一種高壓大載流管狀端子新結(jié)構(gòu)研究

【摘" 要】在新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車向新能源轉(zhuǎn)型的背景下，純電動(dòng)汽車補(bǔ)電慢促使主機(jī)廠布局超充/極充路線，對(duì)高壓線束總成提出挑戰(zhàn)。文章聚焦高壓線束的關(guān)鍵部件直流充電插座的管狀端子，對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)加扭簧端子與新型高載流管料端子。新型端子由鈹銅多觸點(diǎn)簧片和紫銅管料沖壓外殼構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用料更省。多觸點(diǎn)簧片經(jīng)創(chuàng)新改進(jìn)，與公針和孔壁接觸位置更多，載流性能更強(qiáng)。通過對(duì)導(dǎo)電性能、機(jī)械插拔力、導(dǎo)電溫升和機(jī)械插拔壽命的對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明新型端子接觸電阻更小，導(dǎo)電性能優(yōu)；插拔力穩(wěn)定性好，壽命測(cè)試后衰減??；溫升更低，機(jī)械壽命長(zhǎng)。該新型高載流管料端子在高壓大電流傳輸領(lǐng)域前景廣闊，有望推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】新能源汽車；大載流；管料端子；低成本

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0115-04

Study on a New Structure of Tubular Terminal with High Voltage and Large Current Load

【Abstract】Under the background of the vigorous development of the new energy industry and the transformation of automobiles to new energy，the slow recharge of pure electric vehicles has prompted the Oems to lay out the overcharge/extreme charge route，which poses a challenge to the high-voltage wiring harness assembly. This paper focuses on the tubular terminal of DC charging socket，the key component of high voltage wiring harness，and compares the traditional machine twisted spring terminal with the new type of high current load tubular terminal. The new type of terminal is composed of beryllium copper multi-contact reed and copper tube material stamping shell，which has simple structure and less material consumption. The multi-contact reed has been innovated and improved to have more contact positions with male pins and hole walls，and stronger current-carrying performance. The electrical conductivity，mechanical insertion and withdrawal force，electrical temperature rise and mechanical insertion and withdrawal life are compared and tested. The results show that the new terminal has lower contact resistance and better electrical conductivity. Good stability of insertion and withdrawal force，small attenuation after life test；Lower temperature rise，long mechanical life. The new high-current-carrying pipe material terminal has broad prospects in the field of high-voltage and high-current transmission，and is expected to promote the efficient，economic and sustainable development of the new energy automobile industry.

【Key words】new energy vehicles；large current carrying；pipe terminal；low cost

0" 前言

在當(dāng)前時(shí)代背景下，新能源行業(yè)正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。汽車出行行業(yè)作為我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，正從傳統(tǒng)能源向新能源迅速轉(zhuǎn)型。純電動(dòng)汽車憑借清潔環(huán)保、智能化程度高以及用車成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，已廣泛融入人們的日常生活。然而，純電動(dòng)汽車補(bǔ)電速度較慢的問題，一直是困擾用戶的痛點(diǎn)之一。目前，各大主機(jī)廠都在積極規(guī)劃和布局超充/極充的產(chǎn)業(yè)路線，這使得對(duì)動(dòng)力電池的性能和能量密度要求愈發(fā)嚴(yán)苛。因此，作為動(dòng)力傳輸主要媒介的高壓線束總成，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

高壓線束總成是新能源汽車用于傳輸B級(jí)電壓的載體[1]，新能源行業(yè)迎來蓬勃發(fā)展，其中汽車出行行業(yè)作為國(guó)內(nèi)最大的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)家引導(dǎo)下由傳統(tǒng)能源向新能源快速轉(zhuǎn)型。純電動(dòng)汽車以其清潔、智能、用車成本低被廣泛應(yīng)用于日常生活中，但純電動(dòng)汽車補(bǔ)電慢一直是用戶的痛點(diǎn)之一。當(dāng)下各大主機(jī)廠均在規(guī)劃布局超充/極充的產(chǎn)業(yè)路線，動(dòng)力電池的性能和能量密度要求越來越高，因此作為動(dòng)力傳輸主要媒介的高壓線束總成也面臨著極大的挑戰(zhàn)。

1" 管狀端子結(jié)構(gòu)對(duì)比

直流充電插座設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分為端子部件，外形分為圓形的管狀端子，而端子部件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)為接觸件。根據(jù)功能定義插孔端子和插針端子互相配合使用，具體示意情況如圖1所示，主要原理為端子插孔接觸件彈性簧片與端子插針擠壓接觸產(chǎn)生點(diǎn)接觸、線接觸或面接觸，從而實(shí)現(xiàn)電力（信號(hào)）傳輸。文章介紹的行業(yè)中常見的插孔式管狀端子部件的接觸件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有線簧、片簧、冠簧、扭簧等[2]。

