念，插件上也不用大小端子組合，插件的設(shè)計也充分考慮了端子的接觸可靠性設(shè)計；但是在高壓連接器里，它的設(shè)計重要性還是沒有被單獨對待進(jìn)行設(shè)計，高壓連接器一般功率更大，其工作時周邊的腔室溫度也較高，周邊區(qū)域的環(huán)境溫度也較高，這個與傳統(tǒng)插件相比，這個互鎖端子一樣的設(shè)計，但是其工作環(huán)境還是有差異的，這種長期的工作環(huán)境會對基體材料的屈服老化變形產(chǎn)生重要的影響，使用壽命也會有所下降，尤其還要考慮高壓下的尖峰問題（瞬間電源、瞬間電流）材料在長期的溫度影響下，會發(fā)生老化變形，這種變形就會影響正壓力下降，在初期會經(jīng)常導(dǎo)致接觸時好時壞等現(xiàn)象，這個矩形還是圓形端子關(guān)聯(lián)不大，最終都是保證足夠的正壓力和接觸力的；?

高壓連接器一般來說最低也要滿足100次以上的插拔，對于power pin來說這個很容易，但是對于尺寸較小，厚度較薄的互鎖端子來說，就需要特別注意這100次在加速老化后的接觸表現(xiàn)，這個地方完全可以通過測試來體現(xiàn)出來，而且你除了考慮互鎖端子本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，你還必須考慮其腔體的尺寸在相關(guān)環(huán)境性能加速測試后的變化情況和溫度性；

上面啰嗦了好多廢話，總結(jié)一下，在85°環(huán)溫下做測試，看互鎖端子的材料變化情況，重點看其變形情況，最好在振動、溫度、濕度同步的情況下測試，同時通過設(shè)計模擬和實驗來測試和驗證其屈服的臨界點在哪里（不要迷信材料理論數(shù)據(jù)）；另外需要關(guān)注其裝配尺寸鏈在加速老化后是否還能保證如初，變化情況是否在可控范圍內(nèi)；

接觸區(qū)域ECR變化以及微動磨損的影響程度

高壓連接器的公母兩端能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)通，是通過公端子和母端子接觸，從端子的結(jié)構(gòu)形狀來說，常見的要矩形和圓形的，因篇幅關(guān)系，這個地方我們只以圓形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來闡述，同時我們的分析是基于公母端連接有彈性件的；我把我之前為企業(yè)培訓(xùn)寫的資料摘抄了一部分，我覺得還是有必要做個簡單是梳理，雖然之前的文章多少也寫過；

端子的接觸簧片

其性能直接影響了載流的傳導(dǎo)的可靠性，振動下我們也是重點關(guān)注其接觸電阻及微動磨損的情況，端子簧片主要包含了三個重要的功能，傳輸電力或者信號、提供端子正向力來建立和維持可分離的端子接觸面、提供永久性端子接觸界面的連接點。中間的彈性接觸簧片的內(nèi)阻決定了連接器的壽命(性能不失效的情況下插撥次數(shù)) 和失效的發(fā)生，一般來說有幾個比較重要的設(shè)計指標(biāo)需要在設(shè)計時需要考慮，材料、成型結(jié)構(gòu)（幾何形狀）、電鍍因素、插拔次數(shù)和圓周正向力等；

彈性接觸的材料以銅或者銅合金居多，包括黃銅、磷銅、鈹銅、純銅、其它合金等，鈹青銅因為其良好的導(dǎo)電率和屈服性能被廣泛的運用到端子接觸件設(shè)計種。

成型結(jié)構(gòu)一般包含劈槽式結(jié)構(gòu)、冠簧結(jié)構(gòu)、線簧結(jié)構(gòu)、雙曲線籠簧結(jié)構(gòu)等，目前雙曲線籠簧結(jié)構(gòu)其多次插拔后的穩(wěn)定性比較高，通常在需要多次插拔的高壓高流場景得到普遍應(yīng)用，比如電動汽車充電口等，劈槽式結(jié)構(gòu)因為其無法在插拔多次后保證良好的接觸電阻，我們不做過多闡述，我們可以簡單來比較一下冠簧、線簧、雙曲線籠簧 三者之間的優(yōu)缺點；

