一種高壓大電流連接器的設計

趙 輝

（中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）

近十幾年，中國汽車產業得到了超常規的穩定發展，隨著清潔能源技術和智能電網的發展和推廣，對電動汽車用高壓線束的需求會越來越大，電動汽車的電池供電系統、光伏、風能等清潔能源并網發電用逆變器電源切換控制等使用場所都會用到大電流連接器進行傳輸和連接。電動汽車用高壓線束作為汽車上的一個重要部件，必將迎來大發展的歷史機遇。

1 概述

依據我所多年的軍用高壓連接器和大電流連接器研制技術基礎及汽車電子產品技術研發、工程生產經驗，結合目前市場上整機廠配套要求，與國內主要電動汽車生產廠家的溝通、商議，在安徽省科技廳的幫助下，從結構、工藝、材料選擇等方面綜合設計，開展了節電動汽車用高壓線束技術研究。

1.1 主要技術指標

電動汽車用高壓線束主要技術指標如下：額定電流270A；額定電壓630 V AC/DC；絕緣電阻≥5 000 MΩ；耐電壓3 000 V；使用溫度-40 ℃～125 ℃；鹽霧48 h；機械壽命500次；振動頻率為55～500 Hz，加速度為150 m/s2；沖擊頻率為10～40次/min，加速度為300 m/s2，3 000次；防護等級IP67。

1.2 項目成功應用領域

汽車中的線束是電氣系統的重要部件，主要是在汽車電氣系統中扮演能量輸送和信號傳遞的作用。在新能源汽車特別是純電動汽車中，除了12 V電路系統以外，還有一個電壓超過300 V主要用于動力驅動系統的電路系統。該系統中需要采用高壓線束來連接各個電路中的單元（電池包與PDU之間，PDU與電機、DC/DC模塊等），是高壓電氣系統的關鍵零組件，為電動汽車運行的可靠性和安全性提供了保證。

2 總體結構設計

電動汽車用高壓線束分為插頭和插座兩部分，插頭為帶線纜的連接器，插座尾部可根據用戶需求接銅排或導線。插頭與插座連接形式為推拉自鎖式，插拔快速、連接可靠。插座安裝方式為法蘭安裝、螺釘緊固，插座屏蔽套與金屬安裝面板彈性接觸。連接器插合時，主接觸件接觸后，信號接觸件才接觸；分離時，信號接觸件分離后，主接觸件才分離，防止帶電插拔，保證安全。連接器插合示意見圖1。

圖1 連接器插合圖

2.1 接觸件的設計

如圖2所示，接觸件的設計采用“籠式片簧孔”結構，其中插針為剛性結構，插孔為籠式片簧孔結構。插針接觸件采用銅合金通過精密機械加工制造而成，表面鍍硬金，插針接觸件前端加絕緣插針護套，起安全防護作用。插孔接觸件是由插孔殼體和籠式片簧片所組成，插孔殼體采用銅合金通過精密機械加工制造而成，籠式片簧片采用彈性較好的鈹青銅通過沖壓、卷圓后成型，進行熱處理，表面鍍銀。籠式片簧片裝入插孔殼體內，與插孔殼體形成整體結構，籠式片簧片的內孔尺寸要小于插針的端部直徑，這樣插針在插入時，能夠形成彈性壓縮，從而產生一定的接觸壓力；籠式片簧片是由多個窄帶結構所組成，從而形成多點接觸，大大減小了接觸電阻。

圖2 接觸件結構示意圖

2.2 防錯插結構的設計

為了防止誤插、保證正確插合，殼體設計有防錯插鍵槽結構。插座連接器設計有4個防錯插鍵，插頭連接器設計有對應防錯插槽。防錯插結構示意如圖3所示。

圖3 防錯插結構示意圖

2.3 防護等級的設計

插座連接器密封圈與安裝面板結合實現密封，插頭連接器兩端設計有2個密封圈實現密封，如圖4所示，密封圈的材料均為硅橡膠，通過模具擠膠成型。硅橡膠是一種邵氏硬度在30～55范圍內的彈性材料，在插合時，通過連接裝置，形成彈性壓縮，達到了良好的密封效果，實現連接器的防護等級IP67。

2.4 參數設計

電動汽車用高壓線束屬于大電流高電壓連接器，其主要性能指標為：接觸電阻≤0.11mΩ；工作電流270A；絕緣電阻≥5 000MΩ；介質耐電壓630V/AC；機械壽命500次。下面將分別給出上述參數的設計。

