淺談幾種接觸件在新能源汽車高壓連接器上的應(yīng)用

趙海燕，李彬

（沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，沈陽100144）

1 緒論

連接器是通過電信號、光信號和機械力連接、斷開或轉(zhuǎn)換電路或光通道的功能元件，用于控制。在設(shè)備、部件、設(shè)備和系統(tǒng)之間的ECT電信號或光信號。傳輸信號或電磁能量，防止信號失真和能量損耗在系統(tǒng)之間發(fā)生變化。

連接器[1]目前廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事裝備、交通運輸、通訊、計算機、汽車、工業(yè)、家用電器等領(lǐng)域。連接器行業(yè)對終端應(yīng)用領(lǐng)域的變化發(fā)展靈敏，應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品市場的成長，能有力推動連接器行業(yè)的市場發(fā)展，同時應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的先進性和研發(fā)投入也將影響連接器行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平。

2 選題背景

近幾年，隨著國家倡導(dǎo)綠色發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得了長足的進步。在新能源汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，高壓連接器是極其重要的元部件，整車、充電設(shè)施上均有應(yīng)用。新能源汽車用高壓連接器主要由接觸件、絕緣體、殼體及附件四部分構(gòu)成。其中：接觸件是連接器的核心部件，整車各條線路和系統(tǒng)都是通過插合接觸件完成行駛過程中所需的光、電信號的連接；絕緣體主要起到絕緣作用；外殼主要起固定和保護作用；附件則是根據(jù)用戶的要求，完成對連接器所連接線纜及其他零件的保護，滿足工作環(huán)境的其他要求。

實現(xiàn)電連接器連接功能的是集成在電連接器絕緣體內(nèi)部的多對接觸件，任何一對接觸件的接觸不好都會造成電連接器[3]的失效。據(jù)統(tǒng)計，目前各種系統(tǒng)的失效或故障現(xiàn)象的70%是由元器件的失效而產(chǎn)生的，在這其中又有40%是由電連接器的接觸失效而產(chǎn)生的。接觸件的接觸可靠性取決于接觸件的接觸形式、表面質(zhì)量、原材料性能和工作環(huán)境等多種因素。因此，分析接觸件的結(jié)構(gòu)，特別是彈性結(jié)構(gòu)對接觸情況和接觸可靠性的影響，對于提高電連接器的可靠性有著重要的意義。

3 接觸件的材質(zhì)、性能和結(jié)構(gòu)要求

我所工作的產(chǎn)品研發(fā)團隊，一直都在致力于開發(fā)適合于新能源汽車的高壓連接器。近幾年已經(jīng)開發(fā)出了百余種產(chǎn)品，已經(jīng)大量提供給客戶使用。這些產(chǎn)品在研發(fā)的過程中，我們的技術(shù)人員都做了大量的設(shè)計方案，一方面要規(guī)避同類產(chǎn)品的專利，另一方面要尋找適合我們公司的物美價廉、質(zhì)量上乘的零部件。特別是核心結(jié)構(gòu)——接觸件，更是我們設(shè)計初期反復(fù)論證和研討的。為了確定適合我們的設(shè)計方案，以實現(xiàn)高可靠性、拔力柔和、接觸電阻小、抗振動、耐沖擊等特點，我們對目前已知的接觸體，特別是插孔的結(jié)構(gòu)、性能和材質(zhì)要求進行了分析。當(dāng)然作為企業(yè)，產(chǎn)品的經(jīng)濟性和工藝性也是我們必須考慮的問題。經(jīng)過分析我們認為，目前在行業(yè)中，使用最多的，適用于大電流、高電壓的插孔結(jié)構(gòu)主要有冠簧孔、扭簧孔、觸指孔和三層疊加簧片孔。其余的如開槽式插孔、線簧式插孔比較適用于小電流、低電壓的使用環(huán)境。

3.1 接觸件的結(jié)構(gòu)

我們研發(fā)的適用于新能源汽車用電連接器主要以金屬外殼圓形連接器為主，當(dāng)然隨著新能源汽車的普及，塑性連接器的研發(fā)和使用也將越來越多。無論是金屬外殼還是塑性連接器，接觸件都是不可或缺的核心部件。圖3.1為新能源汽車用電連接器的實物，通常每個電連接器[4]內(nèi)部安裝多對接觸件，接觸件由絕緣體固定并實現(xiàn)接觸件間的絕緣。圖3.2為一對常用接觸件，一般電連接器接觸件包括插針和插孔兩個部分，通過插針、插孔的插合來實現(xiàn)連接器的連接功能。通常，插針為剛性接觸件，插孔為具有彈性結(jié)構(gòu)的接觸件。插針和插孔表面通常經(jīng)過鍍層處理，以提高表面質(zhì)量，減小摩擦力和接觸電阻，一般為鍍銀或鍍金層。

