基于溫升控制的某汽車轉(zhuǎn)接座熱設(shè)計(jì)研究

汪 洋，楊貴新，范建平，劉 偉，陶龍祖

（深圳市通茂電子有限公司，廣東 深圳 518109）

0 引言

電連接器作為重要的機(jī)電元件之一，承擔(dān)著電子與電氣設(shè)備之間非常重要的橋梁作用，其可靠性以及安全性直接影響著整套設(shè)備及系統(tǒng)的安全性和可靠性。這些年來新能源汽車產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，其中純電動(dòng)汽車的關(guān)注度和產(chǎn)量穩(wěn)步上升，其內(nèi)部電氣系統(tǒng)的額定電壓和額定電流也在不斷增大，因此對(duì)其電子設(shè)備的性能要求越來越高，而汽車轉(zhuǎn)接座作為實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部電子設(shè)備之間電連接的重要連接器之一，保持穩(wěn)定的可靠性至關(guān)重要。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA-364-70的規(guī)定，電連接器的溫升應(yīng)控制在30K以內(nèi)。因此對(duì)于一些大電流連接器，如果設(shè)計(jì)不夠合理，如接觸件、絕緣體等選材不對(duì)、接觸件形狀設(shè)計(jì)不好、接觸電阻及導(dǎo)體電阻控制不當(dāng)?shù)染赡茉斐蓽厣^30K，導(dǎo)致連接器或整個(gè)系統(tǒng)失效[1，2]。

綜上所述，溫升過高是引起電連接器失效的一個(gè)非常重要的因素，所以研究電連接器在正常工作時(shí)的溫度變化對(duì)提高其可靠性是非常有必要的。因此本文針對(duì)某汽車轉(zhuǎn)接座在正常通流350A情況下，溫升摸底試驗(yàn)出現(xiàn)溫升過高的問題，提出一種基于溫升控制的某汽車轉(zhuǎn)接座熱設(shè)計(jì)研究方法，首先利用ANSYS Workbench熱電耦合模塊建立現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行溫升分析，得到現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座溫度分布情況。最后通過Design Exploration優(yōu)化模塊對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化分析。

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座溫升仿真分析

目前，針對(duì)連接器產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)多通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算得到相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，最后通過實(shí)際測(cè)試以此確定該產(chǎn)品實(shí)際溫升是否滿足要求，該方法耗時(shí)耗力，一旦溫升不合格，就得采取重新更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方法降低溫升以滿足使用要求，極大增加了研發(fā)周期及成本。傳統(tǒng)連接器熱設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

如圖2所示為現(xiàn)有該款轉(zhuǎn)接座三維模型，轉(zhuǎn)接座三維實(shí)體模型由Pro/Engineer建立。由接觸件、外殼絕緣體、墊圈、密封圈4部分構(gòu)成。相關(guān)材料屬性如表1所示。

圖1 傳統(tǒng)連接器熱設(shè)計(jì)流程Fig.1 Traditional connector thermal design process

圖2 插針與冠簧接觸簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified contact model between pin and crown spring

表1 相關(guān)材料及屬性Tab.1 Related materials and properties

1.1 有限元模型的建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，由于是電流生熱情況，因此選擇Workbench中Thermal-Electric（熱電耦合）模塊進(jìn)行溫升仿真分析。前置處理通過ANSYS Mechnical來完成，定義相關(guān)材料屬性，隨之對(duì)其劃分網(wǎng)格，由于接觸件屬于轉(zhuǎn)接座的生熱源頭，因此網(wǎng)格要密一些，網(wǎng)格大小定義為0.5mm[3]。網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

根據(jù)轉(zhuǎn)接座實(shí)際使用情況，電流從轉(zhuǎn)接座接觸件上端面輸入，接觸件尾部端面輸出，該轉(zhuǎn)接座實(shí)際通流350A，因此接觸件上端面施加電流350A，另外端面施加0V電壓。轉(zhuǎn)接座其他外表面與空氣接觸，因此設(shè)置為對(duì)流和熱輻射邊界條件，設(shè)置空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)為4.86W/m2·℃，根據(jù)所選材料及顏色綜合設(shè)置輻射率為0.9，環(huán)境溫度為25℃。邊界條件及載荷如圖4所示。

