電動汽車用高壓連接器概述及測試驗證

周光榮，王嬌嬌，張 亮，李 曉，未倩倩，陳 赫

（1.蘇州智綠環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 蘇州 215126；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

電動汽車從發(fā)展之初到現(xiàn)在，已經(jīng)得到越來越多人的認可，也走進了尋常百姓家。無論是純電動、混合、燃料電池汽車，都需有一套完整的高壓連接系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中，往往都應用大量的高壓連接器，這一點與傳統(tǒng)汽車有著明顯的區(qū)別。高壓系統(tǒng)工作時放電電流有可能達到數(shù)幾十安，甚至高達數(shù)百安［1］。但是在新能源電動汽車發(fā)展初期，高壓連接器并沒有得到整車企業(yè)的足夠重視，認為高壓連接與傳統(tǒng)低壓線連接類似，重心在“三電” （電驅、電池、電控）上面，但隨著時間的推移，大家發(fā)現(xiàn)高壓連接系統(tǒng)比較容易發(fā)生問題，且一旦發(fā)生問題，后果都比較嚴重，輕則過熱，嚴重時容易發(fā)生高溫或燃燒事件。正是因為大家認識到高壓連接器的重要性［2］，開始重視高壓連接系統(tǒng)。在前幾年，整車企業(yè)更傾向選擇市場上用量較大、品質更穩(wěn)定的外資品牌產(chǎn)品。

隨著這幾年國內(nèi)電動汽車的發(fā)展，加上成本及競爭加劇，不少車企也在開始選用國內(nèi)品牌的產(chǎn)品，也給國內(nèi)連接器企業(yè)帶來了更多的機會，成就了這個行業(yè)的快速發(fā)展，但從行業(yè)整體水平來看，與外資品牌的差距還很大，這也意味著國內(nèi)企業(yè)有一定的發(fā)展空間。

本研究圍繞高壓連接器的發(fā)展歷程展開，分析中國電動汽車用高壓連接器的標準體系、測試方法，針對產(chǎn)品使用過程中的性能指標，搭建高壓連接器測試系統(tǒng)，開展高壓連接器的物理連接、電氣性能等方面的測試，為產(chǎn)品的不斷改進提供了支撐。

1 高壓連接器的發(fā)展歷程

電動汽車高壓連接器的發(fā)展與電動汽車的發(fā)展是同步進行的，從連接器角度來說，國內(nèi)電動汽車連接器發(fā)展經(jīng)歷以下幾代。

1）第1代高壓連接器 （圖1），2008年左右開始，主要是由當時工業(yè)連接器改款而來。這代產(chǎn)品的特點，以金屬連殼體為主，無高壓互鎖功能，防誤插入 （防呆）效果較差。比較有代表性產(chǎn)品有安費諾公司HV系列的金屬連接器，后來市場上很多款連接器是基于這種類型產(chǎn)品延伸擴展出來的。

2）第2代高壓連接器 （圖2），在第1代的基礎上增加了高壓互鎖功能，連接器的外殼也逐漸由金屬變?yōu)樗芰稀?/p>

3）第3代高壓連接器 （圖3），塑料+屏蔽功能+高壓互鎖的高壓連接器。有代表性的是行業(yè)中800系列產(chǎn)品 （這類產(chǎn)品是通過操作順序來實現(xiàn)部分二級解鎖功能，不是直接機械式結構），如TE／安費諾／智綠及國內(nèi)新一代產(chǎn)品。

圖1 第1代高壓連接器

圖2 第2代高壓連接器

圖3 第3代高壓連接器

4）第4代高壓連接器 （圖4），塑料+屏蔽功能+高壓互鎖+二級解鎖的高壓連接器。有代表性的是行業(yè)中280系列產(chǎn)品，如TE／智綠及國內(nèi)新一代產(chǎn)品，這類產(chǎn)品是通過機械結構來實現(xiàn)二級解鎖功能，更為安全。

