汽車高壓線束中高壓端子的壓接性能分析

摘要：高壓線束是新能源汽車動(dòng)力和信號(hào)傳輸分配系統(tǒng)的重要載體，高壓線束端子的壓接性能是新能源汽車最重要的性能指標(biāo)。論文針對(duì)新能源汽車高壓線束端子壓接性能建立數(shù)據(jù)分析模型，通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，找出高壓線束端子壓縮比的最佳適配范圍，以提高高壓線束冷壓接的工藝能力和質(zhì)量水平。

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速推進(jìn)，給新能源線束發(fā)展帶來(lái)重大機(jī)遇。高壓線束與低壓線束端子的區(qū)別是，高壓端子通過(guò)電流較大，容易產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致端子機(jī)械強(qiáng)度和線束絕緣性能下降，同時(shí)引起導(dǎo)體氧化進(jìn)一步加劇發(fā)熱等問(wèn)題。高壓端子壓接既需要考慮壓接的可靠性，又需要考慮壓接處具有較低的溫升。本文主要研究冷壓接對(duì)端子溫升的影響。

1、壓接的類型

高壓端子常見(jiàn)的連接方式有：壓接、電阻焊、高頻焊。壓接使用壓接設(shè)備和模具將導(dǎo)線和端子經(jīng)過(guò)壓接過(guò)程連接在一起。高頻焊接就是利用高頻焊接機(jī)將導(dǎo)線和端子焊接在一起。電阻焊是利用專用電阻焊接設(shè)備將導(dǎo)線和端子連接在一起。

本文主要分析的是壓接的性能。普通壓接的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，制造成本低，操作效率高，適合大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：對(duì)于連接器要求導(dǎo)線和端子連接后電流通過(guò)率高、電阻要求小的線束和端子，無(wú)法滿足。

大平方高壓端子常見(jiàn)的壓接方式如圖1 所示，為六邊形封閉式端子。

普通壓接的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，但如何使普通壓接揚(yáng)長(zhǎng)避短，盡量減少壓接電阻顯得尤為重要。減少電阻就意味著減少發(fā)熱，能夠降低產(chǎn)品溫升，使產(chǎn)品壽命與質(zhì)量更加優(yōu)異。

2、端子發(fā)熱的危害

端子發(fā)熱后容易使其自身以及導(dǎo)線導(dǎo)體接觸面氧化，生成氧化層薄膜，使接觸電阻增大，增大的速度隨溫度的升高而成倍增長(zhǎng)，進(jìn)一步增加端子溫升速度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起火災(zāi)。同時(shí)會(huì)使接觸結(jié)構(gòu)的彈力元件退火，接觸壓力降低，進(jìn)一步加劇接觸電阻增加。另外發(fā)熱會(huì)使連接端子的導(dǎo)線絕緣層老化發(fā)脆，引起絕緣性能下降，存在漏電過(guò)熱引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

3、端子的發(fā)熱源

如圖 2 所示，高壓線束有三大發(fā)熱源。

3.1 導(dǎo)線導(dǎo)體

導(dǎo)體本身帶有電阻，截面積越小，電阻越高，電阻會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。

3.2 端子壓接處

壓縮比不夠，會(huì)使導(dǎo)體松散，導(dǎo)致電阻較大，容易發(fā)熱。壓接過(guò)度容易引起截面積變小，載流量不夠引起發(fā)熱。

3.3 公母端子對(duì)插接觸處

端子接觸不良，或端子接觸面氧化導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

4、降低端子溫升的辦法

4.1 減少接觸電阻

（1）采用電阻率較小的材料。常用的高壓端子有H62、H65 銅或者高導(dǎo)銅，大于125 A 的產(chǎn)品建議采用電阻率較小的高導(dǎo)銅。

（2）減少導(dǎo)體的接觸電阻。盡量將端子與導(dǎo)體壓實(shí)，減少壓接電阻。

（3）增加導(dǎo)體的橫截面積，增大截面積，降低導(dǎo)線溫升。

4.2 增大導(dǎo)體的散熱面積

（1）采用強(qiáng)迫冷卻，可使用風(fēng)冷，水冷等措施。

（2）合理布置導(dǎo)體，電流較大的線束，盡量布置在易于散熱的空間中，利于自然散熱。

5、壓接對(duì)溫升的影響

壓接，參考QC/T 29106—2014 《汽車電線束技術(shù)條件》中4.2.6 電壓降實(shí)驗(yàn)要求與GB/T 20234.1—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第 1 部分通用要求》測(cè)量溫升實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行驗(yàn)證，過(guò)程如圖3、圖4 所示，獲得數(shù)據(jù)如表1 所示。

5.1 壓縮比/壓縮率的計(jì)算方式

（1）參照VW60330—2013標(biāo)準(zhǔn)

式中，Acrimp 為壓接中包含的導(dǎo)體截面積；Aconductor為標(biāo)稱導(dǎo)體截面積。

（2）參照SAE/USCAR21—2014標(biāo)準(zhǔn)

