基于有限元的高壓線束溫升特性仿真研究

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【摘? 要】為實(shí)現(xiàn)對高壓線束溫升特性的有限元分析，建立高壓線束溫升仿真等效模型并對相關(guān)仿真參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。分別在25℃和45℃工況下對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真，并選取不同的測試點(diǎn)位與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，誤差約為1.2℃，證明基于有限元方法分析高壓線束溫升特性的準(zhǔn)確性和可行性。使用有限元分析法代替試驗(yàn)法研究高壓線束的溫升特性，對加快高壓線束的開發(fā)和提升其安全性具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】FloEFD；高壓線束；溫升；有限元；仿真

中圖分類號：U463.62? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）09-0036-04

Simulation Research on Temperature Rise Characteristics of High Voltage Harness Based on Finite Element

HAN Jianqiang，F(xiàn)AN Lihai，CHEN Wei，GU Qing

（AVIC Jonhon Optronic Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471003，China）

【Abstract】In order to analyze the temperature rise characteristics of high voltage harness by finite element method，the equivalent model of high voltage harness for temperature rise simulation was established and the relevant simulation parameters were calculated.By comparing the simulation results with the actual test results of different points of harness，the accuracy and feasibility of the temperature rise simulation of high voltage harness based on finite elementmethod are approved. The finite element method was used instead of the test method to study the temperature rise characteristics of high voltage harness，which has great significance for speeding up the development of high voltage harness and improving its safety.

【Key words】FloEFD；high voltage harness；temperature rise；finite element；simulation

作者簡介

韓見強(qiáng)（1983—），男，高級工程師，主要從事新能源汽車連接器及高壓線束的設(shè)計(jì)研究。

高壓線束是新能源汽車的重要組成部分，主要承擔(dān)功率傳輸和信號傳輸?shù)娜蝿?wù)，對新能源汽車電路系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要[1]。當(dāng)高壓線束通流時，會因連接器端子接觸電阻、端子導(dǎo)線壓接電阻以及導(dǎo)線金屬導(dǎo)體電阻等多種電阻的存在而產(chǎn)生熱量，從而使高壓線束快速升溫。高溫可能會導(dǎo)致連接器端子的燒蝕或絕緣材料的軟化，進(jìn)而降低高壓線束的絕緣性能，導(dǎo)致電擊穿或引發(fā)短路等嚴(yán)重后果[2-3]。根據(jù)GB/T 37133規(guī)定，高壓連接系統(tǒng)工作時各點(diǎn)最大溫升不允許超過55K[4]。因此，在高壓線束方案設(shè)計(jì)階段，通過對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真分析，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施來降低高壓線束的最大溫升，對于防止高壓線束因溫升過高而造成的損害有著重要的意義[5]。

1? 高壓線束溫升特性研究現(xiàn)狀

目前線束行業(yè)對高壓線束溫升特性的主要研究方法為試驗(yàn)法，即通過溫升試驗(yàn)來驗(yàn)證高壓線束在溫升特性方面的設(shè)計(jì)是否合理有效[6]。通常，可靠的溫升試驗(yàn)需要耗費(fèi)時間和財力進(jìn)行驗(yàn)證，如試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，則需通過反復(fù)的溫升試驗(yàn)來驗(yàn)證優(yōu)化方案，耗費(fèi)時間較長，極易導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度延緩。如果能有效運(yùn)用有限元方法對高壓線束溫升特性進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將有助于高壓線束溫升安全性能的提升，有利于加快項(xiàng)目的推進(jìn)[7]。

因有限元分析法在高壓線束溫升特性仿真分析方面存在一定的困難性和復(fù)雜性，目前行業(yè)內(nèi)使用有限元方法對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真分析的研究較少。而其困難性和復(fù)雜性主要體現(xiàn)在等效仿真模型的建立和合理的仿真參數(shù)設(shè)置等方面。本文結(jié)合高壓線束實(shí)例，研究建立高壓線束等效仿真模型的要點(diǎn)及關(guān)鍵仿真參數(shù)的計(jì)算，并使用有限元方法對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真分析，與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

2? 仿真模型建立與參數(shù)計(jì)算

本文以某車型壓縮機(jī)高壓線束為例進(jìn)行溫升特性仿真分析，該線束兩端使用2個相同的高壓連接器（鍵位不同），兩端連接器之間使用2.5mm²屏蔽導(dǎo)線連接，如圖1所示。