圖4 密封結構示意圖

2.4.1 接觸電阻

接觸電阻是該產品的一個關鍵指標，如果接觸電阻超標，會由于接觸電阻的增加而導致連接器溫升過高，從而影響產品的可靠性，甚至造成接觸失效，因此接觸件的接觸電阻必須滿足協議書要求，減少接觸電阻是大電流連接器設計最重要的環節。連接器連接的額定電流I是一定的，電流I通過連接器接觸件從插針傳送至插孔，在插孔狹小的空間內，接觸簧片的橫切面積極低，為避免接觸簧片電流密度過大，連接器設計通常采用多通道傳遞電流，即連接器領域稱為“多觸點接觸”，以增大接觸簧片的橫切面積，降低接觸簧片的電流密度，以達到插針、接觸簧片和插孔的電流密度接近于電纜或連接器連接的其他導體。

當2個金屬表面在一定壓力下相互接觸時就形成了接觸電阻。一般情況下，接插元件正常接觸電阻約在10-8～10-2Ω之間。接觸電阻由下式各項組成。

式中： RB——金屬體本身電阻，約10-4Ω，其值小而穩定，一般可忽略不計；RC——壓縮電阻，是由于電流線被壓縮而形成的，清潔的接觸對，其RC約在10-4～10-3Ω之間；RF——膜層電阻，是因為接觸界面被氧化、硫化或腐蝕、污染而形成一層薄膜（由于金屬擴散，薄膜成為重摻雜的半導體，在一定電場下，薄膜呈隧道性導電，此時隧道電阻也就是膜層電阻，其阻值隨膜層厚度增加而急劇升高），膜層電阻是造成接觸電阻不穩定的主要因素；RJ——接觸電阻，為壓縮電阻、膜層電阻之和。

1）壓縮電阻估算。當接觸表面主要是塑性變形時，壓縮電阻估算為

式中：ρ——相同金屬表面的電阻率，Ω·m；H——金屬表面硬度，N/m2；P——接觸處的正壓力，N；ζ——塑性變形的修正系數，表示實際接觸處除塑性變形外還有部分彈性變形，通常ζ=0.7，當接觸表面潔凈，膜層厚度小于5埃時，接觸電阻可算壓縮電阻。

由以上計算得出P=3.84N，當接觸件材料選擇銅時，由《機電元件技術手冊—設計、制造、使用、維護》中表1.1-2查得H=3.9，ρ=16.8，代入式（3），得：Rc=1.42×10-4Ω，20個Rc并聯可以得出：Rc=7.1×10-5Ω。

2）膜層電阻的估算。當兩接觸表面間施以電壓，電場強度低于109～1010V/m時，兩表面之間的膜層電阻值可大致按下式估算

式中：ρF——隧道電阻率（其值隨膜層厚度急劇上升，見《機電元件技術手冊—設計、制造、使用、維護》圖1.1-5），Ω·m2，當接觸件材料選擇銅合金時，若表面未遭磨損破壞，其化學性能是穩定的，表面氧化層厚度約在20埃左右。查表得：ρF= 3×10-11，又P =3.84N，H=3.9，代入式（4）得：RF=1.06×10-11Ω，8個RF并聯可以得出：RF=1.33×10-12Ω，將Rc、RF代入式（1）得：R=7.1×10-5Ω≤0.11 mΩ。

由計算可知，接觸件的結構設計及材料選擇滿足設計要求。

2.4.2 工作電流

該連接器的接觸件由剛性插針和彈性插孔組成。該產品額定電流為270A，工作溫度范圍為-65 ℃～125 ℃。按表1所應選擇的導線截面為：S=0.06，則導線直徑d=0.28，故將焊接端設計為φ0.45，接觸端設計為φ0.6插針或插孔時能滿足產品電流要求。

表1 單根導線在自由空氣中載流量隨溫度升高而減小的變化表

2.4.3 絕緣電阻

根據本產品的使用環境，安裝板材料我們選擇了熱塑性工程塑料——30%玻纖增強的聚苯硫醚（PPS），其技術參數見表2。該材料阻燃性好，負載熱變形溫度高，能滿足產品工作溫度范圍-65 ℃～125 ℃；該材料體積電阻率大，能滿足產品的絕緣電阻（≥5000 MΩ）和耐電壓（＞800V）要求；該材料在較大的頻率、濕度及溫度范圍內變化不大，模具成型收縮率較小，適合加工小節距、高密度安裝板。

表2 PPS GF30技術參數

2.4.4 絕緣電阻計算

絕緣電阻通常是絕緣材料的體積電阻和表面電阻的并聯結果。

根據公式：

式中：Rv——體積絕緣電阻，Ω；Rs——表面絕緣電阻，Ω；——體積電阻率，Ω·m；——表面電阻率，Ω；s——導體間相對應的面積，m2；b——導體間絕緣材料表面的最短距離，m；d——導體間絕緣材料內的最短距離，m。