式中，T為壓接刀片封閉時(shí)保留的面積；At 為標(biāo)稱端子的截面積；Ac 為標(biāo)稱導(dǎo)線的截面積。

（3）導(dǎo)體壓縮比和端子壓縮率的區(qū)別

根據(jù) VW 60330—2013標(biāo)準(zhǔn)，壓縮比的計(jì)算僅包含導(dǎo)體未包含端子壓縮情況，可以較為直觀地反映出導(dǎo)體是否存在間隙，當(dāng)壓縮比≤00%時(shí)不應(yīng)存在間隙。我們可稱其為導(dǎo)線壓縮比。

根據(jù) SAE/USCAR21—2014標(biāo)準(zhǔn)，壓縮率的計(jì)算包含導(dǎo)體與端子壓縮情況在內(nèi)，雖不能直觀反映出導(dǎo)體是否存在間隙，但可以較為直觀地反映出壓接處的真實(shí)的截面積。為了便于數(shù)據(jù)比較，本文定義端子壓縮比=100T/（At+Ac）。

兩種計(jì)算方式各有優(yōu)點(diǎn)。

5.2 分析結(jié)果

（1）根據(jù)表1 所示，當(dāng)3#產(chǎn)品導(dǎo)體壓縮比達(dá)到104%時(shí)，拉力已達(dá)到QC/T 29106—2014中規(guī)定的50 mm2，導(dǎo)線拉力≥ 700 N 的標(biāo)準(zhǔn)，但此時(shí)壓接處還未完全壓實(shí)，存在較大的安全隱患，因此高壓端子不能將拉力作為評(píng)判質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）表中電阻數(shù)值未能完全與溫升趨勢(shì)關(guān)系對(duì)應(yīng)，應(yīng)該是由端子個(gè)體接觸電阻差異以及端子鍍層氧化造成不一致所引起的波動(dòng)。但從大趨勢(shì)來(lái)看基本符合電阻越低溫度越低的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）7#端子壓縮比為73%，導(dǎo)體以及端子表面都會(huì)有氧化層，氧化層會(huì)隨著壓縮比數(shù)值的降低會(huì)逐漸遭到破壞，當(dāng)端子壓縮比為73%時(shí)導(dǎo)體氧化層開(kāi)始出現(xiàn)塌方式破壞，使銅絲融合更為緊密，溫升也有小幅降低，說(shuō)明此時(shí)的端子壓縮比較為合適。

（4）從溫升數(shù)值波動(dòng)來(lái)看，壓接對(duì)溫升的影響可以達(dá)到10 ℃之間。這對(duì)于高壓端子來(lái)講壓接的影響比較大。

（5）10#產(chǎn)品端子壓縮比在60%的情況下，端子壓接處導(dǎo)體理論截面積僅有30 mm2，根據(jù)SAE/USCAR21—2014[3]端子壓縮比計(jì)算，壓接處的截面積除了導(dǎo)體以外，端子的截面積也應(yīng)包含在內(nèi)。實(shí)際該處壓接后導(dǎo)體和端子的截面積和為66.97 mm2，大于50 mm2標(biāo)稱導(dǎo)體截面積，所以該壓縮比不會(huì)導(dǎo)致壓縮處成為瓶頸，比較符合實(shí)際情況，同時(shí)也說(shuō)明高壓端子更適合采用端子壓縮比的計(jì)算方式。

（6）過(guò)低的壓縮比會(huì)造成壓接處溫升過(guò)高，根據(jù)實(shí)測(cè)當(dāng)端子壓縮比達(dá)到40%以下，端子壓接電阻會(huì)逐漸增大。端子溫升開(kāi)始小幅回升。

（7）六邊形壓接端子適用的端子壓縮比分析。首先無(wú)論何種情況壓接處的截面積不可小于標(biāo)稱導(dǎo)體截面積；其次由于每種高壓端子的材料厚度選擇上會(huì)有差異，根據(jù)端子壓縮比=100T/(At+Ac)，有些端子的At 截面積較低，壓縮后過(guò)低的端子壓縮比會(huì)導(dǎo)致壓接處截面積小于標(biāo)稱導(dǎo)體截面積。因此壓接后截面積需要盡可能要大一些。另外從拉力數(shù)據(jù)中分析過(guò)低的壓縮比會(huì)導(dǎo)致端子的機(jī)械拉力數(shù)值下降，影響端子壓接的可靠性。

6、結(jié) 論

綜合以上分析，考慮端子壓接強(qiáng)度的可靠性以及端子電阻性能。實(shí)際的端子壓縮比控制在65%～75%，導(dǎo)體壓縮比65%～80%較為合適。另外從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，部分電阻以及溫升數(shù)據(jù)的波動(dòng)與端子鍍層和氧化情況以及端子接觸結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此單從壓接質(zhì)量考慮降低溫升還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。需要特別關(guān)注端子的日常避光保存、端子的鍍層質(zhì)量以及端子拔插壽命，插合力度、接觸面積等因素。對(duì)于溫升較大的產(chǎn)品還是推薦使用高頻焊，高頻焊使銅在超高頻率下通過(guò)摩擦發(fā)熱，將銅融化粘連，此方式具有更低的電阻，因此在控制溫升方面具有更好的效果。