基于溫升控制的某汽車轉(zhuǎn)接座熱設(shè)計(jì)研究

汪 洋，楊貴新，范建平，劉 偉，陶龍祖

（深圳市通茂電子有限公司，廣東 深圳 518109）

0 引言

電連接器作為重要的機(jī)電元件之一，承擔(dān)著電子與電氣設(shè)備之間非常重要的橋梁作用，其可靠性以及安全性直接影響著整套設(shè)備及系統(tǒng)的安全性和可靠性。這些年來新能源汽車產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，其中純電動汽車的關(guān)注度和產(chǎn)量穩(wěn)步上升，其內(nèi)部電氣系統(tǒng)的額定電壓和額定電流也在不斷增大，因此對其電子設(shè)備的性能要求越來越高，而汽車轉(zhuǎn)接座作為實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部電子設(shè)備之間電連接的重要連接器之一，保持穩(wěn)定的可靠性至關(guān)重要。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA-364-70的規(guī)定，電連接器的溫升應(yīng)控制在30K以內(nèi)。因此對于一些大電流連接器，如果設(shè)計(jì)不夠合理，如接觸件、絕緣體等選材不對、接觸件形狀設(shè)計(jì)不好、接觸電阻及導(dǎo)體電阻控制不當(dāng)?shù)染赡茉斐蓽厣^30K，導(dǎo)致連接器或整個系統(tǒng)失效[1，2]。

綜上所述，溫升過高是引起電連接器失效的一個非常重要的因素，所以研究電連接器在正常工作時的溫度變化對提高其可靠性是非常有必要的。因此本文針對某汽車轉(zhuǎn)接座在正常通流350A情況下，溫升摸底試驗(yàn)出現(xiàn)溫升過高的問題，提出一種基于溫升控制的某汽車轉(zhuǎn)接座熱設(shè)計(jì)研究方法，首先利用ANSYS Workbench熱電耦合模塊建立現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座的有限元模型，并對其進(jìn)行溫升分析，得到現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座溫度分布情況。最后通過Design Exploration優(yōu)化模塊對現(xiàn)有模型進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化分析。

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座溫升仿真分析

目前，針對連接器產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)多通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算得到相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，最后通過實(shí)際測試以此確定該產(chǎn)品實(shí)際溫升是否滿足要求，該方法耗時耗力，一旦溫升不合格，就得采取重新更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方法降低溫升以滿足使用要求，極大增加了研發(fā)周期及成本。傳統(tǒng)連接器熱設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

如圖2所示為現(xiàn)有該款轉(zhuǎn)接座三維模型，轉(zhuǎn)接座三維實(shí)體模型由Pro/Engineer建立。由接觸件、外殼絕緣體、墊圈、密封圈4部分構(gòu)成。相關(guān)材料屬性如表1所示。

圖1 傳統(tǒng)連接器熱設(shè)計(jì)流程Fig.1 Traditional connector thermal design process

圖2 插針與冠簧接觸簡化模型Fig.2 Simplified contact model between pin and crown spring

表1 相關(guān)材料及屬性Tab.1 Related materials and properties

1.1 有限元模型的建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，由于是電流生熱情況，因此選擇Workbench中Thermal-Electric（熱電耦合）模塊進(jìn)行溫升仿真分析。前置處理通過ANSYS Mechnical來完成，定義相關(guān)材料屬性，隨之對其劃分網(wǎng)格，由于接觸件屬于轉(zhuǎn)接座的生熱源頭，因此網(wǎng)格要密一些，網(wǎng)格大小定義為0.5mm[3]。網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

根據(jù)轉(zhuǎn)接座實(shí)際使用情況，電流從轉(zhuǎn)接座接觸件上端面輸入，接觸件尾部端面輸出，該轉(zhuǎn)接座實(shí)際通流350A，因此接觸件上端面施加電流350A，另外端面施加0V電壓。轉(zhuǎn)接座其他外表面與空氣接觸，因此設(shè)置為對流和熱輻射邊界條件，設(shè)置空氣自然對流換熱系數(shù)為4.86W/m2·℃，根據(jù)所選材料及顏色綜合設(shè)置輻射率為0.9，環(huán)境溫度為25℃。邊界條件及載荷如圖4所示。