圖4 第4代高壓連接器

5）未來一代高壓連接器 （圖5）會在第4代產(chǎn)品上考慮冷卻方式，如配合大功率充電帶液冷、風冷的方式，來有效提高傳輸能量密度，降低質量，提高產(chǎn)品綜合性能。

2 電動汽車用高壓連接器的技術特點

圖5 未來一代高壓連接器

在新能源汽車的三電系統(tǒng)中，高壓連接系統(tǒng)有著舉足輕重的地位，好比是把人體內(nèi)各個重要的器官有機整合的血管系統(tǒng)，電池總正、總負回路類似于人體主動脈和主靜脈，各個系統(tǒng)回路類似于人體各條動脈、靜脈和毛細血管，是保證電動汽車能量傳遞，安全、可靠運行的重要保障，實現(xiàn)源源不斷地把能量傳送到各個系統(tǒng)。圖6為高壓連接系統(tǒng)與三電的關系。

圖6 高壓連接系統(tǒng)與三電的關系

2.1 端子類型

目前高壓連接器可按照端子類型及結構兩種方式進行分類。

2.1.1 按照端子類型分 （圖7）

圖7 方端子與圓端子

1）方端子結構。采用沖壓的端子技術，這類別的端子成本較低，有模具要求及模具費用投入高，40A以下的小電流中應用較為廣泛，行業(yè)中以TE端子具有代表性。有一些日系、美系車企大電流的連接器采用方端子結構，住友、Yazaki等，車企如Tesla、豐田。

2）圓端子結構。采用機加工端子技術為主，端子成本相對于沖壓端子，成本更高，但由于采用機加工生產(chǎn)方式，無需或很低的模具投入，端子前期投資較少。比較有代表性的產(chǎn)品有TE HVA800系列、國內(nèi)主流產(chǎn)品系列。

2.1.2 按照結構類型分 （圖8）

連接器結構按照安裝方式可以分為插頭、插座，插頭可分為線性插頭、90°直角插頭，插座可分為法蘭插座、90°直角插座，線性插座等。

圖8 高壓連接器的分類

2.2 高壓互鎖［3］

高壓互鎖 （High Voltage Inter－lock，簡稱HVIL），用低壓信號管理高壓回路的一種安全設計方法。在高壓系統(tǒng)設計中，為避免由于高壓連接器在實際操作過程中帶電斷開、閉合所造成的拉弧，高壓連接器一般都應具備“高壓互鎖”功能。

具有高壓互鎖功能的高壓連接系統(tǒng)，連接和斷開時功率和互鎖端子應滿足以下條件：高壓連接系統(tǒng)連接時，功率端子先接通，互鎖端子后接通；高壓連接系統(tǒng)斷開時，互鎖端子先斷開，功率端子后斷開。

高壓互鎖常用于高壓電氣回路中，如高壓連接器、MSD、高壓配電盒等回路中。

帶有高壓互鎖的連接器，在帶電情況下進行解鎖時，可通過高壓互鎖的邏輯時序來斷開，斷開的時間與高壓互鎖端子和功率端子的有效接觸長度差值大小有關，與斷開時的速度有關。通常情況下，系統(tǒng)對互鎖端子回路的響應時間在10～100ms之間，當連接系統(tǒng)分離 （拔出）時間小于系統(tǒng)響應時間時，就會出現(xiàn)帶電插拔的安全風險，而二次解鎖就是為了解決這個斷開時間問題，通常情況下，二次解鎖能有效地把這個斷開時間控制在1s以上，以確保操作安全。

2.3 二次解鎖

二次解鎖分為兩種方式，一種是通過操作順序來實現(xiàn)，通過與正常拔出的反方向或不同方向來實現(xiàn)，如市場上主流的HVA800、HVC800系列高壓連接器產(chǎn)品，連接器拔出時，助力板手與分離方向正好相反或不在一個方向上，以增加拔出時的響應時間，達到二次解鎖功能。另一種為機械式的二次解鎖功能，當拔出連接器時，第一次只能拔出到高壓互鎖端子斷開的位置，這個狀態(tài)下功率端子仍然有效接觸，此時高壓回路因高壓互鎖端子分離而斷開，然后再經(jīng)過二次操作才能把功率端子分離，從而實現(xiàn)兩次解鎖功能要求，機械式二次解鎖與操作順序解鎖相比，具有更高的安全性，但結構相對更復雜。圖9為二級解鎖過程。

