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深度解析新能源汽车高压连接器技术

2022-01-11 06:16:58


其中主要根据CTI材料类别和污染等级结合电压值,我们可以依据IEC60664-1查到对应的Creepage尺寸实际我们在设计的时候,可以根据标准值结合实际经验灵活设定尺寸,不要全部依据标准;3.高压连接器的温升首先对于高压连接器的温升,我们


1.新能源汽车高压连接器分类

新能源汽车发展到今天,越来越多的新能源汽车走进我们的生活,无论是增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、纯电动汽车、或其他新能源汽车等,都需要大量的连接器,与传统燃料汽车不同的是电动汽车往往有较高的电压和电流平台,所以新能源汽车上往往有大量的高压连接器,单纯从连接器本身的角度来说,连接器有很多的分类类型:比如从形状上分有 圆形的、矩形的等,从频率来说也有高频和低频等,不同的行业也会有所不同,我们今天不展开叙述,只针对新能源汽车的高压连接器做点分享;

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2.固定式和插合式

我们在整车上往往可以看见各种各样的高压连接器,这其中根据线束连接方式不同,我们将其分为两个类别的连接:

一种是以螺栓直接连接的固定式;

一种是插合式连接

螺栓连接是我们在整车上经常看见的一种连接方,这种方式的好处在于它的连接可靠性,螺栓的机械力是可以抵御汽车级的振动的影响的,其成本也相对低廉,当然它的不便之处螺栓连接是需要一定的的操作安装空间的,对于区域越发平台化,越来越合理的车内空间,是无法留出过多的安装空间的,而且从批量化作业和售后维护的角度来说也不适合,而且螺栓越多越存在人为失误的风险,所以它也有它的一定的局限性;在早期的日美混动车型上我们经常看见类似产品,当然现在在一些乘用车的三相电机线以及一些商用车的电池动力输入输出线我们依然可以看见很多类似的连接,这类连接一般都需要借助外在的盒子实现防护等其他功能要求,所以是否使用这种方式需要从整车的动力线设计布置的角度出发结合售后等要求;

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相比之下, 插合连接器通过联接两个端子外壳来保证电气连接的安全, 从而提供与该线束的连接。因为插合连接直接可以手动插合即可,所以从某种角度来说,还是可以减少空间的利用的,尤其在一些狭小的操作空间;

插合连接也随着电缆截面积加大,电流加大的同时

从早期的公母端直接接触过渡到了中间有弹性导体接触材料的方式 ,中间采用弹性导体的接触方式更适合较大电流的连接,其更好的导电材料以及更好的弹性设计结构也有利于降低接触电阻,从而使得大电流的连接更可靠

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我们可以称中间弹性导体为contact,contact的方式行业里有很多种,比如我们比较熟悉的 簧式、冠簧、片簧、线簧、爪簧等,当然也有弹簧式、MC的表带式 ODU的线簧式等,之前的文章做过简单的梳理,在此不做详细叙述,

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实际插合形式我们可以看见,也有圆形的插合方式和片式的插合两种方式,对于圆形的我们在国内很多车型上都非常的常见,Amphenol TE 这些8mm及以上的大电流也都采用的是圆形的方式,在此不做过多叙述;对于“片式”的比较代表性的是类似kostal的PLK contact这种,从早期的日美混动车型发展来看,片式的应用还是比较多,比如早期的prius、 tssla都或多或少都采用了这种方式,包括 bmw bolt 一些部位也都采用了一些这种方式,从成本和热对流的角度来说,片式的确会比传统的圆形的簧式会好一点,但是我个人认为选择什么样的方式一方面取决于你实际的应用需求,一方面也和各家的设计风格有很大关系。

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02

二 新能源高压连接器结构及标准浅谈

1 . 高压连接器组成, 基本上由:机壳(公端、母端)、端子(公母端子)、屏蔽罩、密封(尾部、半端、线端、接触)尾部防护盖、高压互锁系统、CPA系统等结构组成



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2.高压连接器的标准

高压连接器目前都是基于行业标准;从标准来说有安规、性能等要求标准,也有测试标准,目前连接器厂家最为主流的设计基本上会参照欧洲四大主机厂:奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷联合制定的行业标准LV系列标准;而在北美主要是来自己SAEuscar的相关标准,uscar本身不起草标准,我们经常使用的uscar2、 37等相关标准主要是离自克莱斯勒、福特、通用美国三大主机厂联合的线束连接组织EWCAP,之前在连线的论坛上也提到过,这个组织94年就已经成立,08年为了适应越来越多的HEV的要求,该组织更新了SAE-USCAR 2 ,将电压等级从原有的20V提升到了我们现在看到的600V;