不同接觸類型的接觸件各有優(yōu)劣，本文介紹一種新結(jié)構(gòu)管狀端子，其接觸件以扭簧為基礎(chǔ)進(jìn)行研究改進(jìn)[3-4]，該結(jié)構(gòu)可廣泛適用于B級(jí)工作電壓范圍≤1000V，額定工作電流范圍≤350A的電氣設(shè)備。文章以規(guī)格Φ12mm的管狀端子[5-6]為例研究分析，其對(duì)比信息見表1。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的管狀端子部件結(jié)構(gòu)主體為機(jī)加工完成，效率低且成本高，簧片為兩端約束中間彈片凸起式結(jié)構(gòu)，端子主體由紫銅外殼內(nèi)嵌鈹銅簧片外加不銹鋼鉚接蓋帽組成[7]。

在眾多管狀端子設(shè)計(jì)中，有一種新型管狀端子脫穎而出。該新型管狀端子由鈹銅材質(zhì)的多觸點(diǎn)簧片和紫銅管料的沖壓外殼構(gòu)成。多觸點(diǎn)簧片通過專用工具卡入外殼凹槽，其獨(dú)特的構(gòu)造帶來了諸多優(yōu)勢(shì)。新型端子尾部沖壓完成后進(jìn)行拍扁處理，為超聲波焊接提供可靠焊接區(qū)[8]，同時(shí)采用尾部焊接密封代替現(xiàn)有防水塞結(jié)構(gòu)，保證端子老化前后的密封要求，適用于各種銅基、鋁基和銅包鋁導(dǎo)線。

從結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)來看，如圖2所示，多觸點(diǎn)簧片類似于傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)，但又在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。多觸點(diǎn)簧片的筋條為一斷一連并排式規(guī)則排序，交替錯(cuò)序排布，斷開筋與連接筋在收腰位置上下錯(cuò)開，斷開筋的收腰位置設(shè)置有與孔壁接觸的反向凸包結(jié)構(gòu)，斷開位置設(shè)置輕微內(nèi)卷彎曲。

這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了多觸點(diǎn)簧片出色的性能。多觸點(diǎn)簧片斷開位置在公針插入時(shí)會(huì)與孔壁接觸，從而增加載流面積；斷筋收腰位置的反向凸包結(jié)構(gòu)，在公針插入時(shí)同樣會(huì)與孔壁接觸，進(jìn)一步增加載流面積，同時(shí)也縮短了導(dǎo)電距離。對(duì)比傳統(tǒng)的扭簧結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)扭簧與公針接觸只有1個(gè)接觸位置，與孔壁接觸為2個(gè)接觸位置，而多觸點(diǎn)簧片與公針接觸為2個(gè)位置，與孔壁則有4個(gè)接觸位置，在大載流的情況下，多觸點(diǎn)簧片展現(xiàn)出更大的載流性能。

此外，多觸點(diǎn)簧片的一條筋為斷開筋，擁有較大的伸縮自由度，可有效減小插拔帶來的硬摩擦；收腰位置上下錯(cuò)開的結(jié)構(gòu)，能夠減少插入時(shí)公針受力的突變感，從而提供更加穩(wěn)定的插拔力。

高載流管料端子相比傳統(tǒng)機(jī)加扭簧端子具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、導(dǎo)電接觸面積大、加工及維修方便等特點(diǎn)，具體對(duì)比見表1。

2" 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步探究多觸點(diǎn)簧片結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)內(nèi)接觸件結(jié)構(gòu)的不同，本文主要從導(dǎo)電性能、機(jī)械插拔力、導(dǎo)電溫升和機(jī)械插拔壽命[6，9-10]這4個(gè)高壓連接器端子重要設(shè)計(jì)因素，將多觸點(diǎn)簧片結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

在相同環(huán)境條件下，采用同規(guī)格、同型號(hào)的插針端子，使用相同的設(shè)備分別與傳統(tǒng)管狀插孔端子和新型結(jié)構(gòu)管狀端子進(jìn)行匹配測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為室溫23℃，濕度49% RH。通過這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試對(duì)比，能夠更直觀地展現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的性能差異，為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用選擇提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.1" 導(dǎo)電性能對(duì)比