1.2 有限元溫升仿真分析結(jié)果

通過ANSYS Workbench自帶的求解器進(jìn)行求解，通過計(jì)算，其結(jié)果溫度云圖，如圖5所示。

圖4 邊界條件及載荷施加Fig.4 Boundary conditions and load application

圖5 溫度云圖Fig.5 Temperature cloud

由圖5溫度云圖可以看出，溫度較高處基本集中在接觸件上，這是由于接觸件本身作為熱源，隨之通過熱傳導(dǎo)傳遞到絕緣體，由于絕緣體下方與接觸件接觸處壁厚較薄，因此溫度也較高。最高溫度109.76℃，溫升為84.76K，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30K以內(nèi)，因此該轉(zhuǎn)接座在實(shí)際使用過程中極大可能會發(fā)生失效且可能威脅整個系統(tǒng)。綜上所述，因此本文需對該轉(zhuǎn)接座進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1 轉(zhuǎn)接座熱平衡方程的建立

傳熱的基本方式一般有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射這三種形式[4]。電連接器在通流情況下溫度升高，是由于接觸件導(dǎo)體電阻的存在產(chǎn)生焦耳熱，熱量沿著導(dǎo)體軸向上傳導(dǎo)，徑向上通過電連接器外殼、其他附件進(jìn)行熱傳導(dǎo)，傳導(dǎo)至電連接器外殼的熱量進(jìn)一步通過熱對流、熱輻射的方式向外進(jìn)行熱量交換，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于本文研究的是轉(zhuǎn)接座長時間通穩(wěn)定電流工作狀態(tài)下的溫升，所以為穩(wěn)態(tài)熱分析。該熱分析模型滿足能量守恒定律，即系統(tǒng)自身的發(fā)熱功率等于對外散發(fā)的能量，因此根據(jù)能量守恒定律及傳熱學(xué)相關(guān)定律可建立如公式（1）的功率平衡方程：

式中：I—通過轉(zhuǎn)接座導(dǎo)體的電流；R—轉(zhuǎn)接座接觸件導(dǎo)體電阻；dT/dx—導(dǎo)體沿著軸向方向的溫度梯度；K—接觸件材料的熱導(dǎo)率；A1—接觸件橫截面積；Ts—轉(zhuǎn)接座外表面溫度；Tf—環(huán)境溫度；h—對流換熱系數(shù)；A2—對流散熱面積；A3—輻射面積；σ—斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)）；ε—物質(zhì)的發(fā)射率 （黑度）；ρ—導(dǎo)體材料電阻率；l—導(dǎo)體長度；s—導(dǎo)體橫截面積。

2.2 溫升影響因素分析

由于該轉(zhuǎn)接座由多個零件組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不規(guī)則，所以根據(jù)上述功率平衡方程來計(jì)算電連接器內(nèi)外部的溫度場分布是比較困難的，因此只能定性分析影響該轉(zhuǎn)接座溫升的影響因素。

根據(jù)式（1）可知，影響電連接器溫升的因素很多，從等式左端來看，工作電流I、導(dǎo)體電阻R越大，熱功率會越大，從而導(dǎo)致溫升較高。要使溫升降低，則自身發(fā)熱功率需減小，由于額定電流不變，則需降低導(dǎo)體電阻R，由式（2）可知，可以通過增大導(dǎo)體橫截面積S、減小接觸件導(dǎo)體電阻率或者減小接觸件長度，由于該產(chǎn)品外形尺寸已確定，因此只能通過減小電阻率ρ的方式減小自身發(fā)熱功率。從等式右端分析，增大接觸件的熱導(dǎo)率K、增加對流換熱系數(shù)h以及增大物質(zhì)的發(fā)射率ε都可以使轉(zhuǎn)接座溫升降低。要想改變對流換熱系數(shù)h則需要改變環(huán)境，或者加散熱機(jī)構(gòu)，由于該轉(zhuǎn)接座實(shí)際工作環(huán)境為空氣自然對流環(huán)境，沒有強(qiáng)制對流發(fā)生，因此對流換熱系數(shù)h也無法改變；對于該轉(zhuǎn)接座絕緣體材料輻射率定義為0.9，輻射系數(shù)由產(chǎn)品材料決定，而且已經(jīng)達(dá)到了一個較高的值，也無進(jìn)一步增大的空間[5]。因此綜上所述，要想降低該轉(zhuǎn)接座整體溫升可通過減小接觸件材料電阻率，增大材料熱導(dǎo)率的形式降低溫升。