根據設計要求，安裝板的材料選擇PPS，其表面電阻率和體積電阻率分別為：ρv=1×1016；ρs=1×1013。

又s=1×10-5，b=6×10-4，d=1.6×10-3，代入式（6）、式（7）求得：Rv=1.6×1017，Rs=3.8×1012。代入式（5）得：R=3.8×105MΩ＞5 000 MΩ，滿足項目5 000 MΩ的要求。

2.4.5 介質耐電壓

本產品的結構中，主要包括主接觸件與屏蔽層及外殼之間、屏蔽層與信號接觸件之間、2路信號接觸件之間、信號接觸件與外殼之間的耐電壓。根據理論計算，其中最短距離為2路信號接觸件之間，距離約為2.6 mm，主接觸件與屏蔽層間最短距離約為10 mm。根據巴申曲線，空氣擊穿電壓約為3 kV/mm，該產品要求耐電壓為3 000 VDC，滿足技術指標要求。

2.4.6 機械壽命

機械壽命是經過多次插拔，使鍍層局部機械磨損，直到露出基底金屬估算出的插拔次數。機械磨損的主要原因是金屬表面受壓粘結又經過滑動摩擦造成的。影響粘結的因素有：①材料的硬度，軟金屬較硬金屬易粘結；易受氧化、硫化或腐蝕的材料不易粘結；②接觸對滑行距離、接觸壓力、滑行距離越大或接觸壓力越大，粘結磨損越嚴重；③表面情況，粗糙表面易粘結。各種金屬材料的腐蝕和粘結程度見表3。

表3 各種金屬材料的腐蝕和粘結程度

由機械粘結造成的磨損可按下式進行估算：

式中：V——一次插拔磨損的體積，m3；k——磨損系數；x——滑行距離，m；P——接觸壓力，N；H——金屬表面硬度，N/m2。

當接觸壓力超過0.5 N后，k值接近于3.1×10-4。隨接觸結構的不同，2個接觸表面被磨損的金屬體積并不相同，當插拔次數多時，為粗略估計，可假定，磨損金屬平均來自2個接觸面，插拔相對位置不變，兩接觸面鍍層厚度相同。接觸壓力超過0.5 N，則機械壽命可近似為

式中：t——鍍層局部磨損殆凈時的插或拔的單程次數；a——鍍層被磨的長度，m；b——鍍層被磨的寬度，m；c——鍍層厚度，m；x——滑行距離，m。

已知a=10 mm，b=13.4 mm，c=7×10-3mm，x=15 mm，H=2.5×102N/mm2，P=3.84N，代入式（9）得：機械壽命t=30773次＞500次，滿足設計要求。

2.5 溫升控制技術

2.5.1 熱設計

連接器通過電流，由于連接器本身的電阻和接觸阻抗，電能會以熱能的形式消散功率并向周圍散發 ，這將使機內溫度升高，使設備的可靠性下降，熱設計的不合理是當前造成電子設備可靠性差的重要原因之一，大電流條件下工作的元器件更應將熱設計作為重要設計內容來考慮。

當電流流過接觸件時，熱量Q將以式（10）產生，當產生的熱量和熱傳導的熱量失去熱平衡，連接器將產生局部高溫，將會使連接器的內部溫度上升甚至發生驟然變化，而過高的內部溫度將對連接器的結構性能與使用壽命產生相當大的影響：第一，導致絕緣材料結構發生變化，產生化學分解 ，絕緣性能變壞；第二，使彈性材料的機械性能劣化，導致應力松弛和接觸件鍍層破壞；第三，在接觸區形成絕緣薄膜，使接觸電阻增大，并反過來進一步加劇溫升。因此，熱設計是接觸件設計前必須考慮的一項內容。

本產品的熱設計主要是計算接觸件接觸點的溫度和工作狀態下連接器整體的工作溫度。前者通過計算接觸處的電流所產生的電熱，判斷接觸處所需要的耐熱能力，判定接觸處是否安全；后者是通過計算連接器的多個接觸件產生的熱量和連接器的熱傳遞的能力，判定產品是否能在125 ℃環境下長期工作，從而進一步檢驗金屬材料和絕緣材料的選擇是否正確。

該產品的額定電流按每個接觸件的額定電流計算，由于存在體電阻和接觸電阻，電流通過時將發出熱量，當接觸電阻過大而電流又較大時，接觸處的溫度升高，連接器的溫度將失去溫度平衡，內部溫度的不斷升高可能達到使金屬軟化甚至熔化的程度，因此應當給通過的電流以一定限制。接觸處的電流也可用接觸電壓表示，即