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对于欧洲基本上基本上也是由欧洲三驾马(VW BMW Daimler)主机厂联合制定的,作为汽车大佬的德国在其标准的制定和推动上也起到了非常重要的作用,当然VW在相关行业标准里面的利益体现也得到了展示,对于AK工作组,甚至还细化了安装界面尺寸等要求,这也基本上符合欧美主机厂的一贯风格,TE Amphenol Kostal molex delphi 等也都加入了这些标准;

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对于GB,我们也也发布了我们自己的高压线束和高压连接器的标准,但是就标准内容来看,很多地方还需要进一步的完善和提升,在此不做多叙述;

因为高压连接器一般不可能以单独产品的形式在车辆上出现,一般都是需要搭载cable,所以其线束的标准要求也很重要,行业里一般参照 SAE j1742的会比较多;


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03

三,新能源汽车高压连接器屏蔽、温升、防护、设计材料设计浅谈


1. 高压连接器的屏蔽

对于高压系统而言,屏蔽应该优先的是需要系统级考虑布置的合理性,比如系统级布线时需要注意高低压分开,走线规范,干扰源要远离信号源等等

网络

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同时还要注意功率源和输出之间的高压线束的距离,比如整车上的电机和电机控制器,如果你布置的相隔较远,那么会形成共模电流通过电缆传递干扰的风险等;如下图该布局导致U、V、W 线缆过长,根据设计经验,该方案存在辐射发射超标风险。

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其次是对于高压电缆高和高压连接器的要求,高压线束本身行业标准要求其覆盖的屏蔽率达到85%即可,其它的我们本文暂不做深入讨论;对于连接器本身要具备360°屏蔽层,并具有效和电缆屏蔽层连接,屏蔽层覆盖整个连接长度,以保证足够 的屏蔽功能,并尽量减少屏蔽界面之间的电阻,在产品生命周期内,屏蔽连接接触电阻<10mΩ,现在普遍的这个数值是要<5mΩ

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对于连接器的屏蔽层结构,目前塑料级的屏蔽设计大多数采用的是屏蔽罩(shield cover)的结构设计,金属连接器是通过其本身金属本体传递,屏蔽罩的材料一般采用0.2mm~0.5mm厚的不锈钢和洋白铜为材料,0.2\0.3居多,基本上也是冲压成型,通常线端至板端形成一个有效且360°的屏蔽载体;对于连接器而言,一般是要保证三个点之间的屏蔽的360°的可靠连接,线端、接触端、板端;(如右图三个红色圆点位置)

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对于电缆到连接器的屏蔽罩之间的连接方式:目前采用的居多的是通过金属环的压接电缆屏蔽层,而金属环再和屏蔽罩进行弹性360°的多点连接,当然有一些OD较小的电缆也有直接和金属屏蔽罩的金属结构直接弹性接触的,这个地方怎么有效且可靠的360°连接需要深入研究,个人研究发现,这个地方采用弹簧触指式的连接,其能够保证在复杂的工况下保证有效的接触点,从而保证屏蔽连接的稳定性,感兴趣的朋友可以带入试验进行研究分析;

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对于插座与设备单元的的屏蔽接触:连接器基本上采用多个弹性触片的形式与设备端外壳接触实现多点有效的接触,但是这个地方对于主机厂或者电池厂家而言,需要考虑的有2点,第一设备一定需要可靠的接地,如果没有,你的连接器在这个点的屏蔽就必须可靠的接地;第二如果你的设备表面进行了表面处理,如何保证连接器的屏蔽层还能有效的和设备端接触这个需要考虑,我们发现这个点的问题,很多厂家要么直接被忽视掉了,要么直接在设备表面留出安装部分不做表面处理,这都不是特别好的办法,破坏设备表面处理,盐雾腐蚀又需要重新考量,直接接触,接触电阻、屏蔽电阻都加大,很难有效的连续屏蔽;这个地方我们可以考虑通过安装螺栓、或者内屏蔽连接等方式来考虑这个点的问题;

