對于新能源汽車，國內(nèi)談?wù)撟疃嗟氖恰半姵?、電機(jī)、電控”三電系統(tǒng)的如何發(fā)展和技術(shù)突破，然而實(shí)際應(yīng)用中，還有一個(gè)重要的電氣單元——高壓電氣連接系統(tǒng)?！颈疚淖髡邽闃羌逊?，深耕電動(dòng)力總成數(shù)年，授權(quán)第一電動(dòng)網(wǎng)發(fā)布，謝絕任何形式未經(jīng)許可的轉(zhuǎn)載】

高壓電氣連接系統(tǒng)主要包含高壓線束和連接器，整車故障報(bào)修中，電氣連接系統(tǒng)有一定占比，電連接成為高壓系統(tǒng)中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。

在電氣連接系統(tǒng)中，連接器的質(zhì)量尤為重要，這成為保障電連接安全可靠至關(guān)重要的因素，以下是國內(nèi)外的一些參考標(biāo)準(zhǔn)：

表1 高壓連接器標(biāo)準(zhǔn)

國標(biāo)還未正式發(fā)布，對照國外標(biāo)準(zhǔn)，征求稿的細(xì)則上還是有較大區(qū)別。連接器選型應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)部件使用環(huán)境（如溫度、濕度、海拔等）、安裝位置（振動(dòng)條件、體積結(jié)構(gòu)、密封等級(jí)要求）、載流特性、成本核算等合理選擇產(chǎn)品。對高壓連接器的理想期望，希望產(chǎn)品有較高的安全防護(hù)等級(jí)、高耐溫、大載流、低功耗、抗油脂、體積小、輕量化、長壽命周期且低成本。

1. 安全防護(hù)

連接器的安全防護(hù)主要指電氣性能滿足設(shè)計(jì)要求，如絕緣、耐壓、電氣間隙、爬電距離、防呆、防觸指（端子周圍加絕緣材料，高出端子高度或者端子加塑料帽）設(shè)計(jì)等符合規(guī)定要求，除了以上性能，應(yīng)用時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注連接器HVIL和密封防護(hù)、EMC性能。

1）高壓互鎖（High Voltage Interlock）

高壓互鎖是通過使用電氣信號(hào)，可以確認(rèn)高壓系統(tǒng)連接的完整性，也可以作為蓋板打開檢測。

高壓連接器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮插拔過程中的高壓安全保護(hù)，如斷開時(shí)，HVIL首先斷開，后斷開高壓端子；而接合時(shí)則相反。連接器HVIL在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一般有內(nèi)置式和外置式（見圖1），由于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)緊湊體積較小，目前普遍使用內(nèi)置式，高壓互鎖回路安裝在高壓端子之間。在應(yīng)用中，部分內(nèi)置式連接器缺少互鎖裝置的CPA（Connector position assurance），如果連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不好，在某些惡劣的條件的，部分供應(yīng)商的產(chǎn)品由于互鎖裝置位移會(huì)導(dǎo)致互鎖信號(hào)的不連續(xù)性，給車輛調(diào)試及安全駕駛帶來不必要的問題。

圖1 HVIL示意圖

在實(shí)際使用的過程中，HVIL回路主要通過信號(hào)（如電平、PWM信號(hào)）注入法檢測，失效模式主要考慮HVIL電路故障短路（包含對電源、對地短路，采用電平檢測，存在系統(tǒng)可能無法正確判斷的風(fēng)險(xiǎn)）或斷開（產(chǎn)品需確保互鎖裝置不位移）。

另外，連接器選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮連接器HVIL裝置接觸電阻及線束回路電阻，避免由于信號(hào)壓降造成的HVIL檢測失效。

2）防護(hù)等級(jí)要求

高壓連接器密封一般要求至少達(dá)到IP67，在汽車一些特殊場合選型時(shí)甚至要求IP6K9K，以保證即便在高壓沖洗時(shí)也滿足使用要求。

目前產(chǎn)品防護(hù)要求及驗(yàn)證方法主要參考GB4208，把部件或連接器放置于水箱1m深處，以檢測其防護(hù)等級(jí)IP67是否通過（見圖2），但在實(shí)際使用中，這一點(diǎn)是否能模擬車輛的實(shí)際工況上值得商榷。

