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    新能源汽車高壓連接器的發展及測試

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    1、高壓連接器的發展歷程


    電動汽車高壓連接器的發展與電動汽車的發展是同步進行的,從連接器角度來說,國內電動汽車連接器發展經歷以下幾代。


    1)第1代高壓連接器(圖1),2008年左右開始,主要是由當時工業連接器改款而來。這代產品的特點,以金屬連殼體為主,無高壓互鎖功能,防誤插入(防呆)效果較差。比較有代表性產品有安費諾HV系列的金屬連接器,后來市場上很多款連接器是基于這種類型產品延伸擴展出來的。


    2)第2代高壓連接器(圖2),在第1代的基礎上增加了高壓互鎖功能,連接器的外殼也逐漸由金屬變為塑料。


    3)第3代高壓連接器(圖3),塑料+屏蔽功能+高壓互鎖的高壓連接器。有代表性的是行業中800系列產品(這類產品是通過操作順序來實現部分二級解鎖功能,不是直接機械式結構),如TE/安費諾/智綠及國內新一代產品。


    4)第4代高壓連接器(圖4),塑料+屏蔽功能+高壓互鎖+二級解鎖的高壓連接器。有代表性的是行業中280系列產品,如TE/智綠及國內新一代產品,這類產品是通過機械結構來實現二級解鎖功能,更為安全。


    5)未來一代高壓連接器(圖5)會在第4代產品上考慮冷卻方式,如配合大功率充電帶液冷、風冷的方式,來有效提高傳輸能量密度,降低質量,提高產品綜合性能。


    2、電動汽車用高壓連接器的技術特點


    在新能源汽車的三電系統中,高壓連接系統有著舉足輕重的地位,好比是把人體內各個重要的器官有機整合的血管系統,電池總正、總負回路類似于人體主動脈和主靜脈,各個系統回路類似于人體各條動脈、靜脈和毛細血管,是保證電動汽車能量傳遞,安全、可靠運行的重要保障,實現源源不斷地把能量傳送到各個系統。圖6為高壓連接系統與三電的關系。


    2.1 端子類型


    目前高壓連接器可按照端子類型及結構兩種方式進行分類。


    2.1.1 按照端子類型分(圖7)



    連接器結構按照安裝方式可以分為插頭、插座,插頭可分為線性插頭、90°直角插頭,插座可分為法蘭插座、90°直角插座,線性插座等。


    2.2 高壓互鎖


    高壓互鎖(HighVoltageInter-lock,簡稱HVIL),用低壓信號管理高壓回路的一種安全設計方法。在高壓系統設計中,為避免由于高壓連接器在實際操作過程中帶電斷開、閉合所造成的拉弧,高壓連接器一般都應具備“高壓互鎖”功能。


    具有高壓互鎖功能的高壓連接系統,連接和斷開時功率和互鎖端子應滿足以下條件:高壓連接系統連接時,功率端子先接通,互鎖端子后接通;高壓連接系統斷開時,互鎖端子先斷開,功率端子后斷開。


    高壓互鎖常用于高壓電氣回路中,如高壓連接器、MSD、高壓配電盒等回路中。


    帶有高壓互鎖的連接器,在帶電情況下進行解鎖時,可通過高壓互鎖的邏輯時序來斷開,斷開的時間與高壓互鎖端子和功率端子的有效接觸長度差值大小有關,與斷開時的速度有關。通常情況下,系統對互鎖端子回路的響應時間在10~100ms之間,當連接系統分離(拔出)時間小于系統響應時間時,就會出現帶電插拔的安全風險,而二次解鎖就是為了解決這個斷開時間問題,通常情況下,二次解鎖能有效地把這個斷開時間控制在1s以上,以確保操作安全。


    在汽車接插件的應用上,蘇州維本工程塑料Wintone Z63接插件防脆斷專用料可以幫助您解決以下問題:


    1.PBT和PA66接插件的脆斷問題,特別是有卡扣和鉸鏈結構的接插件容易脆斷的問題。


    2.PA66接插件的拉拔力受水份的影響比較大的問題,Z63注塑汽車接插件,注塑完半天就具有強韌性和良好的拉拔力,不用水處理,同時Z63的吸水率只有PA66的六分之一,拉拔力不會受使用環境的濕度的影響。


    3.PBT和PA66接插件在零下30攝氏度以下時,容易脆斷的問題。Z63注塑接插件具有良好的耐低溫性,不易脆斷。


    4.增韌后的PBT和PA66,解決了常溫下的脆斷問題,但同時會出現在60度到120度使用時,拉拔力下降厲害的問題。Z63注塑接插件可以在常溫、低溫和高溫的使用環境下,都保持良好的拉拔力和強韌性。


    5.在多PIN針的汽車接插件應用上,PBT和PA66注塑接插件會出現翹曲的問題,主要是因為材料的流動性不夠好,需要比較大的壓力和速度來注塑,內應力較大,所以翹起會比較明顯。Z63材料具有非常優異的加工流動性,可以幫您解決翹曲的問題。