3.2 電連接器接觸件的性能

電連接器的基本性能主要分為三個部分：電氣性能、機械性能、耐環(huán)境性能。電氣性能主要包括接觸電阻、絕緣耐壓和絕緣電阻，其中，接觸電阻由插針和插孔來保證，主要有兩個方面的要求：

①插針和插孔在插合后的接觸電阻必須小于規(guī)定的接觸電阻。

②插針和插孔插合后，保證接觸的連續(xù)性，不能產(chǎn)生接觸瞬斷或長時間斷開。

只有做到這兩點，才能保證電連接器所連接的元器件之間的光、電信號的可靠傳輸。耐電壓和絕緣電阻通過電連接器內(nèi)部的絕緣體保證，要求在工作環(huán)境內(nèi)具有較高的絕緣性和耐電壓擊穿性能。

電連接器[5]的機械性能主要有插拔力和機械壽命兩個方面。對于插針和插孔而言，插拔力包括插入力和分離力兩部分，是插針和插孔插合和分離時，插針克服插孔彈性變形及摩擦力而產(chǎn)生的阻力，所以插入力不大于分離力。插針和插孔的機械壽命實際上是一種機械耐久性指標(biāo)，它是以一次插入和一次分離為一個循環(huán)，以在規(guī)定的插拔循環(huán)后電連接器能否實現(xiàn)正常連接功能作為評判依據(jù)。我們現(xiàn)在接觸的插針和插孔結(jié)構(gòu)一般能夠完成單獨的萬次插拔，而能正常工作。另外現(xiàn)在我們研發(fā)的連接器，大多數(shù)的整體壽命都在插拔500次。

圖3.1 圓形電連接器的結(jié)構(gòu)圖

圖3.2 接觸件的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 電連接器接觸件的材料

插針和插孔材料的選取應(yīng)以性能要求為依據(jù)，選用的材料要具有較高機械強度，以防止插針和插孔插拔時有所損傷；為了保證插針和插孔插合過程中具有較大的接觸力，插孔材料應(yīng)具有較高的彈性。為了保證插針和插孔間具有較高的機械壽命，同樣要求材料具有較高的抗疲勞性，加工成型性能良好，導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率要高，可焊性和耐腐蝕性好等，在現(xiàn)有的材料中，電連接器接觸件最常用的材料有：錫青銅（ASn4-3）、鈹青銅（Qbe2）、黃銅（H62）、鉛黃銅（HPb59）等銅合金。

為了滿足插針和插孔的電接觸性能，降低接觸電阻，提高接觸的穩(wěn)定性，所選材料必須具有優(yōu)良的電氣性能。銅具有較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，耐腐蝕性，且操作性好，但是較軟易彎曲；錫青銅是良好的插針材料，對腐蝕不敏感，但是導(dǎo)電性比黃銅差；黃銅是良好的插針材料，具有良好的導(dǎo)電性，很好的操作性，易于焊接，我們選用的插針材料多以黃銅為主；鈹青銅具有很好的彈性，疲勞強度好，耐腐蝕、耐磨損、價格比黃銅貴五倍，這種材料也是我們現(xiàn)在普遍選用的插孔彈性結(jié)構(gòu)材料。

4 影響接觸件可靠性的因素

在目前我們對現(xiàn)有產(chǎn)品的電接觸研究中，發(fā)現(xiàn)插針和插孔在插合過程中，都是靠接觸點來完成點接觸。接觸點會受到多種環(huán)境因素的影響，根據(jù)目前對插針和插孔可靠性研究的情況，發(fā)現(xiàn)影響電接觸可靠性的主要因素包括：接觸形式、接觸壓力、溫度、腐蝕、材料性質(zhì)和表面質(zhì)量。

