1000V就要來(lái)了，高壓連接器的設計和選型應注意哪些？

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來(lái)源：電動(dòng)網(wǎng)

作者：劉敢闖

對于新能源汽車(chē)，國內談?wù)摱嗟氖?ldquo;電池、電機、電控”三電系統的如何發(fā)展和技術(shù)突破，然而實(shí)際應用中，還有一個(gè)重要的電氣單元——高壓電氣連接系統?！颈疚淖髡邽闃羌逊?，深耕電動(dòng)力總成數年，授權電動(dòng)網(wǎng)發(fā)布，謝絕任何形式未經(jīng)許可的轉載】

高壓電氣連接系統主要包含高壓線(xiàn)束和連接器，整車(chē)故障報修中，電氣連接系統有一定占比，電連接成為高壓系統中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節。

在電氣連接系統中，連接器的質(zhì)量尤為重要，這成為保障電連接安全可靠至關(guān)重要的因素，以下是國內外的一些參考標準：

國標還未正式發(fā)布，對照國外標準，征求稿的細則上還是有較大區別。連接器選型應用時(shí)，需要根據部件使用環(huán)境（如溫度、濕度、海拔等）、安裝位置（振動(dòng)條件、體積結構、密封等級要求）、載流特性、成本核算等合理選擇產(chǎn)品。對高壓連接器的理想期望，希望產(chǎn)品有較高的安全防護等級、高耐溫、大載流、低功耗、抗油脂、體積小、輕量化、長(cháng)壽命周期且低成本。

1. 安全防護

連接器的安全防護主要指電氣性能滿(mǎn)足設計要求，如絕緣、耐壓、電氣間隙、爬電距離、防呆、防觸指（端子周?chē)咏^緣材料，高出端子高度或者端子加塑料帽）設計等符合規定要求，除了以上性能，應用時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注連接器HVIL和密封防護、EMC性能。

1）高壓互鎖（High Voltage Interlock）

高壓互鎖是通過(guò)使用電氣信號，可以確認高壓系統連接的完整性，也可以作為蓋板打開(kāi)檢測。

高壓連接器設計時(shí)，考慮插拔過(guò)程中的高壓安全保護，如斷開(kāi)時(shí)，HVIL首先斷開(kāi)，后斷開(kāi)高壓端子；而接合時(shí)則相反。連接器HVIL在結構設計上一般有內置式和外置式（見(jiàn)圖1），由于內置式結構緊湊體積較小，目前普遍使用內置式，高壓互鎖回路安裝在高壓端子之間。在應用中，部分內置式連接器缺少互鎖裝置的CPA（Connector position assurance），如果連接器結構設計得不好，在某些惡劣的條件的，部分供應商的產(chǎn)品由于互鎖裝置位移會(huì )導致互鎖信號的不連續性，給車(chē)輛調試及安全駕駛帶來(lái)不必要的問(wèn)題。

在實(shí)際使用的過(guò)程中，HVIL回路主要通過(guò)信號（如電平、PWM信號）注入法檢測，失效模式主要考慮HVIL電路故障短路（包含對電源、對地短路，采用電平檢測，存在系統可能無(wú)法正確判斷的風(fēng)險）或斷開(kāi)（產(chǎn)品需確?；ユi裝置不位移）。

另外，連接器選型設計時(shí)應考慮連接器HVIL裝置接觸電阻及線(xiàn)束回路電阻，避免由于信號壓降造成的HVIL檢測失效。

2）防護等級要求

高壓連接器密封一般要求至少達到IP67，在汽車(chē)一些特殊場(chǎng)合選型時(shí)甚至要求IP6K9K，以保證即便在高壓沖洗時(shí)也滿(mǎn)足使用要求。

目前產(chǎn)品防護要求及驗證方法主要參考GB4208，把部件或連接器放置于水箱1m深處，以檢測其防護等級IP67是否通過(guò)（見(jiàn)圖2），但在實(shí)際使用中，這一點(diǎn)是否能模擬車(chē)輛的實(shí)際工況上值得商榷

