谈一谈电动汽车高压连接器的设计功能

2022-11-24 16:18:25

新能源汽车发展到现在,各个电气模块均已取得较大的技术突破,但截至目前我们国内尚未制定、发布高压大电流连接器相关的技术规范。赛川电子主要针对欧标中关于电动汽车高压连接器的相应规范进行梳理,概述电动汽车高压连接器的设计功能项。

高压大电流连接器是电动汽车电力传输系统中的关键零部件,其主要功能项大致分电气性能、机械性能和环境性能三类。

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0 开发框架


乘用车高压连接器需保证至少15年(≥8000 h运行寿命+30000 h充电寿命)或至少30万公里,同时考虑到客车的其他特定要求。

商业车高压连接器需保证至少15年以上且不低于100万公里,同时考虑到客户指定的操作条件。

高压连接器的设计必须确保在不进行任何维护、正常使用的情况下,保证车辆的整个生命周期。

另外,高压连接器需满足在预期的操作条件下(热、冷、湿度、振动、与介质接触、电流负载、电压负载等)的运行可靠性,并在相应的空间中进行设计。

高压连接器一般最大额定电压为850V DC(额定电压需保证海拔4000米以上),并保证满足-40°C~140°C的工作温度要求。

此外,高压连接器所有零部件原材料的选择,需满足汽车行业报废标准的相关要求。

注:随着整车对大概率的功能需求,最大额定电压或将继续提升。

1 电气性能

1.1 额定电压

额定电压即高压连接器能够长时间正常工作时的电压。额定电压是高压连接器最核心的功能项之一,它与额定载流决定了高压连接器的动力传输能力,同时也决定了产品的绝缘防护级别。

注:额定电压是绝缘材料电极化的主要因素之一。


1.2 冲击电压

通常根据产品工况的最大额定电压,以及过电压类别作为其瞬态冲击电压值的依据。


1.3 绝缘防护

绝缘防护的作用是防止不等电位的带电元器件的短路造成对物、人的伤害。

在产品设计中,一般综合产品使用工况以及产品绝缘材料的选型后,最终归结为爬电距离和电气间隙的取值来量化,所以爬电距离和电气间隙是产品绝缘防护设计的两个重要因素。

注:行业中通常会有人对平台型、系列型产品,用过往经验“拍脑袋”的方式将“爬电距离”、“电气间隙”设为定值,其实是陷入了误区。


1.4 爬电距离

爬电距离是两个不等电位的导电元件之间沿绝缘表面的最短路径。长期工作导体周围的绝缘材料会被电极化,从而导致绝缘材料呈现带电现象,所以爬电距离的设计尤为重要。

爬电距离的主要影响因素是额定电压、污染等级、材料类别。

注:如果对爬电距离的定义不够明确,可这样理解:一只蚂蚁沿着两个不等电位元件之间绝缘材料的表面,所走的最短路径。


1.5 电气间隙

电气间隙是指两个不等电位导电元件间的最短空间路径。电气间隙和绝缘材料的电极化现象无关,主要为规避冲击电压所引起的电击穿现象。

电气间隙的主要影响因素是冲击电压、电场类型、污染等级、材料类别、海拔气压等。

注:如果对电气间隙的定义不够明确,可这样理解:一只带有翅膀的飞虫在两个不等电位元件之间所飞行的最短路径。


1.6 额定载流

额定载流即高压连接器长期正常工作时所传输的电流值。额定载流是高压连接器最核心的功能项之一,它与额定电压决定了高压连接器的动力传输能力,同时也决定了产品热失效的风险级别。