圖2 密封測試

車輛的實(shí)際工況需要經(jīng)歷疲勞荷載，面臨材料老化問題（見圖3）。比如，長期面臨振動(dòng)條件；極端天氣下，需面對極寒極熱情況；涉水時(shí)，水分中含有其他雜質(zhì)，需應(yīng)對腐蝕性等情況。為保障全生命周期內(nèi)產(chǎn)品性能，實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，重要的是在車輛接近壽命尾聲時(shí)，密封情況的好壞。

圖3 車輛嚴(yán)酷的使用環(huán)境

連接器在實(shí)驗(yàn)室的浸水防塵測試，無法完全模擬車輛連接器的實(shí)際環(huán)境。將連接器產(chǎn)品先經(jīng)過機(jī)械疲勞、振動(dòng)、熱沖擊、鹽霧等測試后，再進(jìn)行IP67測試，可以盡可能完整地預(yù)估系統(tǒng)生命終期的密封性能。

另外，值得注意的是，密封材料一般為橡膠材質(zhì)，本身面臨壽命衰減，目前連接器產(chǎn)品應(yīng)用中缺少有效的風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也需要考慮如何預(yù)防因密封材料壽命衰減帶來的問題。

如果產(chǎn)品全生命周期內(nèi)可以保證密封性能，連接器密封在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，主要考慮以下幾點(diǎn)：連接器和部件之間（主要涉及部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制）、連接器和電纜之間（產(chǎn)品保證密封圈位置限位不移動(dòng)及線束生產(chǎn)時(shí)控制裝配準(zhǔn)確性）、連接器公母端之間（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝及裝配的完整性）。

3）EMC

由于新能源汽車使用大量電力電子器件，高壓和大電流產(chǎn)生的電磁場，會(huì)對其他的通訊設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，整車和零部件必須要有抗干擾和抗輻射的能力。

高壓電氣連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求連接器具備360°屏蔽層，并有效地和電纜屏蔽層連接，屏蔽層覆蓋整個(gè)連接器長度，以保證足夠的屏蔽功能，并盡量減少屏蔽界面之間的電阻，在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，屏蔽連接接觸電阻＜10mΩ。

對于由塑料制成的高壓連接器，屏蔽須用金屬面來實(shí)現(xiàn)。

2. 連接器耐溫、功耗

連接器（主要指其中的接觸件）超過規(guī)定使用溫度限值，連接器會(huì)因發(fā)熱降低安全特性，甚至失效損壞。造成連接器溫升增高的主要原因如下：

1）環(huán)境因素，布置位置易受高溫影響或處于熱量集中的密封艙內(nèi)，在避免不了其布置位置的情況下，選型時(shí)也需要對連接器的耐溫進(jìn)行考慮（如標(biāo)2）。

表2 連接器工作溫度范圍

2）連接器自身發(fā)熱，影響因素主要為插合接觸件的接觸電阻功耗發(fā)熱或壓接不良。

連接器電性能重要的衡量指標(biāo)為連接器之間的接觸電阻，接觸電阻越小，則電壓降越小，意味著電損耗越低，也意味著溫升較低，連接端子可以獲得較高的使用壽命。

接觸件受熱后將影響鍍層，或在接觸區(qū)域形成絕緣薄膜層，增大接觸電阻，進(jìn)一步加劇溫升，形成惡性循環(huán)。

連接器受熱超過限值，熱失效嚴(yán)重時(shí)線束燒毀，且將導(dǎo)致絕緣材料產(chǎn)生化學(xué)分解，降低絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)有可能出現(xiàn)連接器正負(fù)極柱間因絕緣材質(zhì)熱熔后擊穿短路現(xiàn)象。

參照大眾VW80834標(biāo)準(zhǔn)，連接器接觸電阻不能超過表3的限值：

表3 連接器接觸電阻范圍

連接器線纜壓接完整后，接觸電阻計(jì)算公式如下：

Rtotal=Rcrimp1+Rcontact+Rcrimp2

圖4 連接器接觸電阻示意圖

a）一般而言，線束壓接外包給選配的連接器廠家代工，可以更好地保障連接器壓接可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，連接器熱失效大部分由于線束壓接不良，如壓接比率不足，導(dǎo)致飛邊壓接，或者壓接比率過剩，導(dǎo)致壓接不完全。