車(chē)輛的實(shí)際工況需要經(jīng)歷疲勞荷載，面臨材料老化問(wèn)題（見(jiàn)圖3）。比如，長(cháng)期面臨振動(dòng)條件；天氣下，需面對極寒極熱情況；涉水時(shí)，水分中含有其他雜質(zhì)，需應對腐蝕性等情況。為保障全生命周期內產(chǎn)品性能，實(shí)際運用當中，重要的是在車(chē)輛接近壽命尾聲時(shí)，密封情況的好壞。

連接器在實(shí)驗室的浸水防塵測試，無(wú)法*模擬車(chē)輛連接器的實(shí)際環(huán)境。將連接器產(chǎn)品先經(jīng)過(guò)機械疲勞、振動(dòng)、熱沖擊、鹽霧等測試后，再進(jìn)行IP67測試，可以盡可能完整地預估系統生命終期的密封性能。

另外，值得注意的是，密封材料一般為橡膠材質(zhì)，本身面臨壽命衰減，目前連接器產(chǎn)品應用中缺少有效的風(fēng)險報告，在系統設計時(shí)，也需要考慮如何預防因密封材料壽命衰減帶來(lái)的問(wèn)題。

如果產(chǎn)品全生命周期內可以保證密封性能，連接器密封在應用設計中，主要考慮以下幾點(diǎn)：連接器和部件之間（主要涉及部件結構設計控制）、連接器和電纜之間（產(chǎn)品保證密封圈位置限位不移動(dòng)及線(xiàn)束生產(chǎn)時(shí)控制裝配準確性）、連接器公母端之間（產(chǎn)品結構工藝及裝配的完整性）。

3）EMC

由于新能源汽車(chē)使用大量電力電子器件，高壓和大電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，會(huì )對其他的通訊設備產(chǎn)生電磁干擾，整車(chē)和零部件必須要有抗干擾和抗輻射的能力。

高壓電氣連接系統設計時(shí)，要求連接器具備360°屏蔽層，并有效地和電纜屏蔽層連接，屏蔽層覆蓋整個(gè)連接器長(cháng)度，以保證足夠的屏蔽功能，并盡量減少屏蔽界面之間的電阻，在產(chǎn)品生命周期內，屏蔽連接接觸電阻＜10mΩ。

對于由塑料制成的高壓連接器，屏蔽須用金屬面來(lái)實(shí)現。

2. 連接器耐溫、功耗

連接器（主要指其中的接觸件）超過(guò)規定使用溫度限值，連接器會(huì )因發(fā)熱降低安全特性，甚至失效損壞。造成連接器溫升增高的主要原因如下：

1）環(huán)境因素，布置位置易受高溫影響或處于熱量集中的密封艙內，在避免不了其布置位置的情況下，選型時(shí)也需要對連接器的耐溫進(jìn)行考慮（如標2）。

2）連接器自身發(fā)熱，影響因素主要為插合接觸件的接觸電阻功耗發(fā)熱或壓接不良。

連接器電性能重要的衡量指標為連接器之間的接觸電阻，接觸電阻越小，則電壓降越小，意味著(zhù)電損耗越低，也意味著(zhù)溫升較低，連接端子可以獲得較高的使用壽命。

接觸件受熱后將影響鍍層，或在接觸區域形成絕緣薄膜層，增大接觸電阻，進(jìn)一步加劇溫升，形成惡性循環(huán)。

連接器受熱超過(guò)限值，熱失效嚴重時(shí)線(xiàn)束燒毀，且將導致絕緣材料產(chǎn)生化學(xué)分解，降低絕緣性能，嚴重時(shí)有可能出現連接器正負極柱間因絕緣材質(zhì)熱熔后擊穿短路現象。

