新能源汽車高壓連接器可靠性研究

劉昕偉　周美玲　陳劍美 張義偉　朱慶芹

摘 要：近幾年，隨著國家倡導(dǎo)綠色發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，我國新能源汽車保有量的快速增長，新能源汽車安全問題愈發(fā)得到人們的重視。要保證汽車在任何環(huán)境和條件下都能正常運(yùn)行，這對汽車所有零部件的質(zhì)量和性能提出了更高的要求，新能源汽車高壓連接系統(tǒng)中，往往都應(yīng)用大量了高壓連接器，每一輛新能源電動汽車上所使用電連接器數(shù)量將達(dá)到600～1500只，故連接器對整個新能源汽車的質(zhì)量保證起著舉足輕重的作用。連接器一旦失效，后果十分嚴(yán)重，汽車溫度局部升高或發(fā)生燃燒事件，甚至出現(xiàn)交通意外。本文從新能源汽車用的高壓連接器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢基礎(chǔ)上，對高壓連接器的失效分析和性能指標(biāo)做了概述，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 高壓連接器

1 高壓連接器在新能源汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用

連接器是電子設(shè)備中不可缺少的元器件之一，起到傳遞電流或信號的作用。連接器形式和結(jié)構(gòu)各不相同，可應(yīng)用于不同的場所[1]。新能源汽車用高壓連接器中接觸件是其核心部件，通過插針護(hù)套和插孔護(hù)套間的接插、配合，可實(shí)現(xiàn)信號接通和導(dǎo)電的功能[2];絕緣體和外殼主要起固定、絕緣和機(jī)械保護(hù)作用。新能源汽車中，高壓連接器遍布于整車、充電設(shè)施上。新能源汽車高壓系統(tǒng)中高壓連接器的電壓等級比傳統(tǒng)高壓大電流連接器相更高，連接器使用工況更為復(fù)雜多變，對于維修和使用者來說人身危險系數(shù)大大增加，因此，對連接器的各方面性能提出了更高的要求;除此，高壓連接器產(chǎn)品的絕緣、防護(hù)要求等也提出了更高的要求。高壓連接器產(chǎn)品的質(zhì)量和精度直接影響到連接器的電氣、機(jī)械、環(huán)境等性能，進(jìn)而影響電動車輛的行車安全。

2 高壓連接器發(fā)展過程

隨著發(fā)展綠色交通系統(tǒng)和節(jié)能環(huán)保的提出，國家技術(shù)加快新能源汽車的推廣和使用。國家的政策導(dǎo)向，決定了連接器的發(fā)展方向[3]。2008年左右，在當(dāng)時的工業(yè)連接器基礎(chǔ)上改進(jìn)而出現(xiàn)了第1代高壓連接器。第1代高壓連接器產(chǎn)品以金屬殼體為主，不具備高壓互鎖功能，而且防誤插入效果一般。如全球TOP2的連接器制造商美國安費(fèi)諾集團(tuán)HV系列的金屬連接器。第2代高壓連接器在第1代高壓連接器基礎(chǔ)上增加了高壓互鎖功能，連接器的外殼材料由金屬變?yōu)樗芰稀５?代高壓連接器，即塑料+屏蔽功能+高壓互鎖的高壓連接器。這類產(chǎn)品是通過操作順序來實(shí)現(xiàn)部分二級解鎖功能，如泰科電子/美國安費(fèi)諾/蘇州智綠及國內(nèi)新一代產(chǎn)品。逐漸的出現(xiàn)了塑料+屏蔽功能+高壓互鎖+二級解鎖的第4代高壓連接器。如泰科電子/蘇州智綠為代表的一系列產(chǎn)品，第4代高壓連接器具備特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)二級解鎖功能，安全系數(shù)大大提高。相對第4代產(chǎn)品，未來一代高壓連接器要解決的問題是如何通過冷卻方式來有效提高傳輸能量密度，降低質(zhì)量，提高產(chǎn)品綜合性能[4]，如配合大功率充電帶液冷、風(fēng)冷的方式。

在節(jié)能與環(huán)保、低碳出行的大環(huán)境下，新能源汽車向輕量化及小型化轉(zhuǎn)變，汽車的輕量化和小型化必然帶動新能源連接器走向小型化和輕量化，例如引入更小尺寸的高性能銅合金導(dǎo)線做為信號傳輸線，設(shè)計高性能端子來降低小功率傳輸導(dǎo)線尺寸，將連接器中傳輸較大功率的大線徑銅導(dǎo)線替換為鋁導(dǎo)線使得端子和接觸件系統(tǒng)向微型化發(fā)展[5]。