冠簧是一種非常普遍的彈性接觸元件，我國在70年代初就已經(jīng)在批量用于航天、工業(yè)自動控制、軌道交通等領(lǐng)域，按其形狀還可以分為內(nèi)冠簧和外冠簧，其經(jīng)過很多的發(fā)展，其成本較為便宜，簧片一般采用銅材帶料沖制而成，其結(jié)構(gòu)形狀有點像腰鼓，兩頭大中間小，中間腰的部分就是公端PIN針插入后接觸的部分；

一般把冠簧裝進(jìn)母針的內(nèi)孔中需要采用專門的收口工具（目前都是自動化作業(yè)以保證精度）裝配后彈性材料回彈與內(nèi)套配合，電流從公端的PIN針流入簧片中間腰鼓的接觸區(qū)域（A）在中間區(qū)域流入簧片和內(nèi)套接觸區(qū)域（BC)實現(xiàn)傳導(dǎo)，根據(jù)以往的經(jīng)驗來看，冠簧這種腰鼓式結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性不是很高，尤其是在車輛中，在傳遞高壓高流又要兼具插拔時，車輛的不規(guī)則振動會造成簧片中間區(qū)域和PIN針接觸不良，會造成微小的飛弧現(xiàn)象，時間長了會加速表面鍍層磨損，會造成氧化，接觸電阻會變大；另外在如圖BC的區(qū)域其其接觸力較弱，我們通過仿真軟件分析發(fā)現(xiàn)電流流經(jīng)此處時溫升較高，冠簧是通過一種彈性材料變化收口裝配至內(nèi)槽中的，其有止位臺階（如果BC處），相當(dāng)于是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，長時間在車輛的振動環(huán)境下工作，容易造成材料屈服效應(yīng)，造成失效；

線簧孔結(jié)構(gòu)是大電流接線端子、接插件產(chǎn)品中高穩(wěn)定，高可靠的接觸元件，相比冠簧，其成本較高，一般只用于少部分場合，由數(shù)根金屬絲繞內(nèi)套，彎曲后，由兩外套，從前后兩端壓入并緊固位一體。由于金屬絲與內(nèi)套軸線斜交有一個角度，形成單頁雙曲面結(jié)構(gòu)，并形成一喉圓，其直徑小于兩端形成之孔徑。當(dāng)插針插入后，插針被各個金屬絲所包容，由于各個金屬絲都與插針接觸，并受到拉力，所以電連接接觸可靠，受力均勻 ；與冠簧的片式不同，線簧采用的是單根絲的傳導(dǎo)，而銅絲的數(shù)量排布越多，傳遞的性能越好，成本和制程難度也越大，其和冠簧在與內(nèi)套接觸不穩(wěn)定不同，其單根絲和PIN針之間的保持力是極具挑戰(zhàn)的；

對于以上2種接觸元件都存在一些問題點，所以對于電動汽車大功率，高壓高電流的要求下，出現(xiàn)了雙曲線籠式的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上來說，其是一種形狀結(jié)構(gòu)，接觸類型可以是片式也可以是絲狀，一般片式的居多，其接觸面積及穩(wěn)定性也較高，比較出名的是A廠家的Radsok專利技術(shù)

雙曲面簧的設(shè)計是存在一定的難度的，雙曲線是圓錐曲線的一種，即圓錐面和平面的交截線，雙曲線有雙曲線的函數(shù)，如下圖一個焦點在X軸上，一個焦點在Y軸上，中心在原點，有2個標(biāo)準(zhǔn)的推導(dǎo)方程式；

為什么要了解這個方程式呢？因為如果你想設(shè)計一個雙曲線的結(jié)構(gòu)籠簧，你就需要通過此公式和你的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行建模，通過模型帶入數(shù)值，形成雙曲線結(jié)構(gòu)，最終在3D上形成3D的雙曲線設(shè)計，再用3D的鈑金功能進(jìn)行展開，預(yù)留系數(shù)；在此不展開詳細(xì)推導(dǎo)，感興趣的朋友可以自行推導(dǎo)和設(shè)計。

