電動乘用車快換電池連接器設計及性能研究*

徐永軍

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電動乘用車快換電池連接器設計及性能研究*

徐永軍1,2

（1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200030；2.上海電巴新能源科技有限公司，上海 201308）

快換電池連接器是純電動汽車快換電池系統的重要零部件，其設計和性能是否可靠直接影響到快換電池系統的安全使用。文章基于底盤式快換電池系統的快換連接器，對其關鍵技術、設計特點、基本性能要求、開發標準及試驗驗證方法進行了系統的分析與研究，為同類型的快換式連接器設計開發提供了指導。

快換電池連接器；關鍵技術；性能要求

前言

電動汽車作為一種新型的出行交通工具，具有節能、環保、能源利用效率高等優點，已成為我國未來重點發展的戰略產業之一[1-3]。動力電池作為電動汽車的重要能量來源，受當前技術發展水平及電池的能量密度比較低等因素的影響，純電動汽車仍然無法像燃油車一樣很方便的實現連續行駛，從而在一定程度上制約了電動汽車產業的快速發展[4]。

可快速更換電池的電動汽車可以解決目前純電動汽車續駛里程不足的缺陷。由于換電式電動汽車采用車電分離銷售模式，因而可以大大降低用戶采購成本。同時換電運營效率高、電池采用慢充的補電方式使得電池壽命更長，對電網沖擊小。加之快換電池的集中管理充電和遠程監控，易于回收和梯次利用，電池變得更加安全等眾多優點，從而使得快換式電池系統在對充電時間敏感及高續駛里程要求的出租車領域得以大批量推廣使用[3,5-7]。

文章研究的電動乘用車快換電池連接器是快換電池系統的重要零部件，是用于實現整車與快換電池系統之間電氣快速連接、分離的專用連接器，主要由快換插頭、快換插座及相關電纜組成。快換電池連接器工作時，快換插座和快換電池箱體安裝在一起，快換插頭安裝在電動汽車或固定的充電架上面，通過特殊設計的換電機構和輔助導向機構，最終實現動力電池系統和整車之間的高壓連接與低壓通訊。圖1為快換電池連接器結構示意圖。

1 快換電池連接器的關鍵技術

電動汽車的能量來源于電池系統，因此快換電池系統必須能夠實現與整車之間安全可靠的電氣快速連接和分離，實現這一功能的零部件即為快換電池連接器。快換電池連接器除了要求滿足一般動力電池系統高低壓連接器的全部功能和技術要求，如基本的電氣性能、絕緣、接地、高壓互鎖等各種性能外。同時要求快換電池連接器具有一些為實現電池系統的快速更換而必須具有的特殊功能和關鍵技術要求[8-9]，主要包括以下6個方面：

1）快換電池連接器可以實現電池系統與整車之間的電氣與通訊連接，實現其快速接合和分離，即動力電池系統與電動汽車之間的高、低壓信號快速、有序的接合與分離。

2）快換電池連接器必須具有滿足電池系統快速更換的導向、定位和限位機構，使得電池系統更換時能自動的修正連接器插頭與插座之間的位置偏差，從而確保連接器插頭和插座可以準確對接。

3）為了節省空間，快換電池連接器高低壓要求采用一體化設計，高低壓電氣連接采用平面電連接技術。在電動汽車行駛的各種道路工況中，快換電池連接器上要求設計有連接狀態檢測裝置以保證高低壓電氣連接的可靠性。高低壓電連接端子的接觸阻抗和電氣性能在規定的換電次數內不允許出現突變和性能衰減并通過檢測裝置進行實時監控。

4）快速電池連接器的插頭與插座之間可以根據整車振動實現結構隨動，即連接器可以在X、Y、Z三個方向實現浮動和位置糾錯，從而保證連接器高低壓電氣連接的安全可靠。

5）為了實現不同車輛之間電池系統的更換，快換電池連接器必須設計有標準統一的高低壓電氣接口，強電與弱電觸頭必須隔離并預留接地與高壓互鎖功能。

6）快換電池連接器可以兼容不同車輛之間的電池系統結構互換并且電氣性能、使用壽命及相關匹配的可靠性能不會出現任何降低或異常。

2 快換電池連接器設計及基本性能

2.1 快換連接器外形尺寸及接口定義

圖2 快換插頭外形及尺寸示意圖

圖3 快換插座外形及尺寸示意圖

表1 快換連接器通訊接口功能定義

為了節省安裝及換電運動空間，快換電池連接器的高低壓連接采用一體化的連接方式，并且采用平面連接技術。快換插頭和插座的外形與尺寸分別如圖2，圖3所示。插頭和插座低壓連接的接口定義與功能如表1所示。

