電動(dòng)車(chē)高壓連接器的內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)

趙平堂

（1.天海汽車(chē)電子集團(tuán)汽車(chē)電器工程研究院，河南 鶴壁 458030；2.鶴壁汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 汽車(chē)零部件及其功能材料研究中心，河南 鶴壁 458030）

隨著乘用車(chē)油耗標(biāo)準(zhǔn)的不斷降低，電動(dòng)化成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。電動(dòng)汽車(chē)具有600 V以上高壓及300 A以上大電流系統(tǒng)，高壓電路的連接器系統(tǒng)，特別是高壓連接器的內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)對(duì)保證高壓電路的安全性起著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)的汽車(chē)連接器接觸結(jié)構(gòu)在電性能安全和接觸電阻上都無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，電力行業(yè)應(yīng)用的高壓花瓣接觸結(jié)構(gòu)雖然加工簡(jiǎn)單但接觸點(diǎn)少，接觸電阻較大，加工精度難以控制，最近很多電動(dòng)車(chē)高壓連接的研究者不斷設(shè)計(jì)新的高壓連接器的內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)，我們課題在這方面也做了大量研究工作，以提高高壓連接器的安全性。

1 雙螺旋及線(xiàn)簧接觸結(jié)構(gòu)

安費(fèi)諾在電動(dòng)車(chē)以及混合動(dòng)力車(chē)中電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等部位中的大電流連接器的接觸結(jié)構(gòu)解決方案是采用雙螺旋結(jié)構(gòu) （圖1）［1］，接觸面積達(dá)到65%，具有低插拔力和高可靠性，工作電壓可達(dá)到630 V，額定電流455 A，具有比較高的過(guò)載能力，機(jī)械壽命大于500次，是目前在電動(dòng)車(chē)高壓連接領(lǐng)域流行的內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)之一。而羅森伯格采用的線(xiàn)簧接觸系統(tǒng) （圖2）能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)40個(gè)接觸點(diǎn)，載流能力高，節(jié)省空間，接觸電阻和插拔力低。

圖1 雙螺旋結(jié)構(gòu)

圖2 線(xiàn)簧接觸結(jié)構(gòu)

2 多孔耐磨結(jié)構(gòu)

我們開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)車(chē)高壓連接器多孔耐磨 內(nèi)接觸 環(huán)［2］， 包 括 多孔彈性?xún)?nèi)接觸環(huán) （圖3）、表面鍍層。多孔彈性接觸環(huán)的壁厚為0.5 mm、口內(nèi)徑為8 mm，長(zhǎng)19 mm的高彈性銅鎳硅合金開(kāi)口管。管呈弧形中間下凹，中間內(nèi)徑5mm，管壁交錯(cuò)均勻分布直徑為1.5 mm的孔，管沿軸方向有一條線(xiàn)縫，縫寬度控制在0.5 mm以?xún)?nèi)。表面鍍層為AgCu、AgSb、AgPd、AuAg合金的一種，厚度為0.5~2.0μs。AgCu合金鍍層中Cu的含量為1%~2%；AgSb合金鍍層中Sb的含量為1.5%~2.5%；AgPd合金鍍層中Pd的含量為8%~10%；AuAg合金鍍層中Ag的含量為30%~40%。合金鍍層可通過(guò)電鍍或磁控濺射方法獲得。

該接觸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，應(yīng)用范圍廣泛，能夠有效地推廣高壓連接器的應(yīng)用；本文多孔耐磨彈性?xún)?nèi)接觸環(huán)實(shí)現(xiàn)了與插頭的網(wǎng)狀線(xiàn)性接觸，接觸電阻低，達(dá)到LV215高壓連接器的接觸電阻要求；采用的AgCu、AgSb、AgPd、AuAg合金鍍層代替內(nèi)接觸環(huán)的純Ag或純Au鍍層提高了內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)的耐磨性。AgCu合金鍍層中Cu的含量為1%~2%時(shí)耐磨性比銀提高3~5倍；AgSb合金鍍層中Sb的含量為1.5%~2.5%時(shí)耐磨性比銀高10~12倍；AgPd合金鍍層中Pd的含量為8%~10%時(shí)耐磨性比純銀提高5~10倍；AuAg合金鍍層中Ag的含量為30%~40%時(shí)耐磨性比純金提高8~10倍。

3 彈性插孔接觸件

趙仕彬［3］設(shè)計(jì)的彈性插孔接觸件 （圖4）由護(hù)套、彈性件和插孔組成，彈性接觸件由彈性線(xiàn)材或彈性帶材彎曲成包括圓弧的接觸部位和彎鉤形的固定部位的形狀，在插孔圓周均勻布置，圓弧形的接觸部位朝插孔中心懸置，形成滑動(dòng)支點(diǎn)，并在插孔的徑向形成一個(gè)內(nèi)接觸插孔。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插拔力低和載流量大的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 多孔耐磨結(jié)構(gòu)