2.1? 仿真等效模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了能有效地對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真分析，對仿真模型進(jìn)行合理優(yōu)化或者重新裝配是十分必要的。以導(dǎo)線線芯為例，通常使用一個直徑均勻的圓柱體數(shù)模進(jìn)行表達(dá)。因此需要根據(jù)導(dǎo)線截面積，計(jì)算金屬線芯的等效圓柱直徑，并計(jì)算導(dǎo)線外護(hù)套的厚度，然后分別對金屬線芯和外護(hù)套進(jìn)行建模裝配，導(dǎo)線外護(hù)套中間的屏蔽層可忽略不計(jì)。

因高壓線束溫升仿真需要進(jìn)行通電流分析，因此仿真模型中連接器插頭和插座的數(shù)模需要參照實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行裝配模擬，特別需確保數(shù)模中連接器插頭和插座的接觸件可以實(shí)現(xiàn)對配接觸，如圖2所示。

高壓線束在參照實(shí)際接觸情況進(jìn)行裝配時需注意以下幾點(diǎn)：①金屬線芯按實(shí)際接觸情況與端子壓接區(qū)進(jìn)行裝配，確保端子壓接區(qū)與導(dǎo)線金屬線芯圓柱面的貼合；②將導(dǎo)線外護(hù)套裝配在導(dǎo)線金屬線芯之上；③導(dǎo)線外護(hù)套可模擬實(shí)際剝皮處理工藝，注意導(dǎo)線外護(hù)套圓柱面不要與端子壓接區(qū)貼合，否則會造成電流無法流通。

應(yīng)當(dāng)說明的是，對于波紋管、扎帶以及熱縮管等輔材，屬于非熱源零件，對于溫升仿真結(jié)果影響較小，且上述零件結(jié)構(gòu)較為特殊，可能會對網(wǎng)格劃分品質(zhì)產(chǎn)生不良影響[8]。因此，對高壓線束數(shù)模裝配時無需裝配上述輔材。裝配完成后的壓縮機(jī)高壓線束等效仿真模型如圖3所示。

2.2? 仿真分析設(shè)置

本文研究使用FloEFD有限元分析軟件對高壓線束進(jìn)行仿真分析，F(xiàn)loEFD軟件是專門用于計(jì)算流體力學(xué)的仿真軟件。按其分析邏輯，仿真過程需進(jìn)行向?qū)А⒂?jì)算域、流體子域、材料、熱源、輻射表面、電氣條件、仿真目標(biāo)及網(wǎng)格等設(shè)置。

2.2.1? 計(jì)算域設(shè)置

計(jì)算域是進(jìn)行流體流動和換熱計(jì)算的區(qū)域，是一個可用于3D或者2D分析的長方形區(qū)域。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般在重力方向與重力反向的計(jì)算域尺寸共同設(shè)置為約4X，X為仿真模型在重力方向的尺寸；在左右方向的計(jì)算域尺寸設(shè)置為約1Y，Y為仿真模型在左右方向的尺寸；在前后方向的計(jì)算域尺寸設(shè)置為約1Z，Z為仿真模型在前后方向的尺寸[9]。

2.2.2? 熱源功耗計(jì)算

2.2.3? 端子體電阻求解方法

連接器端子均是金屬材質(zhì)，在工作通流時，端子還會因自身為金屬材質(zhì)而產(chǎn)生體電阻。為了提升高壓線束溫升仿真的精度，需要對連接器端子的體電阻大小進(jìn)行求解。

使用FloEFD軟件，通過對高壓線束進(jìn)行閉環(huán)通流，可以進(jìn)行端子體電阻計(jì)算。如圖6中藍(lán)色端子所示，一端端子根部的電壓為15.108mV，另一端端子根部的電壓為18.525mV，因此可以計(jì)算出兩端端子根部的電壓差約為3.42mV。在電氣條件中設(shè)置的電流為20A，因此可計(jì)算出對配端子的體電阻之和約0.17mΩ。

2.3? 材料屬性設(shè)置（表3）

2.4? 網(wǎng)格劃分

在FloEFD中對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格時，一般先對模型進(jìn)行全局網(wǎng)格劃分，一般建議劃分的等級為4級或5級；然后可對仿真模型中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、特別或不規(guī)則的局部結(jié)構(gòu)插入局部網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提升網(wǎng)格品質(zhì)。由于本文仿真模型中，連接器的端子以及端子導(dǎo)線壓接處為產(chǎn)熱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，且上述結(jié)構(gòu)為薄壁或狹長通道結(jié)構(gòu)，使用全局網(wǎng)格基礎(chǔ)劃分，難以滿足上述結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格品質(zhì)需求。因此，需要對連接器端子和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)插入局部網(wǎng)格用以細(xì)化，從而提高網(wǎng)格的品質(zhì)[11]。本文仿真模型共劃分網(wǎng)格共計(jì)190746個。

