简谈新能源高压线束连接器设计

电动汽车是电力驱动，所以必须使用大功率电机和大容量电池。为了减少充电时间，使用高压大电流充电技术，需要借助高压电气系统。电动汽车高压电气系统可以连接电机、电池、动力电子元器件等部件，其中电动汽车高压线束是连接电动汽车能量源(燃料电池)和动力装置的电气通道。为了满足电动汽车的驱动要求，以及线束在各种行驶条件下连接的可靠性和安全性的要求。
当前，新能源汽车行业正处于探索和少量试生产阶段，国内乃至国际上都没有形成行业规模，所以相关零部件也处于试生产阶段。但与国内主要以线束组装为主的汽车线束整体技术水平相比，国外汽车线束相关技术基础扎实，现有高压线束解决方案。比如电子谷平台，平台内的电动汽车高压线束基本是国产替代，高压线束产品具有结构简单、性能优异、用户认可度高的特点，可以在超高温、振动、有限空间等恶劣环境下可靠工作；同时TYCO、Delphi(德尔福)、LS等国外公司紧随其后，推出各自的高压线束解决方案及相关产品。
为弥补我国在电动轿车高压线束领域的研究空白，摆脱我国电动轿车所需的高压线束基本直接采购国外产品的现状，开展了高压大电流电动轿车高压线束的自主研发。针对电动轿车高压电气系统对高压线束的使用要求，设计的电动轿车高压线束应满足下列要求a、高压大电流的使用要求b、抗电磁干扰、防水、抗振动、耐磨、阻燃、接触可靠等安全可靠性要求。
一、高压电缆设计。
常规汽车以汽油发动机为动力，常规汽车电缆的作用是传输控制信号，所承受的电流和电压都很小，所以电缆直径较小，结构上也只是导体外加绝缘，非常简单。但是根据电动乘用车高压电缆的使用要求，电动乘用车高压电缆主要起到传递能量的作用，需要将电池的能量传递给各个子系统，所以设计的电动乘用车高压电缆束必须满足高压大电流传递的要求。电动车高压电缆承受的电压较高(额定电压最高600V)，电流较大(额定电流最高60A)，电磁辐射较强，因此电缆直径明显增大，同时为避免电磁辐射对周围电子设备造成强烈的电磁干扰，影响其它电子设备的正常运行，电缆还设计了抗电磁干扰屏蔽结构，即采用同轴结构，利用内导体与外导体(屏蔽)共同作用，电缆内的磁场成同心圆分布，同心圆分布，同心圆，同心圆分布，同心圆分布，同心圆分布，同心圆分布，同心圆分布，同心圆分布，同心分布，同心分布，同心分布，同心分布，同心分布，同心分布电缆外心分布，同心分布，同心分布，同心分布。
早期的汽车电缆绝缘材料主要是聚氯乙烯，但聚氯乙烯含有铅，对人体有害。近年来，它逐渐被LSZH(低烟无卤材料)、TPE(热塑性弹性体)、XLPE(交联聚乙烯)、硅橡胶等材料所取代。由于电动乘用车的高压电缆在满足高压大电流和抗电磁干扰的同时满足耐磨性和阻燃性的要求，因此比较了这些材料的性能:
1、LSZH可以分为PO(聚烯烃)和EPR(乙丙橡胶)两大类，其中PO电缆材料是主流。POLSZH阻燃电缆材料的配方中含有大量的AI(OH)3、Mg(OH)2无机阻燃剂，使其具有良好的阻燃性、低烟、无卤、低毒性等特点，但也使其在物理机械性能、电气性能和挤出工艺性能等方面与其它非阻燃材料和含卤阻燃材料有差异。
2、TPE是一种具有橡胶和热塑性塑料特性的聚合物材料。它在常温下显示橡胶的高弹性，可以在高温下塑化成型。然而，该材料不耐磨，不能满足电动乘用车高压线束的使用要求。
3、XLPE是由耐温等级为75℃的普通PE(聚乙烯)材料经辐照交联后制成，其耐温等级可达150℃，具有优异的物理机械性能抗过载能力，使用寿命长，但不阻燃。
4、硅橡胶击穿电压高，故具有抗电弧、抗漏电痕迹、抗臭氧等特点，同时具有良好的耐高低温性能，耐高温可达200℃，绝缘性能好，在高温高湿条件下性能稳定，阻燃。与上述材料相比，硅橡胶以其物理机械性能好，使用寿命长，价格低廉等优点，成为电动乘用车高压电缆绝缘材料的首选。

二、高压连接器设计。
1、大电流接触器设计。
一般情况下，连接器(主要指其中的接触件)都有使用温度限制，一旦使用温度超过规定的限制值，连接器就会因加热而降低安全性，甚至失效损坏。连接器使用温度升高的原因主要有两个：
（1）汽车本身。汽车上温度最高的部分是发动机周围。比如传统的汽车发动机周围温度可以达到125℃以上。
（2）连接器本身。连接器在使用过程中会发热，连接器中插入的接触器有接触电阻。接触电阻越大，功率损耗越大，接触器的温度越高，可靠性越低。对此，在设计电动乘用车的高压大电流连接器时要特别注意。为了避免过高的使用温度损坏连接器中的绝缘材料，降低其绝缘性能，甚至烧毁故障，加热接触器后弹性降低，或者在接触区形成绝缘膜，降低接触可靠性，增加接触电阻，进而加剧使用温度的升高。这样恶性循环最终导致连接触失效，必须合理设计电动乘用车的高压大电流连接器中的大电流接触器。
在设计大电流接触器时，选择什么样的接触形式直接决定连接器的质量和成本。通常，接触器的接触形式主要有片式、片式、线式三种。
片式接触件的插孔为圆柱筒开槽和收口，插孔采用铍青铜丝(棒)加工，原材料价格高，后续收口工序难以控制，产品质量一致性难以保证，成本高。
片簧接触件的插孔为冠簧孔，插孔内有1~2个片簧圈，每个片簧圈由多个片簧片组成，所有片簧片向内拱，形成弹性片簧圈；当插孔与插针配合时，每个片簧片与插针接触并产生挤压力，确保多点稳定接触；片簧插孔由黄铜车制件和冠簧冲压件组成，产品一致性好，成本低。
线簧接触件的插孔为线簧孔，其结构与片簧接触件相似，只是线簧接触件由弹簧线组成，线簧接触件虽然性能优良，但工艺复杂，成本较高。