    6.PBT的水口料添加到新料中注塑接插件時,容易變脆,這是因為PBT容易高溫水解。Z63材料具有優異的耐高溫水解性,水口料添加量高達35%時,對接插件的力學性能影響也非常小。


    2.3 二次解鎖


    二次解鎖分為兩種方式,一種是通過操作順序來實現,通過與正常拔出的反方向或不同方向來實現,如市場上主流的HVA800、HVC800系列高壓連接器產品,連接器拔出時,助力板手與分離方向正好相反或不在一個方向上,以增加拔出時的響應時間,達到二次解鎖功能。另一種為機械式的二次解鎖功能,當拔出連接器時,第一次只能拔出到高壓互鎖端子斷開的位置,這個狀態下功率端子仍然有效接觸,此時高壓回路因高壓互鎖端子分離而斷開,然后再經過二次操作才能把功率端子分離,從而實現兩次解鎖功能要求,機械式二次解鎖與操作順序解鎖相比,具有更高的安全性,但結構相對更復雜。圖9為二級解鎖過程。


    2.4 鎖止結構


    連接器二次鎖止結構(簡稱CPA),是用于增加連接器鎖止裝置強度的卡扣結構。CPA能有效保護連接器插頭、插座的可靠連接,防止汽車運行過程中的意外松脫或接觸不良引起的帶載插拔安全事故,CPA屬于輔助鎖止結構,是通過與主鎖止結構配合以達到可靠鎖止的要求。CPA的工作原理,當主鎖止結構鎖止后,CPA輔助鎖止,此時主鎖止結構將不容易受到外界環境影響而松脫(主鎖止結構失效除外),解鎖時需要解開CPA才能正常解開,能滿足較苛刻條件下使用的一種鎖止構結。


    2.5 端子輔助結構


    連接器端子保持輔助結構(簡稱TPA)(圖10),是用于對端子的二次保護和限位的一種結構,防止端子在外界拉力的作用下脫出,造成線路中斷,應用在環境比較惡劣或要求拉脫力更大的情況下。這種構成中一般會包含兩種保持結構,一是端子本身的保持結構,另一種是由TPA構成的保持結構。


    2.6 關鍵參數端子壓接評估


    端子壓接是連接器行業核心的關鍵工藝,評價端子壓接的效果主要由以下幾點組成。


    3)端子壓接剖面分析。對壓接后的端子壓接有效區域(選擇壓縮最致密區域)進行端面截斷,打磨,剖光,然后用專業的設備進行壓縮比測試,在放大約5~10倍時要求被壓縮的線纜銅絲間無可見空隙,且壓縮比控制在80%~90%為宜。


    4)端子溫升。溫升測試,一般要求溫升不超過55K(不同的標準對應不同的要求,也有50K)。國標GB/T37133—2018中的要求是55K。


    6)端子壓高壓寬的定義。對于前面測試OK后的端子進行端子壓高、壓寬定義,并在制程過程中進行CPK管控。


    2.7 高壓連接器的綜合檢測


    高壓連接器及線束在生產下線過程中,需對產品性能進行綜合檢測,這類綜合檢測對產品品質起到非常重要的把關作用,一般會包含但不限于以下幾項進行測試。


    1)耐壓測試。主要是針對產品在組裝過程中是否存在因空間或爬到距離變化導致的耐壓不良,或者在線束組裝過程中線束壓接或其他引起損傷導致的耐壓不良產生的風險,通常情況下這類測試需要100%的檢測。


    2)絕緣測試。主要是針對產品在組裝過程中是否存在因空間或爬到距離變化導致的絕緣不良,或者在線束組裝過程中線束壓接或其他引起損傷導致的絕緣不良產生的風險。


    3)回路導通。多用于2組或以上的回路中,用于檢測連接器在組裝后各回路是否一一對應。


    4)氣密測試。適用于連接器成品或線束總成測試,施加47.8kPa的氣壓,對連接器的密封性進行檢測,測試時間、泄漏值及其他參數可根據產品特點調整。


    5)屏蔽回路測試。用于檢測屏蔽回路中的阻值,一般情況下屏蔽電阻應小于10mΩ。

    3、測試驗證


    3.1 測試系統搭建


    由于高壓連接器的性能直接關系到整個新能源汽車的安全,所以對產品的要求,除了要拿到最終產品狀態的標準符合性報告,在工廠設計及生產階段還會有DV測試驗證及PV測試。測試要求主要包含以下方面。


    1)電氣性能。電氣性能包括對電氣參數的確認以及電氣安全的保證。如電流循環、搭鐵電阻、絕緣耐壓測試等。


    2)機械性能。為保證產品的安裝便利性、連接的可靠性以及維修的便利性,對產品的拉拔力、振動、機械機構等方面做出的要求。


    3)環境性能。包括耐鹽霧、熱老化、溫度沖擊、濕熱循環等,這些環境可以完整復現產品在使用過程中的嚴苛工況,為產品在使用過程中的可靠性提供檢驗依據。具體測試項目參照表3執行,測試方法及要求根據產品的使用工況會存在差異。


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