4.1 接觸形式

接觸形式一般被分為點接觸、線接觸和面接觸三類。通常我們的認知里都認為現(xiàn)有產(chǎn)品的接觸一般都是點接觸。但是接觸點的范圍增加了，也可以在一定范圍內(nèi)認定是線接觸和面接觸。因為我們是制造單位不是科研機構(gòu)，沒有必要也沒有能力去研究微觀的點接觸。根據(jù)現(xiàn)有的研究，我們認為接觸點越多，接觸電阻較小，其中面接觸的接觸電阻最小，點接觸的接觸電阻最大。

4.2 接觸壓力

接觸壓力較小，任何接觸形式下的接觸電阻都較大。而當(dāng)接觸壓力增大時，插孔的彈性結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，接觸面積和接觸點數(shù)目增加，接觸電阻減小。所以，插孔彈性結(jié)構(gòu)在選材時的彈性模量、彈性極限和疲勞極限等指標(biāo)就顯得尤為重要。

4.3 溫度影響

較高的工作溫度會使插針和插孔材料的硬度有所降低，這使得接觸面積增大，接觸點數(shù)目增加，導(dǎo)致接觸電阻減少；而金屬的電阻率會隨溫度升高而增加，使接觸電阻增加。但是，工作溫度的升高會使插針和插孔接觸表面加速氧化，使接觸表面氧化膜的生成速度增加，造成接觸電阻的增加，釋放大量的熱量，導(dǎo)致接觸體周圍溫度升高。

4.4 腐蝕金屬的物質(zhì)

腐蝕金屬的物質(zhì)具體可分為：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。在電連接器的工作過程中，由于外部環(huán)境的污染或電連接器內(nèi)部的有機絕緣體釋放出大量污染氣體，金屬導(dǎo)體與這類氣體接觸時，在金屬的表面會生成化合物膜層，特別是氧化物膜層，造成接觸電阻的增加。

4.5 材料性質(zhì)

插針和插孔材料的性質(zhì)直接影響著接觸電阻的大小，主要包括材料的電阻率、硬度、化學(xué)性能、高溫性能等。根據(jù)業(yè)內(nèi)研究結(jié)果顯示，接觸電阻和材料的電阻率成正比例關(guān)系。材料的接觸硬度影響著接觸面上的接觸點的數(shù)目和范圍。硬度較小時，接觸點較多，接觸范圍較大，接觸電阻較低。

4.6 表面質(zhì)量

插針和插孔的表面質(zhì)量對接觸電阻也有一定的影響。平整且較為粗糙的接觸面，可使插針和插孔間的接觸點增加，同時粗糙的表面有利于在接觸的過程中，產(chǎn)生較大的摩擦力，去除接觸表面的膜層，使接觸電阻減小。而較光滑的接觸表面的接觸點較少，且表面的化合物膜層不容易被破壞，但是其接觸電阻比較穩(wěn)定。

5 我司選用的幾種電連接器接觸件的特點分析

5.1 接觸件的特點分析

電連接器的可靠性與其結(jié)構(gòu)是否合理、完善直接相關(guān)，同樣作為電連接器的關(guān)鍵元件的插針和插孔的結(jié)構(gòu)，對連接器來說是非常重要的。另外能否達到預(yù)期的電氣性能、耐環(huán)境以及可靠性要求也是選用接觸件的重要考慮因素。

根據(jù)新能源汽車用高壓連接器的使用要求，我們選用的接觸件的基本性能要求和結(jié)構(gòu)，見表5.1。插針的結(jié)構(gòu)基本相同，多采用銅或銅合金機加成型；目前采用的插孔主要有冠簧式插孔、扭簧式插孔、三層疊加簧片型插孔和觸指型插孔等結(jié)構(gòu)。扭簧式插孔與冠簧式插孔的結(jié)構(gòu)類似，本文以冠簧插孔為例。幾種插孔形式如圖5.1所示。其主要特點如表5.2所示，從表中可以看出，幾種常見結(jié)構(gòu)的特點。

5.2 給定條件下，三種插孔的選擇

以上三種類型的插孔，對我們研發(fā)的新能源器汽車用高壓連接器說，并不是每種插孔結(jié)構(gòu)都適合。

表5.1 接觸件的基本結(jié)構(gòu)特征

表5.2 接觸件的特點匯總

比如對于我們研發(fā)的一款金屬外殼，五鍵定位，單芯連接器來說，圖5.1中的三種插孔形式都比較適合。但是對于客戶已經(jīng)給定按照尺寸的連接器來并不是每種類型的插孔都適合。這種連接器已經(jīng)確定了安裝尺寸，即插針與插孔接觸的長度已經(jīng)確定。由于三種插孔的機體都是銅或銅合金，彈性結(jié)構(gòu)基本采用鈹青銅，鍍層均選擇鍍銀層，在相同的使用環(huán)境下，實際上溫度、腐蝕等外在條件都是一樣的。由于插拔力也已經(jīng)確定，所以接觸壓力也就確定了。因此，我們在這里主要探討因為接觸形式不同，而導(dǎo)致接觸面積不同。