式中：VC——接觸電壓，V；L——洛倫茲常數，對于低電阻率的純金屬，L≈2.4×10-8V2/K；T——接觸處金屬溫度，K；TA——環境溫度，常以20 ℃即293 K計。

設計時不應使接觸電壓達到其軟化接觸電壓，常用金屬軟化和熔化時的接觸電壓見表4。

表4 常用金屬的軟化和熔化溫度時的接觸電壓

已知I=270A，接觸電阻應小于0.11mΩ，即R初始max=0.11mΩ，在125 ℃高溫環境中接觸電阻為R高溫max=0.11mΩ，則VC2=0.0009V2。

當環境溫度為20 ℃時即TA=293K時，接觸處金屬溫度為35.6 ℃，即T=308.6K（27 ℃）；當環境溫度為125 ℃時即TA=398K時，接觸處金屬溫度為136.6 ℃，即T=409.6K。查表4知，銅的軟化溫度為190 ℃，軟化時接觸電壓為0.12 V，可見設計滿足要求。

接觸處正壓力增加時，電流限也增加，I2/F稱為耐熱能力，即：

式中：ρA——環境溫度TA時的金屬的電阻系數，Ω·m；α——電阻溫度系數，1/K。

已知電流為270 A，F=3.84 N，則I2/F=18984.4 A2/N，遠低于表5中銀的軟化耐熱能力限，故接觸處是安全的。

表5 常見金屬耐熱能力限

接觸對固定時接觸電阻產生的熱量，由于四周絕緣很難散發出去，造成溫升。假若溫度達到彈性材料的退火溫度時，材料將失去其彈性，若超過絕緣材料臨界溫度時，材料也將遭到破壞。

考慮到散熱，該產品安裝板四周均設計有散熱孔，而且絕緣材料選擇的是耐溫等級比較高的PBT。

2.5.2 溫升

接觸對是主要的發熱體，整個連接器的溫升計算主要考慮的因素有：材料的導熱系數、接觸電阻、接觸對自身電阻和環境條件的影響。我們將計算常規條件下接觸件的溫升，整個連接器則用仿真和實測來得到。

在接觸件溫度穩定時，導體由于電流作用產生的熱量和向外散失的熱量相等。接觸件的溫升公式為

式中：ρ——材料的電阻率；I——接觸件流過的電流；A——導體截面積；S——導體散熱表面的周長；h——散熱系數，接觸件表面散熱系數與輻射散熱系數之和；l0——特征尺寸，對于圓導體可以取它的直徑；K——溫度系數，取值在1.45～1.2之間，溫度越高取值越低；n——相關指數，取值0.4～0.35之間，溫度越高取值越低。

對于圓形接觸件，由式（13）代入式（14）可以得出圓形接觸件在工作電流下的最大溫升經驗公式（以20℃為環境溫度計算起點）如下

在非標準工作溫度下，導體的溫度為T時有

式中：d——導體直徑；αt——接觸件材料的電阻率溫度系數（銅為0.0015/ ℃）。

已知：I=270，ρ=6.5E-8，d=10，n=0.38，代入（15）得：ΔT=31.1 ℃，就是說在工作電流270A的情況下，連接器的溫升不會超過40 ℃，滿足使用要求。

2.5.3 ANSYS的熱分析

本產品的熱仿真主要是計算接觸件接觸點的溫度和工作狀態下連接器整體的工作溫度。前者通過計算接觸處的電流所產生的電熱，判斷接觸處所需要的耐熱能力，判定接觸處是否安全；后者是通過計算連接器的多個接觸件產生的熱量和連接器的熱傳遞的能力，判定產品是否能在125 ℃環境下長期工作，從而進一步檢驗金屬材料和絕緣材料的選擇是否正確。仿真結果見圖5。

由仿真結果可知，最高溫發生在插頭前安裝板上，通過顏色對比及定點查看溫度，可知，導體上的溫度不超過58.666 ℃，連接器上最高溫度為58.666 ℃，環境溫度為23 ℃，所以連接器上最高溫升為35.666 ℃。根據QC/T417.1—2001《車用電線束插接器》中4.14的溫升試驗要求，每個插接件的升溫溫度不能超過40 ℃。設計結果滿足要求。

圖5 仿真結果

3 結束語

通過本產品的研發，了解了高壓連接器研發需要關注的重點，為其他同類產品的研發奠定了基礎。隨著該產品的開發，帶動了高壓分配控制單元（PDU）、多合一PDU等產品。目前已將相關產品向天津力神電池股份有限公司、安徽易威斯新能源科技股份有限公司、益佳通科技有限公司等新能源企業進行推廣。