2.高压连接器的爬电距离和电气间隙

在高压设备中为了尽量减少故障风险, 需要并给出足够的安全范围, 携带高电压的导体必须保持一定的最小距离分离。这些距离称为间隙和漏电, 根据实际情况应用不同在IEC60664-1的安规里有做了定义要求;

l 电气间隙是指带电导体在空间的最短距离

l 爬电距离是指带电导体沿绝缘表面的最短距离


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如果要确定电气间隙(Clearance),我们需要结合IEC60664-1下面2张表,及根据以下四个步骤:

确定工作电压峰值和有效值;

确定设备的供电电压和供电设施类别 ;

根据过电压类别来确定进入设备的瞬态过电压大小;

确定设备的污染等级(一般设备为污染等级2);

确定电气间隙跨接的绝缘类型(功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘)

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如果我们要计算爬电距离(creepage),需要考虑以下四点:

1. 确定 工作电压 的有效值或直流值;(如工作电压数值在表两个电压范围之间时,需要使用内差法计算其爬电距离。)

2. 确定材料组别(根据相比 漏电起痕指数 ,其划分为:Ⅰ组材料,Ⅱ组材料,Ⅲa组材料, Ⅲb组材料。注:如不知道材料组别,假定材料为Ⅲb组);

3. 确定污染等级;(污染等级有四级,一般设备为污染等级2)

4.确定绝缘类型(功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘)。

其中主要根据CTI材料类别和污染等级结合电压值,我们可以依据IEC60664-1查到对应的Creepage尺寸

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实际我们在设计的时候,可以根据标准值结合实际经验灵活设定尺寸,不要全部依据标准;


3.高压连接器的温升

首先对于高压连接器的温升,我们首先得知道怎么去判断它和依据什么标准,一般都是参照IEC60512的要求,在此不做叙述,感兴趣的朋友可以自己了解一下;

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对于高压连接器的温升,随着技术的发展,大功率趋势会成为越来越受欢迎的,对于高压连接器而言,怎么样在不通过加大电缆的规格下,耐受更大的负载是需要研究的课题,通常我们对于连接器的温升要求是要求小于50K,高压连接器的温升我们需要考察三个区域的温度:端子连接区域、端子接触区域(连接器本身)、端子压接区域

端子连接区域 :我们对于和设备端相连接的板端连接器通常会通过铜排的形式与设备端的铜排通过螺栓或者锁螺栓的形式相连,当然也有直接通过螺栓螺母直接相连, 无论哪种,这个地方我们需要保证较低的温升就得考虑有效的连接,尤其是在复杂的车辆工况下,要降低螺母松动等不良问题,因为这些问题会导致接触电阻的上升,从而加大这个区域的发热,严重的瞬间电流就会烧毁此区域;我们可以通过严格按照锁紧扭力、放松螺母、打胶等形式来提供此连接的稳定性;

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端子接触区域: 这个地方的发热实际上是接触对的载流能力的评估,电连接的有效的接触点越多,接触面积越大,接触电阻就越低,而接触电阻是考虑接触的可靠性的重要电性能指标,对于接触对我们在设计时需要从材料级、电性能级、机械插拔、微距振动影响等综合因素考虑设计,我们可以借助一些辅助工具在这个地方构建微观的数学模型来分析电流对于接触对的变化(后面可以单独写写这个地方的数学模型建立和微观分析),以及温度的散步变化;接触对的研究需要很深的电接触理论知识,同时需要大量的试验及分析,目前国内在这块能够拿出相对比较可靠的接触产品的厂家很少,这也是我们的基础非常薄弱的地方;