1.2 有限元溫升仿真分析結(jié)果

通過ANSYS Workbench自帶的求解器進(jìn)行求解，通過計(jì)算，其結(jié)果溫度云圖，如圖5所示。

圖4 邊界條件及載荷施加Fig.4 Boundary conditions and load application

圖5 溫度云圖Fig.5 Temperature cloud

由圖5溫度云圖可以看出，溫度較高處基本集中在接觸件上，這是由于接觸件本身作為熱源，隨之通過熱傳導(dǎo)傳遞到絕緣體，由于絕緣體下方與接觸件接觸處壁厚較薄，因此溫度也較高。最高溫度109.76℃，溫升為84.76K，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30K以內(nèi)，因此該轉(zhuǎn)接座在實(shí)際使用過程中極大可能會(huì)發(fā)生失效且可能威脅整個(gè)系統(tǒng)。綜上所述，因此本文需對(duì)該轉(zhuǎn)接座進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1 轉(zhuǎn)接座熱平衡方程的建立

傳熱的基本方式一般有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射這三種形式[4]。電連接器在通流情況下溫度升高，是由于接觸件導(dǎo)體電阻的存在產(chǎn)生焦耳熱，熱量沿著導(dǎo)體軸向上傳導(dǎo)，徑向上通過電連接器外殼、其他附件進(jìn)行熱傳導(dǎo)，傳導(dǎo)至電連接器外殼的熱量進(jìn)一步通過熱對(duì)流、熱輻射的方式向外進(jìn)行熱量交換，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于本文研究的是轉(zhuǎn)接座長(zhǎng)時(shí)間通穩(wěn)定電流工作狀態(tài)下的溫升，所以為穩(wěn)態(tài)熱分析。該熱分析模型滿足能量守恒定律，即系統(tǒng)自身的發(fā)熱功率等于對(duì)外散發(fā)的能量，因此根據(jù)能量守恒定律及傳熱學(xué)相關(guān)定律可建立如公式（1）的功率平衡方程：

式中：I—通過轉(zhuǎn)接座導(dǎo)體的電流；R—轉(zhuǎn)接座接觸件導(dǎo)體電阻；dT/dx—導(dǎo)體沿著軸向方向的溫度梯度；K—接觸件材料的熱導(dǎo)率；A1—接觸件橫截面積；Ts—轉(zhuǎn)接座外表面溫度；Tf—環(huán)境溫度；h—對(duì)流換熱系數(shù)；A2—對(duì)流散熱面積；A3—輻射面積；σ—斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)）；ε—物質(zhì)的發(fā)射率 （黑度）；ρ—導(dǎo)體材料電阻率；l—導(dǎo)體長(zhǎng)度；s—導(dǎo)體橫截面積。

2.2 溫升影響因素分析

由于該轉(zhuǎn)接座由多個(gè)零件組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不規(guī)則，所以根據(jù)上述功率平衡方程來計(jì)算電連接器內(nèi)外部的溫度場(chǎng)分布是比較困難的，因此只能定性分析影響該轉(zhuǎn)接座溫升的影響因素。

根據(jù)式（1）可知，影響電連接器溫升的因素很多，從等式左端來看，工作電流I、導(dǎo)體電阻R越大，熱功率會(huì)越大，從而導(dǎo)致溫升較高。要使溫升降低，則自身發(fā)熱功率需減小，由于額定電流不變，則需降低導(dǎo)體電阻R，由式（2）可知，可以通過增大導(dǎo)體橫截面積S、減小接觸件導(dǎo)體電阻率或者減小接觸件長(zhǎng)度，由于該產(chǎn)品外形尺寸已確定，因此只能通過減小電阻率ρ的方式減小自身發(fā)熱功率。從等式右端分析，增大接觸件的熱導(dǎo)率K、增加對(duì)流換熱系數(shù)h以及增大物質(zhì)的發(fā)射率ε都可以使轉(zhuǎn)接座溫升降低。要想改變對(duì)流換熱系數(shù)h則需要改變環(huán)境，或者加散熱機(jī)構(gòu)，由于該轉(zhuǎn)接座實(shí)際工作環(huán)境為空氣自然對(duì)流環(huán)境，沒有強(qiáng)制對(duì)流發(fā)生，因此對(duì)流換熱系數(shù)h也無法改變；對(duì)于該轉(zhuǎn)接座絕緣體材料輻射率定義為0.9，輻射系數(shù)由產(chǎn)品材料決定，而且已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的值，也無進(jìn)一步增大的空間[5]。因此綜上所述，要想降低該轉(zhuǎn)接座整體溫升可通過減小接觸件材料電阻率，增大材料熱導(dǎo)率的形式降低溫升。

