基于溫升試驗的載流銅排與接觸器連接結構優化

孔軍廷

(廣東松山職業技術學院 機械工程學院，廣東 韶關 512126)

0 前言

銅排因導電、導熱性能良好而被廣泛用于新能源汽車上，特別是高壓電控系統、動力電池組、電機等部件內部或之間的搭接。對于銅排連接，有電流流過時金屬內阻和搭接接觸界面接觸電阻都會產生焦耳熱，而過高的溫度容易致使接觸器、銅排和箱體內部其他零件加速老化、損壞，如圖1所示。

圖1 某電動汽車高壓直流接觸器過熱燒蝕現象

目前，研究銅排及其連接器的接觸電阻、溫度變化的方法有三種：第一種是基于傳熱學原理，建立熱路模型進行熱路計算的解析算法；如北京郵電大學的王強[1]運用熱分析理論知識對單個銅排進行穩態散熱和對流散熱系數的計算分析；申正寧[2]通過Greenwood-Willianmson接觸模型進行了接觸電阻計算；該方法不足之處在于計算結果存在大量假設，準確度不高，只能用于理論研究。第二種是根據研究對象實際結構參數、材料物性建立有限元分析模型模擬復雜運行工況，將理論分析與數值計算相結合，運用數值傳熱學進行熱分析計算和溫度場計算的數值算法；王強[1]、申正寧[2]、薛衛[3]等運用Ansys軟件對銅排進行仿真分析，研究了不同條件下銅排的散熱能力和溫升影響因素；有限元方法不足之處在于計算結果的精度取決于網格劃分精度，和計算機運行能力。第三種是模擬現場運行工況搭建試驗平臺進行試驗研究，試驗法操作簡單、精度高、數據可靠；龔宇佳[4]用試驗方法測試了不同搭接面積銅排試品在不同扭矩下的接觸電阻。吳楠等[5]從圓柱形銅排間不同扭矩與接觸面積關系的壓痕試驗入手，研究了接觸面積與接觸電阻的關系。檀英輝[6]針對電容器組內部軟銅排與匯流母排連接處發熱的原因，提出相應的處理措施，并從設計、安裝、運行、檢修四個角度對連接處進行改進。

本文選用操作簡單、精度高、數據可靠的試驗法，以電動汽車高壓系統載流銅排與高壓直流接觸器連接為研究對象，參照車輛現場應用環境，搭建一種易于實現的載流銅排與高壓直流接觸器連接的溫升試驗方法，通過設置銅排材質變量和連接結構幾何尺寸變量，探究銅排橫截面積、裝配孔結構尺寸與溫升的關系，進而從設計角度提出銅排或高壓直流接觸器連接結構優化建議，應對接觸器燒蝕或變色現象。

2 溫升試驗

2.1 試驗環境

實測某電動汽車正常工作時配電箱內的環境溫度在50～70 ℃之間，故將銅排與高壓直流接觸器連接整體放置在60 ℃的半封閉式恒溫箱內，整個試驗過程無陽光直射和其他影響環境的熱源。

2.2 銅排選擇與連接

電動汽車配電箱或電池組內銅排大量使用，本文試驗選用銅排選自整車銅排部件供貨商，溫升試驗中銅排材質與規格型號按照表1選取。

表1 不同規格型號的銅排設置

結合電動汽車配電箱內銅排與接觸器連接的實際情況，將接觸器分別與不同方案的銅排連接一起，進行絕緣處理后置于恒溫箱內。依據某高壓直流接觸器產品說明書，采用設置規定扭緊力矩的扭力扳手對連接螺栓進行緊固，如圖2所示。

圖2 接觸器與銅排螺栓連接

2.3 熱電偶的固定

將TM-902C熱電偶溫度計焊頭采用鋁箔紙粘貼到接觸器外殼，粘貼位置應遠離兩個接線端子且處于接觸器殼體中間部位。

2.4 紅外熱成像儀

根據《帶電設備紅外診斷技術應用導則》DLT664-1999要求使用熱成像儀。試驗開始前，將熱成像儀Flir E6放置在接觸器與銅排連接處的正前方約30 cm處，進行內部溫度校準，打開高溫追蹤，設置輻射率為0.9。