2.3 轉(zhuǎn)接座優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)上述轉(zhuǎn)接座溫升影響因素的分析，由于該轉(zhuǎn)接座墊圈以及密封圈都不與接觸件直接接觸，且結(jié)構(gòu)尺寸較小，熱量均是通過外殼絕緣體傳導(dǎo)再與空氣對流換熱，對溫升影響可忽略不計(jì)，因此不考慮優(yōu)化墊圈以及密封圈結(jié)構(gòu)及材料。最終選取轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1、接觸件材料熱導(dǎo)率P2、絕緣體材料熱導(dǎo)率P3作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，分別將導(dǎo)電率100%IACS的純銅電阻率1.72e-8、熱導(dǎo)率為386.4 W/m·℃作為設(shè)計(jì)變量P1的下限和設(shè)計(jì)變量P2的上限，通過查閱資料一般絕緣體材料的熱導(dǎo)率在（0.1～2.5）W/m·℃之間。隨之將轉(zhuǎn)接座最高溫度定義為優(yōu)化目標(biāo)。相關(guān)優(yōu)化參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化參數(shù)Tab.2 Optimization parameters

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA－364－70規(guī)定，電源連接器的溫升應(yīng)控制在30K以內(nèi)，因此定義轉(zhuǎn)接座整體最高溫度P4-25℃（環(huán)境溫度）≤30K，即 P4≤55℃。因此將 P4≤55℃定義為優(yōu)化目標(biāo)。得到轉(zhuǎn)接座目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：

2.4 轉(zhuǎn)接座優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析

通過ANSYS Workbench Design Exploration優(yōu)化模塊對上面的分析結(jié)果建立設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)面模型，通過二次擬合，得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量變化的敏感程度柱狀圖[6]，如圖6所示。由圖6可知，敏感度系數(shù)P1＞0，P2、P3＜0，即轉(zhuǎn)接座整最高溫度 P4 隨著接觸件電阻率P1的增大而增大，并隨著P2、P3值減小而減小，且參數(shù)P1、P3對P4影響較為顯著，P2對P4影響程度較弱，轉(zhuǎn)接座最高溫度P4隨著接觸件熱導(dǎo)率變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在P1和P3值恒定的情況下，P2對P4影響很小，因此可忽略參數(shù)P2對結(jié)果的影響。綜上，通過靈敏度分析可得到優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化而需要的設(shè)計(jì)變量，因此靈敏度分析可用于最終優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)的挑選[7]。

圖6 靈敏度分析柱狀圖Fig.6 Sensitivity analysis histogram

圖7 溫升隨接觸件熱導(dǎo)率變化曲線Fig.7 Variation of temperature rise with thermal conductivity of contact parts

3 優(yōu)化結(jié)果分析

由上述靈敏度分析可知，轉(zhuǎn)接座接觸件熱導(dǎo)率P2對最高溫度影響甚微，因此在優(yōu)化分析時，轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1以及絕緣體材料熱導(dǎo)率P3影響。通過Design Exploration優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，選擇Screening（篩選法）優(yōu)化方法，樣本數(shù)輸入10000，最可通過計(jì)算求解出3個最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)[8]。相應(yīng)最優(yōu)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)候選點(diǎn)Tab.3 Optimization design candidates