2.3 轉(zhuǎn)接座優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)上述轉(zhuǎn)接座溫升影響因素的分析，由于該轉(zhuǎn)接座墊圈以及密封圈都不與接觸件直接接觸，且結(jié)構(gòu)尺寸較小，熱量均是通過外殼絕緣體傳導(dǎo)再與空氣對(duì)流換熱，對(duì)溫升影響可忽略不計(jì)，因此不考慮優(yōu)化墊圈以及密封圈結(jié)構(gòu)及材料。最終選取轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1、接觸件材料熱導(dǎo)率P2、絕緣體材料熱導(dǎo)率P3作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，分別將導(dǎo)電率100%IACS的純銅電阻率1.72e-8、熱導(dǎo)率為386.4 W/m·℃作為設(shè)計(jì)變量P1的下限和設(shè)計(jì)變量P2的上限，通過查閱資料一般絕緣體材料的熱導(dǎo)率在（0.1～2.5）W/m·℃之間。隨之將轉(zhuǎn)接座最高溫度定義為優(yōu)化目標(biāo)。相關(guān)優(yōu)化參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化參數(shù)Tab.2 Optimization parameters

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA－364－70規(guī)定，電源連接器的溫升應(yīng)控制在30K以內(nèi)，因此定義轉(zhuǎn)接座整體最高溫度P4-25℃（環(huán)境溫度）≤30K，即 P4≤55℃。因此將 P4≤55℃定義為優(yōu)化目標(biāo)。得到轉(zhuǎn)接座目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：

2.4 轉(zhuǎn)接座優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析

通過ANSYS Workbench Design Exploration優(yōu)化模塊對(duì)上面的分析結(jié)果建立設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)面模型，通過二次擬合，得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量變化的敏感程度柱狀圖[6]，如圖6所示。由圖6可知，敏感度系數(shù)P1＞0，P2、P3＜0，即轉(zhuǎn)接座整最高溫度 P4 隨著接觸件電阻率P1的增大而增大，并隨著P2、P3值減小而減小，且參數(shù)P1、P3對(duì)P4影響較為顯著，P2對(duì)P4影響程度較弱，轉(zhuǎn)接座最高溫度P4隨著接觸件熱導(dǎo)率變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在P1和P3值恒定的情況下，P2對(duì)P4影響很小，因此可忽略參數(shù)P2對(duì)結(jié)果的影響。綜上，通過靈敏度分析可得到優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化而需要的設(shè)計(jì)變量，因此靈敏度分析可用于最終優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)的挑選[7]。

圖6 靈敏度分析柱狀圖Fig.6 Sensitivity analysis histogram

圖7 溫升隨接觸件熱導(dǎo)率變化曲線Fig.7 Variation of temperature rise with thermal conductivity of contact parts

3 優(yōu)化結(jié)果分析

由上述靈敏度分析可知，轉(zhuǎn)接座接觸件熱導(dǎo)率P2對(duì)最高溫度影響甚微，因此在優(yōu)化分析時(shí)，轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1以及絕緣體材料熱導(dǎo)率P3影響。通過Design Exploration優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，選擇Screening（篩選法）優(yōu)化方法，樣本數(shù)輸入10000，最可通過計(jì)算求解出3個(gè)最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)[8]。相應(yīng)最優(yōu)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)候選點(diǎn)Tab.3 Optimization design candidates