2.2 快換電池連接器基本技術指標

根據整車開發及實際的換電營運要求，快換電池連接器設計開發與使用過程中需要滿足一些基本的技術要求，主要包括基本電氣要求、機械要求、環境要求及其它特殊要求[10]。

1）快換連接器基本電氣性能要求

工作電流：》250A（50mm2或以上）

通訊電流：》5A（0.5mm2）

工作電壓范圍：200-400V

通訊電壓范圍：12～24V

電氣壽命（換電）：》10000次

接觸電阻（高壓極柱）：≤0.3mΩ（正常）

接觸電阻（低壓極柱）：≤50mΩ（正常）

接觸電阻（高壓極柱）：≤0.6mΩ

（振動/沖擊/壽命試驗后）

接觸電阻（低壓極柱）：≤100mΩ

（振動/沖擊/壽命試驗后）

絕緣阻抗（總成）：》200MΩ

介電強度：< 5mA

防護等級：IP67XXB

溫升(功率)：＜50K

阻燃性能：UL94-V0

高壓互鎖：符合

接地功能：符合

2）快換連接器機械性能要求

插拔力（高/低壓）：《 350N

機械壽命（換電）：》10000次

導向機構（換電）：符合

運動行程（換電）：》±12mm

有效電連接行程（壓縮）：》7mm

X向浮動（振動）：》±1mm

Y向浮動（振動）：》±3mm

Z向浮動（振動）：》±3mm

抗沖擊：QC/T 417.1_4.19、GB/T 31467.3_7.2

抗振動：QC/T413-2002_3.12、GB/T 31467.3_7.1

環境老化：QC/T413-2002（低溫/高溫/高低溫/溫、濕度）

3）快換連接器環境要求

工作溫度：-40℃～85℃

存儲溫度：-40℃～100℃

相對濕度范圍（RH%）：5%～95%

鹽霧（中性）：》480h

EMC：＞60dB

耐腐蝕：冷卻液/化學液

禁用物質：GB/T 30512-2014

4）快換連接器其它特殊要求

連接器互換性：符合

電池端插件要求：插針

高壓端子保持力：符合

低壓端子保持力：符合

插件防護蓋：符合

功率端子溫度檢測：符合

壓潰防護：符合

插座防錯裝：符合

安規符合性：符合

外觀與尺寸：符合

2.3 快換電池連接器設計驗證標準及要求

快換電池連接器在設計開發過程中，必須參考和執行相應的國家、行業及企業標準與法規，進行各種相應的型式試驗，以滿足產品長期使用過程中可靠性能要求[10-12]，主要的型式試驗項目及執行的法規和標準如表2所示。

表2 快換電池連接器型式試驗及參考標準

3 快換電池連接器測試驗證與分析

快換電池連接器在開發過程的各種測試試驗對其性能是否可靠，是否達到設計目標至關重要，需要重點關注以下幾個方面的試驗驗證：

1）機械性能測試，主要包含機械壽命、振動試驗及機械沖擊等性能測試，如圖4～圖6所示。

圖4 快換電池連接器機械壽命試驗示意圖

圖5 快換電池連接器隨機振動試驗示意圖

圖6 快換電池連接器機械沖擊試驗示意圖

2）電氣性能測試，主要包含耐壓、絕緣電阻及介電強度測試等試驗，如圖7～圖8所示。

圖7 快換電池連接器耐壓絕緣測試示意圖

圖8 快換電池連接器介電強度測試示意圖

3）環境性能測試，主要包含高溫、低溫、濕度與溫度、熱沖擊、鹽霧、化學腐蝕及IP防護等各種性能的測試，如圖9～圖11所示。

圖9 快換連接器高低溫、濕度相關溫度試驗示意圖

圖10 快換連接器耐化學腐蝕試驗示意圖

圖11 快換連接器高溫環境下IP試驗示意圖

4）在各種機械與環境試驗完成后，需要重新測量其絕緣電阻、介電強度及高低壓端子的接觸阻抗是否發生較大變化，如圖12～圖13所示。

圖12 連接器試驗后低壓端子接觸阻抗測試示意圖

圖13 連接器試驗后高低壓端子介電強度測試示意圖

4 結論

文章基于底盤式快換電池系統的快換連接器，對其開發設計過程中的關鍵技術、設計特點、基本性能要求、設計標準及型式試驗驗證項目與方法進行了系統的分析與研究，可為同類型的快換式連接器設計開發提供指導，在行業內具有一定的指導意義。

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Design and Performance Study of Quick Change Battery Connector for Electric Passenger Car

Xu Yongjun1,2

（1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030; 2.Shanghai Dianba New Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201308 )

The quick-swapping battery connector is an important component of the pure electric vehicle quick-swapping battery system. The reliability of its structure and performance directly affects the safe use of the quick-swapping battery system. Based on the chassis-type quick-swapping battery system, the paper analyzes its structural design features and performance requirements. At the same time, based on the combination of experimental verification, the reliability of the quick-swapping connector of the electric passenger car chassis is studied, which provides guidance for the design and development of the same type of quick-swapping connector.

Quick change battery connector; Key technology; Performance requirements

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

徐永軍，男，目前就職于上海電巴新能源科技有限公司，上海交通大學車輛工程專業碩士，中級工程師，主要研究方向：電動汽車動力電池系統設計與仿真。

上海市新能源汽車專項資金項目（2015SHDB09001）；上海市臨港重大技術裝備研制專項資助項目（2014SHLGDB001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.001