圖9 二級解鎖過程

2.4 鎖止結構

連接器二次鎖止結構 （Connector Position Assurance，簡稱CPA），是用于增加連接器鎖止裝置強度的卡扣結構。CPA能有效保護連接器插頭、插座的可靠連接，防止汽車運行過程中的意外松脫或接觸不良引起的帶載插拔安全事故，CPA屬于輔助鎖止結構，是通過與主鎖止結構配合以達到可靠鎖止的要求。CPA的工作原理，當主鎖止結構鎖止后，CPA輔助鎖止，此時主鎖止結構將不容易受到外界環(huán)境影響而松脫 （主鎖止結構失效除外），解鎖時需要解開CPA才能正常解開，能滿足較苛刻條件下使用的一種鎖止構結。

2.5 端子輔助結構

連接器端子保持輔助結構 （Terminal Position Assurance，簡稱TPA） （圖10），是用于對端子的二次保護和限位的一種結構，防止端子在外界拉力的作用下脫出，造成線路中斷，應用在環(huán)境比較惡劣或要求拉脫力更大的情況下。這種構成中一般會包含兩種保持結構，一是端子本身的保持結構，另一種是由TPA構成的保持結構。

圖10 端子輔助結構TPA

2.6 關鍵參數(shù)端子壓接評估

端子壓接是連接器行業(yè)核心的關鍵工藝，評價端子壓接的效果主要由以下幾點組成。

1）端子抗拉力。評估端子壓接的效果包含端子與線之間的壓接最小抗拉強度。主要參數(shù)要求見表1。

表1 端子抗拉力

2）端子電阻。評估端子壓接的效果包含壓接電阻測試評估。表2為端子電阻。

表2 端子電阻

3）端子壓接剖面分析。對壓接后的端子壓接有效區(qū)域（選擇壓縮最致密區(qū)域）進行端面截斷，打磨，剖光，然后用專業(yè)的設備進行壓縮比測試，在放大約5～10倍時要求被壓縮的線纜銅絲間無可見空隙，且壓縮比控制在80%～90%為宜。

4）端子溫升。溫升測試，一般要求溫升不超過55K（不同的標準對應不同的要求，也有50K）。國標GB／T 37133—2018中的要求是55K［4］。

5）端子壓高壓寬的定義。對于前面測試OK后的端子進行端子壓高、壓寬定義，并在制程過程中進行CPK管控。

2.7 高壓連接器的綜合檢測

高壓連接器及線束在生產(chǎn)下線過程中，需對產(chǎn)品性能進行綜合檢測，這類綜合檢測對產(chǎn)品品質起到非常重要的把關作用，一般會包含但不限于以下幾項進行測試。

1）耐壓測試。主要是針對產(chǎn)品在組裝過程中是否存在因空間或爬到距離變化導致的耐壓不良，或者在線束組裝過程中線束壓接或其他引起損傷導致的耐壓不良產(chǎn)生的風險，通常情況下這類測試需要100%的檢測。

2）絕緣測試。主要是針對產(chǎn)品在組裝過程中是否存在因空間或爬到距離變化導致的絕緣不良，或者在線束組裝過程中線束壓接或其他引起損傷導致的絕緣不良產(chǎn)生的風險。

3）回路導通。多用于2組或以上的回路中，用于檢測連接器在組裝后各回路是否一一對應。

4）氣密測試。適用于連接器成品或線束總成測試，施加47.8kPa的氣壓，對連接器的密封性進行檢測，測試時間、泄漏值及其他參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品特點調整。