3 汽車高壓連接器失效分析及性能檢測

3.1 高壓連接器失效分析

現(xiàn)場使用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，汽車高壓連接器的失效模式和占比為：電接觸失效，占45%，絕緣失效，占20%，機(jī)械聯(lián)結(jié)失效，占17%，其他失效模式，占18%[6]。

汽車高壓連接器可靠性的典型影響因素包括：生熱（工作溫度），改變接觸狀態(tài)，加速腐蝕，應(yīng)力松弛;腐蝕，會導(dǎo)致接觸電阻上升、連接失效;振動，會產(chǎn)生微動磨損，導(dǎo)致瞬斷;摩擦磨損，會破壞防腐蝕鍍層，改變機(jī)械配合狀態(tài)等。使用故障樹法對汽車高壓連接器進(jìn)行失效模式分析，汽車連接器的故障樹如圖1所示。

其中底事件為：1插孔應(yīng)力松弛、彈性疲勞：2振動;3高溫;4長期負(fù)載;5有害氣體硫化或氧化;6潮濕;7電化學(xué)反應(yīng);8接觸件相對運(yùn)動;9焊線槽應(yīng)力集中;10材料變形量大;11接觸件不能自定中心;12絕緣板中混有金屬顆粒;13金屬多余物;14鍍層金屬離子遷移;15灰塵、污物粘附在安裝板; 16電擊穿;17頭與座卡死無法解鎖;18頭與座不能連接;19安裝板開裂;20可焊性差。

通過汽車連接器故障樹分析連接器失效的原因和連接器故障所在，尋求最好的方式降低風(fēng)險。建立故障樹分析法具有效率高、機(jī)理清楚、問題定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)[7]。

3.2 連接器性能要求及檢測

連接器是高壓電氣連接系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，故設(shè)計環(huán)節(jié)和生產(chǎn)過程尤為重要，特別是高功率線路的連接線設(shè)計。為保障高壓連接器的質(zhì)量，在生產(chǎn)下線過程中，要對高壓連接器做一系列的綜合檢測[8]。新能源汽車用高壓連接器一般會包含但不限于以下幾項進(jìn)行測試。第一，電氣性能方面，包括導(dǎo)通測試、接觸電阻、絕緣耐壓、溫升、電流循環(huán)、防觸指、爬電距離及電氣間隙;第二，機(jī)械性能方面，包括壓接抗張強(qiáng)度、跌落、振動、插拔力、保持力、防呆極化;第三，環(huán)境性能防護(hù)，包括等級鹽霧、冷熱沖擊、熱老化、化學(xué)試劑、熱循環(huán)。

4 結(jié)論

高壓連接器作為新能源汽車各連接系統(tǒng)的橋梁，其質(zhì)量好壞、可靠性高低會直接影響新能源汽車整車安全。本文從新能源汽車用高壓連接器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢為基礎(chǔ)，從連接器的失效分析、故障診斷和性能指標(biāo)等幾方面做了介紹。為產(chǎn)品失效研究和設(shè)計提供一定參考。

基金項目：滄州市科技局，新能源汽車高壓連接器失效模式分析及可靠性設(shè)計（192103001）

基金項目：北京交通大學(xué)海濱學(xué)院，水聲通信系統(tǒng)研究及實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計（HBJY19019）

參考文獻(xiàn)：

[1]卞如民.高壓連接器生產(chǎn)中的問題及分析[J].機(jī)電元件，2020，40（04）：30-33.

[2]杜建東，王敏興，朱赫.高溫高壓連接器研發(fā)綜述[J].機(jī)電元件，2020，40（03）：52-55.

[3]蔣偉芳，何浩.QC/T 1067.1—2017標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].汽車零部件，2020（05）：91-94.

[4]佘翔，劉冬梅，何琰萍.新能源汽車高壓互鎖故障分析與排除[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（07）：186-187.

[5]趙鶴鳴. 電動汽車高壓屏蔽線纜與連接器的屏蔽效能研究[D].重慶理工大學(xué)，2020.

[6]周光榮，王嬌嬌，張亮，李曉，未倩倩，陳赫.電動汽車用高壓連接器概述及測試驗(yàn)證[J].汽車電器，2020（03）：6-10.

[7]趙平堂.電動車高壓連接器的內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)[J].汽車電器，2020（02）：11-12.

[8]孫彬.創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，創(chuàng)新引領(lǐng)未來——訪史陶比爾電連接器事業(yè)部高壓開關(guān)行業(yè)經(jīng)理王安謙先生[J].電氣時代，2019（12）：22-24.