2.5 數據采集與記錄

用高壓線纜按照串聯電路原理連接帶控制系統的直流電源、銅排、高壓直流接觸器和負載柜。控制接觸器閉合，待系統正常運行后，熱機3～5 min，調節負載柜功率，使串聯電路以430 A的放電電流穩定運行1小時。測試過程中，每隔5 min熱成像儀采集一次銅排與接觸器溫度情況，萬用表采集一次接觸器前后兩端電壓差值，鉗流表采集一次電池輸出電流，記錄一次熱電偶采集的接觸器殼體表面溫度。

3 試驗結果分析

3.1 銅排連接下的高壓直流接觸器內部接觸阻值及溫度

根據歐姆定律和測量數據，繪制接觸器接觸阻值隨測試時間變化情況如圖3所示。

圖3 高壓直流接觸器接觸阻值及表面溫升

由圖3可知，接觸器殼體溫度隨試驗時間緩緩上升并趨于穩定，與鍍銀軟銅排和紫銅連接時接觸器最高溫度值分別為64 ℃和67 ℃；接觸器內部接觸電阻值隨著溫度的升高而緩緩降低并趨于穩定，高壓直流接觸器本身發熱最大功率出現在試驗開始的早期階段，此時整體溫度較低；對比紫銅排和鍍銀軟銅排，二者對高壓直流接觸器接觸電阻的影響和減小接觸器內部溫升角度來看，鍍銀軟銅排優于紫銅排。

3.2 高壓直流接觸器與銅排連接下的溫度分布

熱成像儀采集到接觸器與銅排連接的溫度分布云圖如圖4所示(以方案1為例)。

圖4 高壓直流接觸器與方案1銅排連接溫度分布云圖

分析載流銅排與高壓直流接觸器的溫度分布云圖可知，在平穩運行條件下，恒溫箱內的接觸器與銅排的溫度隨運行時間均出現快速升高后趨于穩定的現象；溫升進入穩態后，銅排溫度一直高于接觸器的溫度值，最高溫度點位于銅排與接觸器兩接線端子附近，溫度最大值高達130 ℃。

3.3 高壓直流接觸器與不同規格參數銅排連接下的溫升

結合四種銅排的溫升試驗結果，繪制銅排溫升曲線如圖5所示。

圖5 溫升試驗下不同規格參數銅排的溫度變化

由圖5可知，方案1中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為20 mm的長圓孔，孔徑為10 mm，銅排截面積為175 mm2，測得銅排最高溫度穩定在130 ℃；方案2中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為孔徑10 mm的圓孔，銅排截面積為175 mm2，測得銅排最高溫度穩定在122 ℃；方案3中與接觸器連接的銅排為鍍銀軟銅排，銅排兩端為孔徑10 mm的圓孔，銅排截面積為175 mm2，測得銅排最高溫度穩定在114 ℃；方案4中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為20 mm的長圓孔，孔徑為10 mm，銅排截面積為175 mm2，測得銅排最高溫度穩定在97.6 ℃。

對比方案1、2可知，橫截面積和材質相同條件下，增大紫銅排與接觸器配合的接觸面積，穩態載流紫銅排表面最高溫度的溫度會降低。對比方案2、3可知，銅排橫截面積相同、銅排與接觸器配合的接觸面積相同時，載流鍍銀軟銅排的穩態最高溫度會比普通紫銅排低16 ℃左右。對比方案1、4可知，高壓直流接觸器與銅排接觸面積相同和材質相同的情況下，增大銅排橫截面積，銅排最高溫度會降低，銅排截面積增加28.6%，銅排溫度降低26.2%。

4 結論

銅排是新能源汽車不可或缺的器件，其安全、穩定、可靠性能關系人們的生命財產安全。本文參照某新能源汽車配電箱內高壓直流接觸器與銅排連接設計試驗，通過試驗研究電動汽車高壓電氣系統中銅排和高壓直流接觸器載流狀態下，銅排類型、銅排與高壓直流接觸器的連接處結構尺寸與溫升的關系：

(1)載流的高壓直流接觸器內部接觸電阻值隨著溫度的升高而緩緩降低并趨于穩定；銅排材質對接觸器本身的溫度變化略有影響，相對于紫銅排，鍍銀軟銅排更有利于降低接觸器本身的溫度。

(2)通過紅外熱成像儀可以看出，螺栓連接下的高壓直流接觸器和銅排，兩者表面最高溫度存在差異，接觸器自身的表面溫度值明顯低于銅排，說明載流銅排是主要的發熱元件。

(3)接觸器與銅排連接的結構設計，選擇材質與工藝優良的銅排，增大銅排橫截面，設計尺寸緊湊的圓形連接孔均有助于減少銅排的發熱，降低銅排表面最高溫度。