圖5 連接器線束壓接比率區(qū)間

表4 壓接拉拔力強(qiáng)度要求

b）連接器的界面結(jié)構(gòu)，如材質(zhì)/鍍層種類及它的純度、厚度、幾何形狀等決定了連接器的性能，包括接觸電阻、插拔力和插拔壽命。

圖6 連接器結(jié)構(gòu)示意圖

高壓連接器端子接觸件結(jié)構(gòu)主要有開片式、冠簧式、扭簧式、表帶式等（如圖7），不同的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了電接觸方式（面接觸、線接觸和多點(diǎn)接觸），選用何種形式需要根據(jù)連接器的應(yīng)用場合決定。對于經(jīng)常插拔式連接器，根據(jù)并聯(lián)分流原理，利用載流橋數(shù)量多少以達(dá)到降低接觸電阻的目的。

圖7 扭簧式、表帶式連接端子

連接器鍍層一般選擇接觸電阻較低的銀（如表5），不同廠家產(chǎn)品鍍層厚度各不相同（鍍層太薄磨損厲害，太厚鍍層附著力不足），選用時(shí)需根據(jù)考慮不同的適用場合，如室內(nèi)/室外、是否需要頻繁插拔等。比如充電連接器，實(shí)驗(yàn)室插拔試驗(yàn)可滿足國標(biāo)規(guī)定的10000次目標(biāo)，但在戶外實(shí)際使用條件下，首先面臨的環(huán)境條件比實(shí)驗(yàn)室惡劣（如潮濕、炎熱、粉塵等）；其次，人員操作是否規(guī)范具有隨機(jī)不確定性。若使用或維護(hù)不當(dāng)，充電連接器局部鍍層將磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)“漏銅”現(xiàn)象，使用中將產(chǎn)生銅銹，導(dǎo)致有效的載流面/點(diǎn)減少。

表5 金屬材質(zhì)導(dǎo)電特性

另外，連接器選型應(yīng)用中，還應(yīng)關(guān)注連接器端子的結(jié)構(gòu)形式，如插件端子以90°直角連接，則應(yīng)避免選用螺紋連接的結(jié)構(gòu)形式。此種結(jié)構(gòu)形式，螺紋齒紋配合精度要求非常緊密，但在螺紋加工以及線束裝配過程中，無法避免不完全連接接觸。尤其是大電流端子連接，長期使用中，端子螺紋齒口會(huì)由于局部過熱，連接器面臨熱失效風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于此點(diǎn)，也可參見大眾制訂的VW80304-2013標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電纜出線以180°、90°方式，直角90°方式下，不允許螺紋連接。

圖8 直角90°螺紋連接端子

3. 連接器壽命、成本

對于連接器性能壽命要求，大眾汽車標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：乘用車開發(fā)項(xiàng)目必須保證全功能能力生命周期：至少15年或300000Km（≥8000h動(dòng)作+30000h充電），商用車須保證至少15年或1000000Km。

連接器選型過程，產(chǎn)品成本不應(yīng)是第一考慮因素，只有在滿足性能要求基礎(chǔ)上，降本增效才有可能，除非愿意以犧牲整車高壓電氣連接可靠性為代價(jià)。當(dāng)然，為保證產(chǎn)品性能，選型中也應(yīng)避免結(jié)構(gòu)和規(guī)格的過度選配，造成產(chǎn)品成本的提升。

總結(jié)：

高壓電氣連接系統(tǒng)涉及電氣架構(gòu)及安全，連接器產(chǎn)品關(guān)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

產(chǎn)品的性能決定于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)被優(yōu)化到極致，產(chǎn)品性能的競爭就是基礎(chǔ)材質(zhì)與物理研究的競爭。在產(chǎn)品選型應(yīng)用中，如果不掌握連接器界面材質(zhì)，不了解連接器的失效機(jī)理，就無法科學(xué)評估連接器的可靠性。對于1000V高壓系統(tǒng)的熱點(diǎn)討論，對連接器提出了更高的性能要求。

撰稿 樓佳烽

作者深耕電動(dòng)力總成數(shù)年，目前為某車企該領(lǐng)域負(fù)責(zé)人，文章僅代表作者本人觀點(diǎn)，與所在公司無關(guān)。本文授權(quán)第一電動(dòng)網(wǎng)發(fā)布，謝絕任何形式未經(jīng)許可的轉(zhuǎn)載

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