由表3可看出，3個(gè)最佳候選點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的接觸件電阻率基本在1.73e-8Ω·m左右，根據(jù)查閱相關(guān)材料資料，可選取紫銅T2作為接觸件材料，其電阻率為1.72E-8Ω·m。絕緣體熱導(dǎo)率變化較大，考慮到熱導(dǎo)率越大的絕緣體材料，其成本和售價(jià)也越高，因此可在滿足轉(zhuǎn)接座性能要求和經(jīng)濟(jì)效益前提下選擇熱導(dǎo)率相對(duì)較低一點(diǎn)的絕緣體材料，因此綜合考慮，絕緣體材料不予更換，最終轉(zhuǎn)接座相關(guān)零件材料屬性如表4所示。對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座重新進(jìn)行溫升仿真分析，得到優(yōu)化后的結(jié)果溫升云圖如圖8所示。

表4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)接座相關(guān)零件材料屬性Tab.4 Optimize the material properties of the adapter part related after the optimization

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)接座溫度云圖Fig.8 The adapter temperature cloud after the optimization

由上述圖8溫度云圖可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座溫度分布分布與改進(jìn)前一致，最高溫度為45.674℃，溫升20.674K。溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定30K以內(nèi)。表5所示為優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座與優(yōu)化前轉(zhuǎn)接座有限元溫升仿真分析結(jié)果對(duì)比。

由表5可知，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座最高溫度相比優(yōu)化前減小58.4%，溫升在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下減小75.6%。綜上分析可知，通過仿真優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座可靠性得到顯著提高。繼而證明該優(yōu)化改進(jìn)是合理有效的。后續(xù)將對(duì)該有限元分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

表5 有限元分析結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of finite element analysis results

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取最終優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接座與優(yōu)化前的轉(zhuǎn)接座進(jìn)行溫升對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)按QC/T417.1-2001中4.14的規(guī)定進(jìn)行。通以額定工作電流350A，當(dāng)溫度達(dá)到熱平衡后，其接觸件以及絕緣體溫升不應(yīng)超過30K。溫升達(dá)到熱平衡后采用新接觸件（端子）轉(zhuǎn)接座溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，轉(zhuǎn)接座溫度開始變化幅度較大，隨著時(shí)間的推移溫度慢慢趨于穩(wěn)定，達(dá)到熱平衡。改進(jìn)前轉(zhuǎn)接座穩(wěn)定后的最高溫度107.5℃，可得溫升為82.5K。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)接座最高溫度45.9℃，溫升 20.9K。分別對(duì)比改進(jìn)前及改進(jìn)后有限元溫升仿真計(jì)算結(jié)果可知，誤差均在5%以內(nèi)。因此進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 溫升試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Temperature rise test results

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)有某款汽車轉(zhuǎn)接座的基礎(chǔ)上，針對(duì)其實(shí)際工作過程中溫升過高的問題，提出一種基于溫升控制的熱設(shè)計(jì)研究方法，結(jié)論如下：

（1）本文在現(xiàn)有轉(zhuǎn)接座的基礎(chǔ)上，建立了轉(zhuǎn)接座有限元模型，通過有限元溫升仿真分析，得出轉(zhuǎn)接座最高溫度109.76℃，溫升為84.76K，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30K以內(nèi)，因此該轉(zhuǎn)接座在實(shí)際使用過程中極大可能會(huì)發(fā)生失效且可能威脅整個(gè)系統(tǒng)。因此需對(duì)該轉(zhuǎn)接座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）通過 ANSYS Workbench Design Exploration 優(yōu)化模塊對(duì)轉(zhuǎn)接座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取轉(zhuǎn)接座接觸件電阻率P1、接觸件及絕緣體材料熱導(dǎo)率P2、P3作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，轉(zhuǎn)接座最高溫度為優(yōu)化目標(biāo)，得到了各優(yōu)化目標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量變化的敏感程度柱狀圖，結(jié)果表明，參數(shù)P2對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響微弱，因此可在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中只考慮調(diào)整參數(shù)P1、P3。

（3）在滿足相關(guān)溫升標(biāo)準(zhǔn)的前提下，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)接座相比優(yōu)化前溫升減小75.6%。轉(zhuǎn)接座可靠性得到顯著的提高。最后通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文的研究成果為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。