參照大眾VW80834標準，連接器接觸電阻不能超過(guò)表3的限值：

連接器線(xiàn)纜壓接完整后，接觸電阻計算公式如下：

Rtotal=Rcrimp1+Rcontact+Rcrimp2

a）一般而言，線(xiàn)束壓接外包給選配的連接器廠(chǎng)家代工，可以更好地保障連接器壓接可靠性。實(shí)際應用中，連接器熱失效大部分由于線(xiàn)束壓接不良，如壓接比率不足，導致飛邊壓接，或者壓接比率過(guò)剩，導致壓接不*。

b）連接器的界面結構，如材質(zhì)/鍍層種類(lèi)及它的純度、厚度、幾何形狀等決定了連接器的性能，包括接觸電阻、插拔力和插拔壽命。

高壓連接器端子接觸件結構主要有開(kāi)片式、冠簧式、扭簧式、表帶式等（如圖7），不同的結構形式?jīng)Q定了電接觸方式（面接觸、線(xiàn)接觸和多點(diǎn)接觸），選用何種形式需要根據連接器的應用場(chǎng)合決定。對于經(jīng)常插拔式連接器，根據并聯(lián)分流原理，利用載流橋數量多少以達到降低接觸電阻的目的。

連接器鍍層一般選擇接觸電阻較低的銀（如表5），不同廠(chǎng)家產(chǎn)品鍍層厚度各不相同（鍍層太薄磨損厲害，太厚鍍層附著(zhù)力不足），選用時(shí)需根據考慮不同的適用場(chǎng)合，如室內/室外、是否需要頻繁插拔等。比如充電連接器，實(shí)驗室插拔試驗可滿(mǎn)足國標規定的10000次目標，但在戶(hù)外實(shí)際使用條件下，首先面臨的環(huán)境條件比實(shí)驗室惡劣（如潮濕、炎熱、粉塵等）；其次，人員操作是否規范具有隨機不確定性。若使用或維護不當，充電連接器局部鍍層將磨損嚴重，出現“漏銅”現象，使用中將產(chǎn)生銅銹，導致有效的載流面/點(diǎn)減少。

另外，連接器選型應用中，還應關(guān)注連接器端子的結構形式，如插件端子以90°直角連接，則應避免選用螺紋連接的結構形式。此種結構形式，螺紋齒紋配合精度要求非常緊密，但在螺紋加工以及線(xiàn)束裝配過(guò)程中，無(wú)法避免不*連接接觸。尤其是大電流端子連接，長(cháng)期使用中，端子螺紋齒口會(huì )由于局部過(guò)熱，連接器面臨熱失效風(fēng)險。

關(guān)于此點(diǎn)，也可參見(jiàn)大眾制訂的VW80304-2013標準，規定電纜出線(xiàn)以180°、90°方式，直角90°方式下，不允許螺紋連接。

3. 連接器壽命、成本

對于連接器性能壽命要求，大眾汽車(chē)標準中規定：乘用車(chē)開(kāi)發(fā)項目必須保證全功能能力生命周期：至少15年或300000Km（≥8000h動(dòng)作+30000h充電），商用車(chē)須保證至少15年或1000000Km。

連接器選型過(guò)程，產(chǎn)品成本不應是考慮因素，只有在滿(mǎn)足性能要求基礎上，降本增效才有可能，除非愿意以犧牲整車(chē)高壓電氣連接可靠性為代價(jià)。當然，為保證產(chǎn)品性能，選型中也應避免結構和規格的過(guò)度選配，造成產(chǎn)品成本的提升。

總結：

高壓電氣連接系統涉及電氣架構及安全，連接器產(chǎn)品關(guān)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

產(chǎn)品的性能決定于產(chǎn)品的結構和材料，在產(chǎn)品結構被優(yōu)化到合適，產(chǎn)品性能的競爭就是基礎材質(zhì)與物理研究的競爭。在產(chǎn)品選型應用中，如果不掌握連接器界面材質(zhì)，不了解連接器的失效機理，就無(wú)法科學(xué)評估連接器的可靠性。對于1000V高壓系統的熱點(diǎn)討論，對連接器提出了更高的性能要求。