2.5? 仿真結(jié)果分析

在25℃環(huán)境下，電流為16A，對高壓線束進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升仿真分析，如圖7所示，仿真結(jié)果顯示最大溫升為24.48℃。進(jìn)一步對仿真模型進(jìn)行剖面分析，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)最大溫升點(diǎn)出現(xiàn)在連接器內(nèi)部端子處。同樣在25℃環(huán)境下，電流為16A，以壓縮機(jī)高壓線束連接器端子處為測量點(diǎn)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示最大溫升為23.3℃。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差為1.18℃，上述情況說明在連接器內(nèi)部端子處仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

進(jìn)一步在45℃環(huán)境下，電流為16A，對高壓線束進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升仿真分析，研究連接器殼體表面溫升特性，如圖10所示，仿真結(jié)果顯示連接器殼體測量點(diǎn)溫升為7.5℃。同樣在45℃環(huán)境下，電流為16A，對連接器殼體同一測量點(diǎn)位進(jìn)行了溫升試驗(yàn)測試，如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示該點(diǎn)位的最大溫升為6.42℃。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差為1.08℃，上述情況說明在連接器殼體處仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果同樣較為接近。

3? 常態(tài)化溫升仿真系統(tǒng)建立

如需在線束開發(fā)階段引入對高壓線束的溫升仿真，連接器端子的接觸電阻和壓接電阻是必不可少的。通常端子的接觸電阻和壓接電阻需要通過試驗(yàn)進(jìn)行測量計(jì)算，如在每次仿真分析前進(jìn)行端子接觸電阻和壓接電阻的測量十分費(fèi)時費(fèi)力，影響開發(fā)進(jìn)度。為了建立常態(tài)化溫升仿真系統(tǒng)，可將常用型號連接器的接觸電阻以及端子與常用導(dǎo)線的壓接電阻進(jìn)行測量并建立電阻數(shù)據(jù)庫，并將電阻數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入有限元軟件中。后續(xù)在進(jìn)行溫升仿真分析時，可直接進(jìn)行調(diào)用，提升仿真效率，對于線束的開發(fā)和安全性能提升具有重要意義和應(yīng)用價值。

4? 結(jié)論

1）通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，表明了使用有限元方法代替試驗(yàn)法對高壓線束進(jìn)行溫升特性仿真分析的可行性和較高的準(zhǔn)確性。

2）為了有效降低高壓線束的溫升，需要特別注意對連接器端子處的接觸電阻和端子導(dǎo)線處的壓接電阻的優(yōu)化，盡可能降低連接器端子的接觸電阻和壓接電阻。

3）在線束開發(fā)階段使用有限元分析法對高壓線束進(jìn)行溫升仿真，可以縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，降低項(xiàng)目開發(fā)費(fèi)用，對于高壓線束項(xiàng)目的開發(fā)有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁磊. 汽車線束設(shè)計(jì)及可靠性研究[D]. 太原：中北大學(xué)，2015.

[2] 李志博，朱瑪，張高峰. ANSYS在電連接器溫升分析中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（5）：189-192.

[3] 張艷，崔振亞，徐順，等. 淺析汽車線束設(shè)計(jì)對汽車安全性的影響[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017（17）：69-71.

[4] 國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 37133—2018，電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術(shù)要求[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[5] 杜永英，孫志禮，王宇寧，等. 基于熱分析的電連接器的溫度應(yīng)力研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（10）：42-44.

[6] 朱寧. 電源連接器的溫升建模仿真研究[J]. 2018年中國航空測控技術(shù)?？?，2018：489-491.

[7] 許成彬，潘駿，陳文華，等. 高溫電連接器有限元熱分析與接觸件插拔試驗(yàn)[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報，2015，22（3）：250-255.

[8] 朱鋒，余海洋，周慶平，等. 某型號大電流直流連接器的溫升仿真[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì)，2017，6（9）：53-54.

[9] 李波，陳文鑫. FLOEFD流動與傳熱仿真入門及案例分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：29-30.

[10] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. QC/T 29106—2014，汽車電線束技術(shù)條件[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2014.

[11]鄭淑梅，駱燕燕. 航空電連接器低溫溫度場數(shù)值分析研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，47（6）：27-32，36.

（編輯? 楊凱麟）