由表3可看出，3個最佳候選點(diǎn)所對應(yīng)的接觸件電阻率基本在1.73e-8Ω·m左右，根據(jù)查閱相關(guān)材料資料，可選取紫銅T2作為接觸件材料，其電阻率為1.72E-8Ω·m。絕緣體熱導(dǎo)率變化較大，考慮到熱導(dǎo)率越大的絕緣體材料，其成本和售價(jià)也越高，因此可在滿足轉(zhuǎn)接座性能要求和經(jīng)濟(jì)效益前提下選擇熱導(dǎo)率相對較低一點(diǎn)的絕緣體材料，因此綜合考慮，絕緣體材料不予更換，最終轉(zhuǎn)接座相關(guān)零件材料屬性如表4所示。對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座重新進(jìn)行溫升仿真分析，得到優(yōu)化后的結(jié)果溫升云圖如圖8所示。

表4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)接座相關(guān)零件材料屬性Tab.4 Optimize the material properties of the adapter part related after the optimization

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)接座溫度云圖Fig.8 The adapter temperature cloud after the optimization

由上述圖8溫度云圖可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座溫度分布分布與改進(jìn)前一致，最高溫度為45.674℃，溫升20.674K。溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30K以內(nèi)。表5所示為優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座與優(yōu)化前轉(zhuǎn)接座有限元溫升仿真分析結(jié)果對比。

由表5可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座最高溫度相比優(yōu)化前減小58.4%，溫升在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下減小75.6%。綜上分析可知，通過仿真優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座可靠性得到顯著提高。繼而證明該優(yōu)化改進(jìn)是合理有效的。后續(xù)將對該有限元分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

表5 有限元分析結(jié)果對比Tab.5 Comparison of finite element analysis results

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取最終優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座與優(yōu)化前的轉(zhuǎn)接座進(jìn)行溫升對比試驗(yàn)，試驗(yàn)按QC/T417.1-2001中4.14的規(guī)定進(jìn)行。通以額定工作電流350A，當(dāng)溫度達(dá)到熱平衡后，其接觸件以及絕緣體溫升不應(yīng)超過30K。溫升達(dá)到熱平衡后采用新接觸件（端子）轉(zhuǎn)接座溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，轉(zhuǎn)接座溫度開始變化幅度較大，隨著時間的推移溫度慢慢趨于穩(wěn)定，達(dá)到熱平衡。改進(jìn)前轉(zhuǎn)接座穩(wěn)定后的最高溫度107.5℃，可得溫升為82.5K。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)接座最高溫度45.9℃，溫升 20.9K。分別對比改進(jìn)前及改進(jìn)后有限元溫升仿真計(jì)算結(jié)果可知，誤差均在5%以內(nèi)。因此進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 溫升試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Temperature rise test results

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)有某款汽車轉(zhuǎn)接座的基礎(chǔ)上，針對其實(shí)際工作過程中溫升過高的問題，提出一種基于溫升控制的熱設(shè)計(jì)研究方法，結(jié)論如下：

（1）本文在現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座的基礎(chǔ)上，建立了轉(zhuǎn)接座有限元模型，通過有限元溫升仿真分析，得出轉(zhuǎn)接座最高溫度109.76℃，溫升為84.76K，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30K以內(nèi)，因此該轉(zhuǎn)接座在實(shí)際使用過程中極大可能會發(fā)生失效且可能威脅整個系統(tǒng)。因此需對該轉(zhuǎn)接座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）通過 ANSYS Workbench Design Exploration 優(yōu)化模塊對轉(zhuǎn)接座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1、接觸件及絕緣體材料熱導(dǎo)率P2、P3作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，轉(zhuǎn)接座最高溫度為優(yōu)化目標(biāo)，得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量變化的敏感程度柱狀圖，結(jié)果表明，參數(shù)P2對優(yōu)化目標(biāo)影響微弱，因此可在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中只考慮調(diào)整參數(shù)P1、P3。

（3）在滿足相關(guān)溫升標(biāo)準(zhǔn)的前提下，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)接座相比優(yōu)化前溫升減小75.6%。轉(zhuǎn)接座可靠性得到顯著的提高。最后通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文的研究成果為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。