将上述各种接触形式的接触件进行比较后，电动乘用车的高压大电流连接器采用了大电流片簧接触件。与此同时，为了提高接触的可靠性和载流能力，并满足大电流接触件的其他指标要求，大电流片簧接触件采用了双簧片两级片簧接触件。最后，通过对大电流接触件接触电阻的计算、结构设计和样品设计的修正，成功地设计了大电流接触件。
2、耐高压设计。
为了满足电动轿车高压连接器的设计要求，必须通过结构设计和材料选择，使高压连接器的各个部分具有足够的介电强度，保证其耐高压性能。电动轿车高压连接器的耐高压性能设计主要包括爬行距离、界面间隙和绝缘材料。
爬行距离是指当工作电压过高时，瞬时过电压会导致电流沿绝缘间隙向外释放电弧，损坏设备甚至操作人员，这种绝缘间隙就是爬行距离，电弧连续的工作电压决定爬行距离。设计高压连接器结构时，应尽量增加爬行距离，考虑到连接器介质的耐压性在400V以上，经过仔细计算和校核，将连接器的爬行距离设计为24mm以上，可完全满足高压连接器600V的使用要求。
为了提高连接器的耐高压性能，当连接器插入时，其界面部分应与无空气间隙相匹配。连接器的界面主要包括插头连接器和插座连接器的插入界面、连接器接触器和导线的连接部分。这些部分需要完全填充介质，没有空气，以确保连接器不被破坏。为了防止界面间隙的存在，高压连接器设计采取了以下措施:
（1）在插接界面面采用软绝缘材料，保证插接到位时填充空气间隙。
（2）插孔接触件外的绝缘采用模塑形式，填充接触件外的间隙。
（3）插头与插座的接合面为锥形结构。
（4）接触件连接电缆后，部分电缆绝缘伸入连接器外壳绝缘。
为了提高连接器的耐高压性能，电动轿车的高压连接器选择了绝缘性能好、破坏电压高、绝缘强度高、高温高压下稳定性好、耐电弧、耐漏电痕迹、吸湿性低的PPA(聚苯二甲酰胺)塑料。
3、高压线束的整体设计。
（1）屏蔽性能设计。
为了使设计的高压线束满足基本可靠的电气连接要求，还具有优异的电磁屏蔽性能，开展了高压线束的屏蔽性能设计。高压线束的屏蔽性能设计主要包括高压电缆本身的屏蔽性能设计、高压电缆与高压连接器连接处的屏蔽性能设计、高压连接器本身的屏蔽性能设计、高压连接器连接界面的屏蔽性能设计。

为了提高高压电缆本身的屏蔽性能，高压电缆采用屏蔽结构。如果电缆是信号线和电源线组合的，更要注意这一点。为了提高高压电缆与高压连接器连接处的屏蔽性能，在保证两者接触的可靠性的情况下，连接处不会松动，高压电缆与高压连接器内导体连接后，电缆编织与屏蔽层接，并在电缆编织与连接器连接处设置一层单独的屏蔽金属编织网，以增强屏蔽效果，特别是为了保证在强烈运动的情况下，连接处不会发生松动，在高压电缆与插头与插头与插头与插头与插头与插头与插头与插头之间的可靠性之间的可靠性。
（2）机械保护和防尘设计。
由于电动乘用车高压电缆直径大，需要特殊的布线方向，即电动乘用车高压线束布置在车外，因此必须对电动乘用车高压线束进行机械保护和防尘设计。为了提高高压线束的机械保护和防尘防水性能，在连接器之间和连接器连接电缆的位置采取密封圈等保护措施，防止水蒸气和灰尘进入，从而保证连接器的密封环境，避免接触器之间短路的风险，防止湿气进入，避免火花等安全问题。
（3）寿命设计。
电动车在公路上行驶时，会受到路面高低不平、速度快等因素的影响，产生高振动，导致高压线束与接触部件及其它线束之间产生摩擦、磨损，以及高压线束本身的疲劳磨损。为提高高压线束的使用寿命和质量，应加强高压电缆与高压连接器之间的连接，对高压连接器之间的连接采用锁紧结构，并对布线方案进行优化，高压线束材料选用耐磨材料，导线采用耐疲劳铜绞线。另外，高压连接器之间的连接环节也是高压线束本身的弱点，为了提高其使用寿命，同时满足高压电气系统的使用要求，必须保证其插拔次数和连接质量。
4、高压线束性能测试。
为确认采用高压大电流接触件技术设计的高压线束的结构合理性、接触面积、接触电阻、抗振性能等是否符合高可靠性、长寿命、高电流性能等要求，在电动轿车高压线束样品研制完成后，根据相应的设计要求进行了相关性能测试，电动轿车高压线束的各种性能都符合标准要求，其接触件结构、连接器结构和整个高压线束的设计都有一定的合理性。