當(dāng)然，無論是矩形的片式端子還是圓形結(jié)構(gòu)，端子的類型比較多，上面簡單的說了幾種圓形的，除此之外，類似劈槽結(jié)構(gòu)的端子應(yīng)用也比較多，比如如下是住友早期的AC充電口的端子，主要在容錯角度的保證、加工工藝改善保證加工精度、以及產(chǎn)品在UL2251的10000次插拔后的穩(wěn)定性?等方面做了改善和分析；

再比如ODU的 TURNTAC系列也是一種類似結(jié)構(gòu)，該系列的也被廣泛運用在大功率場合，比如北美特斯拉北美的AC充電contact,再比如Huber Suhner的大功率液冷充電口等

總結(jié)：結(jié)構(gòu)類型是要基于你的設(shè)計要求來的，目前國內(nèi)各家也都陸續(xù)有自己的專利，也在逐步打破早些年外資幾乎壟斷的局面；但是還是需要從產(chǎn)品的穩(wěn)定性上去提高；

在確定端子的幾何形狀后，我們一般需要計算和測試樣件的正向力，通過對材料的選擇改善正向力，通過改善正向力來優(yōu)化接觸電阻的性能，首先我得知道什么是正向力，正向力的作用是什么，正向力（Normal Force）主要來自于兩連接器插接時插座的端子梁因與插頭配合產(chǎn)生的位移，由該位移產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力就是端子正向力，又叫法向力，材料性能是決定端子正向力的基礎(chǔ)，假如把端子近似視為一懸臂梁（梁的一端為固定支座，另一端為自由端）根據(jù)懸臂梁理論，可得到端子的正向力計算公式?，其中D=梁位移量,E=材料彈性系數(shù),W=端子寬度,T=端子厚度,L=端子長度，如果只是為了連接，其正向力可以很小的，但是如果為了保證接觸的機(jī)械穩(wěn)定性，那就需要平衡好正向力的大小了，正向力過大，直觀的感受就是插拔力過大，而且在插拔過程種，在早期就會快速破壞你電阻的表層，不利于連接器的長期壽命，如果正向力過小，那接觸電阻會非常的大，發(fā)熱會比較嚴(yán)重，因為腐蝕物會進(jìn)入接觸面之間，通常來說正向力我們希望在滿足性能的前提下越小越好，這個地方根據(jù)以往測試經(jīng)驗，我們需要注意的是正向力和接觸電阻不是反比例關(guān)系，很多人認(rèn)為是不是正向力越大，接觸電阻越小呢？通過以往的測試實驗結(jié)論，我們發(fā)現(xiàn)，在剛開始的時候接觸電阻是下降很快的，但是后面插拔次數(shù)一定后，接觸電阻就會趨于穩(wěn)定，原因在于在該階段接觸件表面膜層不斷破壞，表面膜層的破壞會導(dǎo)致接觸電阻中的膜層電阻R會不斷下降，所以接觸電阻較低，但是在插拔一定次數(shù)以后，比如500次以后，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件表面鍍層乃至基體不斷磨損導(dǎo)致觸表面粗糙，觸點接觸面積下降，同時經(jīng)多次插拔后，簧片元件接觸圈的彈性下降，插拔過程中接觸正壓力下降，導(dǎo)致接觸電阻增大，我們需要注意的是在測試的時候需要考慮溫度變化對材料的正向力的影響，這是非常重要的一點。一般來說，正向力都是需要借助仿真軟件和不斷的實驗測試來優(yōu)化得出的，對于設(shè)計人員需要對接觸電阻的構(gòu)成、正向力的計算有一定的了解；