5）屏蔽回路測試。用于檢測屏蔽回路中的阻值，一般情況下屏蔽電阻應小于10mΩ。

綜合模擬測試臺 （圖11）可實現(xiàn)連接器的主要電氣性能檢測 （絕緣、耐壓、導通等）及氣密性測試，檢測NG時綜合檢測臺程序鎖止，并伴隨著報警燈閃爍，需專人打開。測試OK后能自動生成唯一條形碼 （二維碼）的標簽并打印，確保所有下線產(chǎn)品經(jīng)過檢測并且可追溯。

圖11 綜合模擬測試臺

3 測試驗證

3.1 測試系統(tǒng)搭建

由于高壓連接器的性能直接關系到整個新能源汽車的安全，所以對產(chǎn)品的要求，除了要拿到最終產(chǎn)品狀態(tài)的標準符合性報告，在工廠設計及生產(chǎn)階段還會有DV測試驗證及PV測試。測試要求主要包含以下方面。

1）電氣性能。電氣性能包括對電氣參數(shù)的確認以及電氣安全的保證。如電流循環(huán)、搭鐵電阻、絕緣耐壓測試等。

2）機械性能。為保證產(chǎn)品的安裝便利性、連接的可靠性以及維修的便利性，對產(chǎn)品的拉拔力、振動、機械機構等方面做出的要求。

3）環(huán)境性能。包括耐鹽霧、熱老化、溫度沖擊、濕熱循環(huán)等，這些環(huán)境可以完整復現(xiàn)產(chǎn)品在使用過程中的嚴苛工況，為產(chǎn)品在使用過程中的可靠性提供檢驗依據(jù)。

具體測試項目參照表3執(zhí)行，測試方法及要求根據(jù)產(chǎn)品的使用工況會存在差異。

為有效對高壓連接器進行測試，試驗室搭建了用于溫升測試的系統(tǒng)（圖12），測試系統(tǒng)包括直流恒流源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及控制單元。直流恒流源為被測樣品提供所需電流值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集被測樣件各個點的溫度值及環(huán)境溫度，控制單元用于調整整個測試系統(tǒng)中的電流值。

表3 測試項目及分類

圖12 溫升測試系統(tǒng)

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 端子保持力

本研究對同一型號的4個連接器進行了端子保持力的測試，線徑截面積為4mm2，測試結果如圖13所示。

圖13 端子保持力曲線

圖13 中可見，對于線徑截面積為4mm2的產(chǎn)品，其端子抗拉力可滿足表1中的最小抗拉強度要求，且公端與母端的產(chǎn)品一致性在可控范圍內(nèi)。

3.2.2 溫升

本研究選取線纜截面積為4mm2的連接器，通以30A的電流值，每天記錄其溫升數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄1008h，如圖14所示。

圖14 端子溫升曲線

由圖14分析，4mm2的連接器可長期承受30A，且溫升保持在45K范圍內(nèi)。在前600h內(nèi)，溫升數(shù)據(jù)在一定的范圍內(nèi)波動，在650～700h，溫升值開始上升至最高，逐漸穩(wěn)定在45K，可滿足基本使用工況。

眾所周知，在新能源汽車中，高壓連接器的使用環(huán)境較為復雜，濕度、溫度都是影響其性能的主要因素，因此在進行驗證試驗時，除上面提到的常溫環(huán)境下的驗證測試，還需要開展復雜環(huán)境下的的驗證以保證其可靠性。

4 結論

高壓連接系統(tǒng)作為新能源汽車中的重要組成部分，其可靠性問題會直接影響電動汽車安全性，將對行業(yè)發(fā)展造成嚴重影響［10］。本文研究了電動汽車用高壓連接器的發(fā)展歷程，從產(chǎn)品的技術特點及測試要求等幾方面重點介紹?；谄潢P鍵技術要求，搭建了綜合模擬測試臺架，對指定一款產(chǎn)品進行了測試，依據(jù)測試數(shù)據(jù)進行了分析總結，后續(xù)的驗證測試需考慮更復雜的環(huán)境，以提高產(chǎn)品可靠性。