圖5.1 常用的高壓連接器插孔圖

圖5.2 冠簧插孔與插針的插合圖

由圖5.2、5.3、5.4中可以清楚看出，根據(jù)客戶的要求，我們接觸體的設(shè)計參數(shù)為：插針直徑為φ8mm，插針和插孔的接觸長度為13mm。

①冠簧孔真正與插針接觸的尺寸是從距離端口8 mm左右的位置開始，而接觸的長度l2為3mm,按照內(nèi)徑d2為φ8mm，計算所得接觸面積S2為：S2=πd2l2=3.14*3*8=75.36（mm2）

圖5.3 觸指插孔與插針的插合圖

圖5.4 三層疊加簧片插孔與插針插合圖

②同理可得出：觸指插孔與插針真正的接觸尺寸是從距離端口5.2mm處開始，有三段簧絲與插針接觸，每一段都長1.2mm(也就是簧絲的直徑),所以它的接觸面積就是三圈簧絲在被施加外力后疊壓成的三條簧絲帶，具體接觸面積S3為：

S3=3πd3l3=3*3.14*1.2*8=90.432（mm2）

③三層疊加簧片插孔與插針真正的接觸尺寸是從距端口1.25mm的地方開始的三段，每一段的接觸長度為1.9mm，所以他的接觸面積S4為：

S4=3πd4l4=3*3.14*1.9*8=143.184（mm2）

從可靠性的角度來判斷，結(jié)合以上的理論計算值，可以看出，三層疊加簧片插孔最可靠，觸指插孔次之，冠簧插孔相對來說稍差。（以上數(shù)據(jù)均為理論值，不是實際尺寸）

5.3 按照客戶要求選擇插孔結(jié)構(gòu)的其他決定因素

作為企業(yè)，研發(fā)產(chǎn)品在滿足客戶特殊要求的前提下，必須創(chuàng)造利潤。所以在設(shè)計產(chǎn)品的時候，經(jīng)濟性和工藝性是必須考慮的重要因素。以上三種插孔形式是我們在研發(fā)新能源汽車用高壓連接器常用的結(jié)構(gòu)。但是從經(jīng)濟性和工藝性來看，區(qū)別還是很大。

雖然，冠簧插孔的可靠性與其他兩種相比稍差，但是冠簧插孔的成本較低，制作工藝比較成熟。所以，目前在我們設(shè)計的產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。

觸指插孔的可靠性比較高，因為有三圈簧絲與插針緊密的接觸，即使有一圈簧絲因為過流或其他原因熔斷，還有兩圈簧絲保證產(chǎn)品的性能。并且由于插孔內(nèi)的彈性結(jié)構(gòu)是簧絲，在同類產(chǎn)品中，彈性變形量是最大的，所以插拔力比較柔和。這種插孔的成本基本介于冠簧插孔和三層疊加簧片插孔之間，屬于可靠性、經(jīng)濟性和工藝性結(jié)合比較好的插孔結(jié)構(gòu)。

三層疊加簧片插孔的可靠性，在這三種插孔之中無疑是最高的，但是三層簧片的精度要求較高，其制造成本和裝配成本都較高，其三個簧片的成本，基本相當(dāng)于冠簧插孔整個組件的成本。因此，它的經(jīng)濟性和工藝性都不是新能源汽車客戶所能承受的。

綜上所述，新能源汽車用高壓連接器選用接觸件是一個非常謹慎的過程。既要保證可靠性，又要保證經(jīng)濟性和工藝性，要兼顧三者，就要有所取舍。

隨著新能源汽車技術(shù)的逐漸成熟，整車廠對連接器的要求從高性能不計成本，向高性能，低成本逐漸過渡。因此，我們要跟上整車廠研發(fā)的腳步，根據(jù)整車廠的需求，發(fā)揮我們的技術(shù)優(yōu)勢，研發(fā)適應(yīng)新能源汽車要求的高可靠的電連接器，從這方面看，我們還任重而道遠。