某型號大電流直流連接器的溫升仿真

朱鋒 余海洋 周慶平 徐明

摘要：應用于新能源汽車中的大電流直流連接器，其溫升性能直接影響汽車相關部件的性能及安全。本文通過產(chǎn)品仿真條件的分析，使用 ANSYS

WorkBench 中的熱—電耦合仿真對某型號大電流直流連接器的溫升進行仿真，為該產(chǎn)品設計階段的熱設計提供了依據(jù)。仿真驗證結(jié)果同樣可以作為試驗階段的參考，以便在產(chǎn)品后期設計階段提供改進方案。

關鍵詞：ANSYSWorkBench;大電流;直流連接器;熱-電耦合仿真;溫升

中圖分類號：TM503.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-047-02

Abstract：HighcurrentDCconnectorsusedinnewenergyvehicles，whichtemperatureperformancedirectlyaffecttheperformanceofrelatedcomponentsinve- hiclesandthesafetyofvehicles.Inthispaper，throughtheanalysisoftheproduct'ssimulationconditions，doaTemperatureRiseSimulationofaModelHigh CurrentDCConnector，usingthethermal-electricalcouplingsimulationmoduleofANSYSWorkbench，providesthebasisforthethermaldesignoftheproduct designstage.Thesimulationresultscanalsobeusedasareferenceforthetestphase，andprovideimprovementsatthelaterstagesoftheproductdesign.

Key Words：ANSYS Workbench; High Current; DC Connector; Thermal-Electric Coupling Simulation; Temperature Rise

1 引言

電連接器是電子設備、電氣系統(tǒng)中實現(xiàn)電流和電信號傳導的基本組件，其性能與功能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作影響較大[1]。這些年來新能 源汽車產(chǎn)業(yè)不斷擴大，其中純電動汽車的關注度和產(chǎn)量穩(wěn)步上升，其電氣系統(tǒng)的額定電壓和額定電流也在不斷增大。這導致電氣系統(tǒng)中連接器的性能指標也在不斷上升，其中溫升不僅影響著電性能還影響著汽車的安全，已經(jīng)發(fā)生過的一些汽車故障、事故中也有不少是溫升過高導致的。

隨著計算機技術及相關軟件的性能提升、各種材料性能參數(shù)指標的積累，在產(chǎn)品設計階段使用仿真軟件對產(chǎn)品的各項性能進行仿真已經(jīng)成為常態(tài)。而且越來越多的仿真算例與實物試驗案例表明，仿真結(jié)果與實際 試驗結(jié)果相差不大，完全可以事先對產(chǎn)品的性能進行預估，從而指導產(chǎn)品的修改完善。

本文主要針對某型號大電流直流連接器進行溫升仿真驗證，使用了ANSYSWorkBench中的熱-電耦合仿真模塊（Thermal-Electric），重點關注了接觸電阻在仿真中的等效施加方法，并研究了插頭尾部外接導線長度對仿真結(jié)果的影響。

2 連接器溫升仿真

2.1 產(chǎn)品主要電熱參數(shù)

最大電壓 630VDC

最大電流 300A

最大溫升 40K

2.2 產(chǎn)品三維仿真模型的簡化

產(chǎn)品分為插頭插座兩部分，插座尾部是銅排，與電路系統(tǒng)通過螺栓連 接;插頭尾部外接導線，外接導線實際長度在 0.5m 以上，考慮到建模的方便，三維模型中插頭外接的導線長度為0.1m，插座的外接導線部分忽略。在產(chǎn)品三維模型的設計過程中，由于考慮了功能結(jié)構、產(chǎn)品標識、操

作舒適度等因素，三維模型中包含了大量的小尺寸倒角、圓角、凹槽等特 征。這些小尺寸特征對熱 - 電仿真精度和準確性影響很小，但在劃分網(wǎng)格過程中會產(chǎn)生大量的細小網(wǎng)格，造成電腦仿真資源的嚴重浪費，故在將三 維模型導入 ANSYS WorkBench 前，需要將這些細小特性去除。

圖 1 去除產(chǎn)品對仿真影響小的小特征后的產(chǎn)品三維圖

2.3 接觸電阻的等效模擬方法

在電連接器，尤其是大電流連接器中，微小的接觸電阻也會導致大量熱的產(chǎn)生。連接器觸頭位置產(chǎn)生的接觸電阻所產(chǎn)生的焦耳熱是引起接觸件溫度上升的一個主要因素，因而在仿真模型的建模和仿真的過程中，必 須考慮接觸電阻的影響。[2]

雖然有很多相關理論在研究接觸電阻的形成機制，但相關影響因素太多，表面質(zhì)量、接觸壓力、接觸面積等都會直接影響接觸電阻的大小，計

算獲得的接觸電阻與實際電阻還是有一定的差距[3]。

在接觸電阻的等效模擬方面，大多采用的是體電阻模擬或面電阻模擬[4]。體電阻模擬是在兩接觸表面之間增加一個等效電阻體，見圖2，該電阻體的電阻率根據(jù)接觸電阻和其體積計算得到。面電阻則是在接觸表面上直接設置面電阻率，設置方式是進入Project》Model》Connections》Con-

tacts》ContactRegion，將Detailsof"ContactRegion"中的ElectricConductance選項設置為Manual，然后在ElectricConductanceValue的輸入框內(nèi)輸入計算得到的面電阻率，見圖 3。