端子压接区域: 由压接不良导致的温度较高的问题也非常常见,对于连接器厂家在设计连接器的端子时,需要系统性的去考虑不同规格的压线杯的压接方式及压接尺寸;最终线束厂家应该严格根据连接器的压线杯的设计压接方式及尺寸规格进行压接,做了几年业务后发现,很多国内线束厂的能力层次不齐,对于压接的技术要求和管理做的也不太好,压接模具设计的公差值也差距也比较大,一致性相对不好,对于这个地方,我们判定它压的是否好坏有一个非常重要的指标,就是要看它的压接占空比,经验值来说,占空比要≥85%,是相对比较好的,占空比是判断你的导体在压接杯内部是否有被充分的利用;除了占空比,当然我们还要去看它的拉脱力,这个值根据不同的线规在很多的标准中都有对应,就不展开叙述;当然对于压接,我们还要考察它的压接电阻,这也是一个非常重要的指标,大众体系标准也有规定,就不展开叙述,按照目前行业的压接形式来看,我们看到的最多的就是B形压接和六边压接,B形压接相对更大的电缆规格会比较合适,它在一个点的压紧力会更好,但是相对一致性而言,就比六边差很多,当然这2种都还是机械式的压接,我们发现目前一些国外的连接器也采用超声波焊接,超声波焊接技术用在这个地方目前还是比较前列,这种通过改变分子结构的形式电传导的效果是非常好的,但是从成本角度以及市场应用数据来说,还是有待观察;对于这个点,短期内各家连接器厂家应该不断的去优化及完善,一致性非常重要,这个点的压接温升相对接触对而言,我们提升的难度相对会更小;

4.高压连接器的防护

高压连接器的防护是目前市场上连接器出现问题最多的性能点,防护而言,给到的优先度是:IP2X/IP67/IP68/IP6K9K,目前国内高压连接器已经普遍要求达到了IP68的技术要求,但是国内高压连接器市场连接器基本上是前几年开发出来的第一代产品,从设计角度,当初只考虑到了IP67,所以很难有效保证IP68也能合格,加上塑料耐环境性能相对较差,在使用一段时间后,较高的吸水率会导致本体发生形变甚至开裂,所以我们经常发现主机厂在选择连接器时,试验报告是OK的,但是在使用一段时间后就会出现防护问题,原因也就在于此;同时对于橡胶材料的选择和压缩量的设计需要大量的实际试验数据做支撑,尤其重要的是其老化后及高温下的回弹率等考量,很多时候对于材料的选择是需要去平衡产品特 的,这个需要设计人员多去考虑实际的应用情况;另外对于板端的密封我们也需要考虑内外沟槽的设计法,我们看到很多厂家的板端的密封设计实际现场安装被压缩严重,甚至一些都已经压出连接器的包络尺寸,这种方式是非常大的隐患,时间一长,被压缩切割点就极其容易出问题;

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四,新能源汽车高压连接器发展趋势

其实趋势这个东西不好判断的,从整车的角度我们的确看到了 车辆越来越快的平台化,模块化,对于高压连接器而言,很多的同行可能或多或少持一些悲观看法,会认为连接器会越来越少,从单车的角度来说我认为的确会减少了很多个点,但是从整体市场的角度来说,这个还是一个巨大的市场;

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1.电流更大

短期内,因为整车的电压平台无法快速的提升,随着续航里程加大等要求,电流的提升是一定的,这就要求对于动力插件要能承受更高的电流,目前的大多数行业标准都是基于8mm的端子为contact,一般只能耐受额定250A左右,目前各家也在逐步开发新一代的大电流动力插件,比如安费诺TPI的450A电流;怎么样加大电流,降低温升,从而最大化的利用电缆导电性,降低电缆平方数是各家重点考虑的问题,当然我们也可以尝试考虑将冷却系统和动力插件回路进行关联从而实现大电流,较小温升,较轻重量的的目标;

2.数据分析,环境模拟

整个电动汽车近代近20年的发展,对于车辆而言也积累了较多的数据,这些数据将会非常有效的帮助构建完整的环境模型,从而可以对汽车的零部件使用寿命、安全隐患、失效机制等进行有效的模拟分析和规避;连接器厂家同样也积累了大量的实际应用经验和数据库,怎么利用这些实际的数据,进行数学仿真建模从而从设计端更合理的规避实际的问题,怎么样利用这些数字构建环境模型,可以把设计带入更好的去模拟其使用寿命;

3.未来的连接器

随着汽车越来越智能化,对于连接器在未来的智能汽车上,绝不会仅仅作为一个电连接点进行传输,这个和传统汽车会有非常本质上的区别, 未来的连接器有可能会变成模块化,其功能会随着不同的汽车部位应用场景,功能也会有所不同;

同时智能驾驶的出现会让连接对于传输的稳定性变成强制条件,对于电性能的可靠性,以及其他性能都会提到更高一个要求等级;