注:通常情况下,电力元件自身均有电阻,额定载流工况下会把一部分电能转换为热能,其热能转换功率与额定载流呈现2次方关系。


1.7 接触电阻

高压连接器的接触电阻通常由其内部导电端子的压接电阻、端子体电阻、针孔接触区域的收缩电阻等几部分组成。

注:额定载流工况下电能向热能的转换功率与接触电阻呈正比例关系。


1.8 电磁屏蔽

为避免高压连接器内部的高压大电流产生的电磁场干扰信号传输的稳定、准确性,通常需要对高压连接器执行电磁屏蔽设计。

注:高压连接器的电磁屏蔽功能要旨在于:不去伤害他人(信号传输系统)。


1.9 高压互锁

高压互锁简称HVIL,即Hazardous Voltage Interlock Loop的简称。

高压互锁是指,用低压信号监视高压回路完整性、连续性的一种安全设计方法。

此外,高压互锁功能集成在高连接器中,需确保当高压接插件连接或断开时,HVIL电路先断后连,中间保持必要的时间差。

注:高压互锁与电连接接插件先后顺序的时间差可根据具体情形确定,大体在150ms这个量级,目的在于规避系统反馈延迟,带电拔脱时的瞬间高压对产品或操作者造成伤害。

2 机械性能

2.1 接口及框架尺寸

供需双方需明确接口尺寸,且高压连接器的设计必须使各相不能以任何方式彼此混淆(比如增加机械防错、颜色标识、键位标识等特征的设计)。此外需明确电缆的出线方式等其他产品信息。


2.2 机械寿命

在车载大三电、小三电模块的电力传输系统中,高压连接器的机械寿命要求不高,通常为50~100次,

注:在充电接口的应用上,欧美标以及国标均要求产品具备10000次机械寿命,这对高压连接器、尤其对导电端子的综合性能具备比较高的挑战性。


2.3 插拔力

高压连接器的产品插拔力通常要求不得超过100N,如超出100N则有必要增加适当的辅助装置,如滑梯或杠杆机构等。

其中导电端子的插拔力是产品插拔力的主要组成部分,低插拔力的导电端子有助于实现连接器产品更便捷、可行的插拔操作。

注:众所周知接触电阻随正向力加大而降低,在具备较低接触电阻的同时具备较低的正向力、插拔力。是对导电端子比较大的挑战。


2.4 保持力

高压连接的对配保持力,以及塑胶件对导电端子的保持力都是重要的考量因素。行业上较多的高压连接器卡扣保持力缺乏量化、卡扣存在扭矩等缺陷,具备较大的优化空间。


2.5 二级锁扣

高压连接器需具备二级锁紧机构,二级锁紧机构需要一定的启动力(通常要求不大于40N),主要目的是让高压连接器不会因运输、搬运等外力因素而意外开启。


2.6 防错及标识

如上文“接口及框架尺寸”中所述,高压连接器需具备机械防错功能,即满足插头、插座错插一定力值(防错力>3倍的插入力,通常至少80N),而端子不会受到任何形式的损坏。

除此之外,通常还需具备颜色标识、键位标识等的防错设计。

注:通常高压连接器采用橙色进行标识,比如色卡号类似RAL2003。


2.7 振动、冲击性能

高压连接器的设计必须满足一定的机械负载。一般情况下,需满足振动等级3。


2.8 压接强度

高压连接器端子与线缆需满足一定压接强度,以长期保持在温度循环工况下稳定的压接电阻,同时规避微端线缆的振动、摆动等惯性力造成压接脱离。

3 环境性能

3.1 触摸防护

在高压连接器未对配状态及对配状态,需满足IPXXB、IPXXD的防护要求,以避免操作者误触带电体而受到损伤(有兴趣的可详查相关资料)。


3.2 密封防护

高压连接器在对配状态,通常需满足IP6K9K、IPX7等级的密封要求(充电接口在单体或对配状态,通常要求满足IP54/IP55密封等级的要求)。


3.3 耐盐雾

高压连接器在对配状态,通常需满足IEC_60068-2-52或GB/T 2423.18中交变盐雾试验、严酷等3的腐蚀要求。


综上:

1.高压连接器的电力传输功率取决于高压连接器所能承载的额定电压、导电端子的额定载流。

2.电路中高压风险的规避能力取决于高压连接器的绝缘防护设计。

3.热失效风险的规避能力取决于导电端子长期、稳定地保持低电阻的能力。

4.高压连接器的其他功能项的可靠性也至关重要,并具备一定的优化空间。


所以,高性能、高可靠性的高压大电流连接器,与其结构件的优化设计、高性能的导电端子密不可分。赛川电子高压连接器及线束经过十余年的宇通客车装车实况应用,沉淀了丰富的汽车电连接系统定制化配套经验。在新能源汽车方面,我司产品经过整车严格的实验室和路跑测试,在终端车辆运行中保持着稳定、可靠和耐久的表现;


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