通過對體電阻模擬和面電阻模擬的分析，可以發(fā)現(xiàn)，這兩種方式較多使用在接觸表面規(guī)范且接觸面積容易計算的情況下。而且由于本產(chǎn)品模擬接觸電阻是為了仿真在接觸電阻存在時，產(chǎn)品的發(fā)熱情況，所以可以通過施加接觸電阻產(chǎn)生的等效熱流來模擬接觸電阻的效果。

熱流可以通過施加熱流密度（Heat Flux）[5-6]或熱流（Heat Flow）來實現(xiàn)，本產(chǎn)品的插孔內(nèi)部采用的是具有雙曲線銅柵格結(jié)構的籠式帶簧，這種結(jié)構的接觸面積計算十分復雜。因此，故本文選擇通過在接觸表面上施加熱流（HeatFlow），而不是施加熱流密度（HeatFlux），來實現(xiàn)對接觸電阻的等效模擬。

圖 2 體電阻模擬示意圖

圖 3 面電阻率的設置

2.4 插頭尾部外接導線長度的影響

考慮到導線具有較強的散熱能力，可以先對導線在仿真條件下的發(fā)熱情況進行單獨仿真，如插頭尾部外接導線電熱仿真條件圖4，在導線一端施加 300A 電流，另一端施加 0V 電壓，導線外表面與環(huán)境的傳熱系數(shù)為

10W/m2·℃，環(huán)境溫度23℃。仿真結(jié)果如圖5，最高溫度為51.368℃，溫升為28.368K，遠低于要求的40K。

圖 4 插頭尾部外接導線電熱仿真條件 圖 5 插頭尾部外接導線電熱仿真結(jié)果

因此，導線長度對連接器的散熱影響不可忽略，為避免仿真中出現(xiàn)過高溫度后，對原三維模型修改外接導線長度，再導入 ANSYS WorkBench 進行仿真的情況，可以在將三維模型導入Thermal-Electric模塊后，在Ge-

ometry模塊內(nèi)延長導線（30mm），并將延長導線部分的長度參數(shù)化，以便后期可以通過參數(shù)化仿真查看導線長度對溫升的影響。

圖 8 施加邊界條件示意圖

真。

圖 6 參數(shù)化延長導線后（最右側(cè)深色部分）的三維模型

2.5 仿真參數(shù)及條件設置

本次仿真選用 ANSYS WorkBench 的 Thermal-Electric 仿真模塊，由于仿真是穩(wěn)態(tài)仿真，零部件材料需要設置的參數(shù)是熱導率和電阻，這些參數(shù) 可以通過進入Engineering Data 中使用Filter Engineering Data 篩選出來，以便根據(jù)實際使用的材料物性進行填寫。連接器中的銅材料直接選用 AN-

SYS 材料庫中的 Copper Alloy 即可;對于連接器的絕緣殼體和導線的絕緣層，通過查找相關材料物性表，將其熱導率設置為0.28W·m-1·℃-1，因為是絕緣材料，不需要設置電阻。

圖 9 仿真結(jié)果（導線總長 130mm） 圖 10 仿真結(jié)果剖面（導線總長 130mm） 仿真結(jié)果如圖，產(chǎn)品最高溫度為59.446℃（導線總長130mm），溫升為

59.446-23=36.446K，小于規(guī)定的40K，產(chǎn)品的溫升滿足要求。

為了研究插座外接導線長度與產(chǎn)品溫升的關系，將2.4中延長導線部分的長度和仿真結(jié)果中的最高溫度進行參數(shù)化，并計算導線總長和溫升，仿 真結(jié)果 時，延長

導線長 值。

圖 7 Thermal-Electric 仿真模塊

導入仿真模型后便可以準備對產(chǎn)品施加仿真條件，由于施加的是直

3 結(jié)論

圖 11 參數(shù)化仿真結(jié)果

流電，在連接器一端施加 300A 電流，另一端施加 0V 電壓即可完成電參數(shù)

的設置。對于連接器的熱仿真參數(shù)部分，考慮到連接器的使用環(huán)境為自然冷卻，設置連接器外表面與環(huán)境的傳熱系數(shù)為10W/m2·℃，連接器內(nèi)表面

（無接觸部分）與環(huán)境的傳熱系數(shù)為5W/m2·℃，環(huán)境溫度設置為23℃。在參數(shù)設置過程中，由于需要設置傳熱系數(shù)的表面較多，可以在 Geometry 中對需要設置的面進行分組命名，以便在施加條件時調(diào)用方便。

由于產(chǎn)品的接觸電阻主要集中在主回路插針與插孔的插合部位，且 該處插針插孔易于制造，故通過測試實物，計算得到該處接觸電阻小于

0.02mΩ。根據(jù)功率計算公式，可以得出該處電阻消耗的功率小于 ，將

1.8 W 作為熱流施加在插孔簧片的內(nèi)表面用以模擬實際的接觸電阻發(fā)熱量的影響。

本文對產(chǎn)品電熱仿真條件進行了分析，明確了采用施加等效熱流作

為模擬接觸電阻對產(chǎn)品溫升影響的方法，并分析了產(chǎn)品插座外接導線長度對產(chǎn)品溫升的影響。通過對仿真結(jié)果的分析，本產(chǎn)品的溫升不會超過要 求的溫升指標，產(chǎn)品熱設計滿足要求。

參考文獻：

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[J]. 機械設計與制造， 2013， 第 10 期： 42-44.

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