上面說了端子的結(jié)構(gòu)形狀等內(nèi)容，除此之外，鍍層也是影響ECR變化的重要因素，目前電動汽車高于連接器的鍍層基本是鍍銀層居多，但是這個鍍層它不是一層，一般來說?裸銅、鍍銅、鍍鎳、鍍銀；之前要朋友問為什么不能鍍錫，其實早期的連接器也要鍍錫的，由于鍍錫連接器由于其柔軟性，成本低，ECR（Electrical contact resistance）相對較低，在傳統(tǒng)汽車插件上應(yīng)用比較廣泛，但是錫是不能耐高溫的，而且微觀層面，鍍錫層在振動下會產(chǎn)生微動磨損，在微動腐蝕過程中，微動磨損反復(fù)將新鮮金屬暴露在大氣中，導(dǎo)致接觸界面上的 氧化和碎片堆積。這不斷減少導(dǎo)電面積和電導(dǎo)率。因此，當(dāng)振動被應(yīng)用于鍍錫連接器時，ECR將繼續(xù)名義上和逐漸地隨著時間的增加而增 加。但是與銀涂層的連接器可以使微動腐蝕不那么顯著；

在大功率連接器里，微動磨損的影響是沒有那么大的，當(dāng)然如果鍍銀層被反復(fù)的插拔或者其它因素導(dǎo)致磨損直至露出基體，那磨損影響程度會比較大，最直觀的就是其溫度會很快上升，ECR的數(shù)值也會很大；?在小電流連接器里結(jié)果是完全不一樣的；

連接器怎么降低以及吸收來車輛的振動

高壓連接器在振動下，受影響的層面很多，上面我們聊了高壓互鎖在振動下的問題，以及端子的接觸電阻和磨損腐蝕，下面我們聊聊連接器尾部出現(xiàn)線區(qū)域的影響；

電纜截面積越大，通過電纜長期施加給連接器的應(yīng)力就會越大，這個應(yīng)力會對尾部的防護(hù)可靠性以及尾部的壓接區(qū)域的接觸電阻造成比較直觀的影響，一般來說為了降低和消除這個應(yīng)力的影響，會通過2個層面來改善，我在這個地方增加了一個思考層面，就是3個層面：

連接器尾部出線固定

連接器固線器設(shè)計與運用

帶吸收振動的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

連接器尾部出線固定

這個出線固定方式很多，一般在商用車上會比較直觀，可以通過夾板等方式，基本上是在尾部出線110~150之間進(jìn)行固定，這個固定位置是比較有意思的，標(biāo)準(zhǔn)上我并未看見要明確的在布線上的要求距離，只在振動的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上有所要求，但是根據(jù)經(jīng)驗，根據(jù)不同的線徑規(guī)格，以及不同的安裝部位，其傳導(dǎo)應(yīng)力會要所差異，其固定的位置也會有略微差異；如果要研究產(chǎn)品更微觀的東西，感興趣的廠家可以在這個地方不斷的去仿真分析和試驗來獲取一些經(jīng)驗值

連接器固線器設(shè)計與運用

這是從連接器層面去考量怎么最大程度提高連接器抗振性，有些做法是增加連接器尾部尾夾延伸距離，還有的企業(yè)是在尾部增加單獨的固線器，有對卡式的，也有螺釘固定式的，其實這種方式在工業(yè)以及軌交行業(yè)里設(shè)計很常見，也是變相的增加了一個固定點，不斷的降低振動的傳遞力，比如如下是Aptiv的一個專利固線器設(shè)計結(jié)構(gòu)；

帶吸收振動的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

前幾天在群里，比亞迪的同事說，在未來連接器應(yīng)該承擔(dān)更多的振動帶來的力，這個思路我也比較認(rèn)同，我覺得連接器在尾部的結(jié)構(gòu)，后面可以在考慮最大程度的設(shè)計一種同時可以防護(hù)，同時又可以吸收振動的彈性結(jié)構(gòu)，根據(jù)我在各個現(xiàn)場看到的問題，這個地方是一個非常值得深入去改善的地方，也非常希望看見國內(nèi)同行能有好的設(shè)計出現(xiàn)；

編輯：黃飛

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