4 觸點(diǎn)式彈性?xún)?nèi)接觸結(jié)構(gòu)

最近我們開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)車(chē)高壓連接器觸點(diǎn)式彈性?xún)?nèi)接觸結(jié)構(gòu)［4］，包括彈性接觸環(huán)（圖5）、圓柱接觸頭和插座主體，彈性接觸環(huán)固定在插座主體內(nèi)后與圓柱接觸頭對(duì)接，彈性接觸環(huán)為開(kāi)口管結(jié)構(gòu)，開(kāi)口管結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)均勻分布有弧形凸點(diǎn)，彈性接觸環(huán)沿管軸方向設(shè)有線(xiàn)縫。彈性接觸環(huán)的開(kāi)口管直徑為3~16 mm，弧形凸點(diǎn)半徑為0.5~1 mm，弧形凸點(diǎn)高度為0.2~0.5 mm。

圖4 彈性插孔接觸件

該結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，性能可靠，多觸點(diǎn)彈性接觸結(jié)構(gòu)接觸電阻低，能夠達(dá)到LV215高壓連接器的接觸電阻要求。

馮紀(jì)兵［5］在激光鏤空的連接管內(nèi)壁上設(shè)置了多個(gè)陣列凸點(diǎn) （圖6），能夠穩(wěn)定地獲得多觸點(diǎn)正壓力，保證了接觸的可靠性。

圖5 多觸點(diǎn)彈性接觸環(huán)

圖6 具有陣列凸點(diǎn)的鏤空連接管

5 片簧接觸結(jié)構(gòu)

彭易平等［6］發(fā)明了一種片簧接觸結(jié)構(gòu) （圖7）。該結(jié)構(gòu)包括C型或環(huán)型設(shè)計(jì)的主體部分及成型在主體上的若干簧片，簧片設(shè)有朝向主體部分的軸心的接觸片，簧片沿主體的軸向方向至少設(shè)有兩排，相鄰兩排軸向方向錯(cuò)位設(shè)置，取得了更好的彈性和耐插拔能力。

6 新型的圓柱形冠簧

最近我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的圓柱形冠簧［7］，包括設(shè)置在圓柱形冠簧兩端的上端帶和下端帶，以及設(shè)置在上端帶和下端帶之間的若干簧片，每個(gè)簧片上具有向圓柱形冠簧軸向延伸的接觸部 （圖8）。該技術(shù)方案具有更多的接觸點(diǎn)，可以有效降低接觸電阻，且簧片向內(nèi)的凸起分為多層，在插針插入過(guò)程中可以分層和插針接觸，有效降低插針的插拔力。

圖7 片簧接觸結(jié)構(gòu)

圖8 新型的圓柱形冠簧

7 彈性高壓插頭

以上無(wú)論哪種接觸結(jié)構(gòu)都是通過(guò)中間介體形成了二次接觸，并非插頭和插座的直接接觸，增加了風(fēng)險(xiǎn)。我們開(kāi)發(fā)的彈性高壓插頭 （圖9） （專(zhuān)利已受理）在插頭接觸端的線(xiàn)性彈性接觸片可以與插座直接形成線(xiàn)性接觸保證了插頭插座的良好接觸，不需要冠簧等中介體。通過(guò)不銹鋼環(huán)狀開(kāi)口線(xiàn)性彈片嵌入到線(xiàn)性彈性接觸片下面，提高了線(xiàn)性接觸彈片的抗疲勞能力，延長(zhǎng)了使用壽命。采用銀鎳、或銀鎳納米石墨片、或銀鎳碳納米管復(fù)合鍍層代替常規(guī)的銀或金鍍層，提高了鍍層的硬度和耐磨性，增加了高壓端子的插拔次數(shù)。在高壓花瓣插座的基礎(chǔ)上，把插頭表面做成牙型螺紋［8］，同樣在不需要中間介體的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)插頭與插座的線(xiàn)性接觸來(lái)保證高壓連接器接觸的可靠性。

圖9 彈性高壓插頭

8 結(jié)論

總之，高壓連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種趨勢(shì)。一種是由原來(lái)低壓的面接觸改為高壓下雙螺旋曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)、線(xiàn)簧結(jié)構(gòu)、多孔耐磨結(jié)構(gòu)、片簧接觸結(jié)構(gòu)、彈性插孔結(jié)構(gòu)的線(xiàn)接觸以增加接觸面積，降低接觸電阻，提高載流能力。而另一種則是采用多觸點(diǎn)接觸環(huán)、具有陣列凸點(diǎn)的鏤空連接管、新型的圓柱形冠簧直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸來(lái)降低接觸電阻，提高載流能力。彈性高壓插頭則可以與插座直接形成線(xiàn)性接觸，不需要冠簧等中介體。