采用YD2512直流低電阻測(cè)試儀（型號(hào)RM3545），如圖3所示，依據(jù)G/B T 20234.1—2023檢測(cè)方法，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。由表2可以明顯得見多觸點(diǎn)簧片的接觸電阻更小，其在工作過程中導(dǎo)電能力會(huì)更強(qiáng)，說明多觸點(diǎn)簧片的導(dǎo)電性能優(yōu)于傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)，主要原因?yàn)槎嘤|點(diǎn)式結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的彈性簧片設(shè)計(jì)，使得多觸點(diǎn)簧片與插針之間觸點(diǎn)多，接觸面積多于傳統(tǒng)扭簧27%，故使其與公端插針的匹配接觸性能更好，接觸電阻就更小。

2.2" 插拔力穩(wěn)定性對(duì)比

在固定環(huán)境條件下，取傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)管狀端子組合件（插孔+插針配套組合）和新結(jié)構(gòu)管狀端子組合件（插孔+插針配套組合）各3套，依據(jù)GB/T 20234.1—2023的測(cè)試方法進(jìn)行插拔力測(cè)試；分別記錄測(cè)試初始階段插入力、初始階段拔出力、10000次階段插入力、10000次階段拔出力進(jìn)行對(duì)比分析，見表3，測(cè)試用實(shí)物端子樣件見圖4。

1）測(cè)試步驟及條件：①Φ12插針amp;Φ12多觸點(diǎn)簧片插孔超聲波焊接95方銅導(dǎo)線，通350A電流；②將端子浸沒于泥鹽水中，浸泡入10s（每次浸泡前將泥鹽水進(jìn)行攪拌）；③浸入部分朝下在室內(nèi)干燥15min；④進(jìn)行手動(dòng)插拔10000次（1個(gè)循環(huán)1000次，共10個(gè)循環(huán)）；⑤插拔完成后，測(cè)試樣件進(jìn)行溫升測(cè)試。

2）測(cè)試設(shè)備：深圳萬測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司TSE504D，環(huán)境溫度26℃，濕度64%。

3）泥鹽水溶液構(gòu)成：5%亞利桑那州沙，5%鹽，90%水（%為體積比）。

USCAR-37—2008標(biāo)準(zhǔn)[11]中推薦了單個(gè)端子的插拔力推薦值，根據(jù)表3可以對(duì)比看到多觸點(diǎn)簧片結(jié)構(gòu)的插拔力略大于傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)，由于多觸點(diǎn)簧片具有更大的接觸面積，其摩擦力會(huì)更大，故其接觸能力更強(qiáng)，此結(jié)果符合力學(xué)規(guī)律。在進(jìn)行10000次插拔壽命后，從表3可以看到多觸點(diǎn)簧片的插拔力依然明顯大于傳統(tǒng)扭簧端子。對(duì)此進(jìn)一步分析，見圖5傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的扭簧端子在進(jìn)行了10000次插拔力壽命測(cè)試后，插入力衰減31.5%，拔出力衰減32.4%，而多觸點(diǎn)簧片端子在進(jìn)行了10000次插拔力壽命測(cè)試后，插入力衰減19.3%，拔出力衰減19%，此結(jié)果表明多觸點(diǎn)簧片端子的接觸性更穩(wěn)定，簧片的彈性接觸能力強(qiáng)于傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期的使用過程中，新結(jié)構(gòu)多觸點(diǎn)簧片端子壽命穩(wěn)定性更好，不容易損壞，品質(zhì)可靠性也更高。

2.3" 溫升和機(jī)械壽命對(duì)比

機(jī)械壽命和溫升是驗(yàn)證端子設(shè)計(jì)可靠性的重要因素[12]，基于插拔力對(duì)比，本文進(jìn)一步研究了在進(jìn)行機(jī)械壽命（插拔力）測(cè)試前后“Φ12插針amp;Φ12扭簧插孔”與“Φ12插針amp;Φ12多觸點(diǎn)簧片插孔”的溫升情況。其中，試驗(yàn)樣件采用超聲波焊接95方銅導(dǎo)線，通DC 350A載流，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.1—2023中6.3.13方法監(jiān)控端子不同位置的溫升情況。如圖6所示。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表4，從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩種端子溫升均小于50K，但多觸點(diǎn)簧片端子溫升明顯更低，比傳統(tǒng)扭簧端子低約8K。此結(jié)果說明多觸點(diǎn)簧片在機(jī)械壽命測(cè)試后保持接觸良好，符合該端子接觸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理及規(guī)律，進(jìn)一步證明了多觸點(diǎn)簧片在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)扭簧結(jié)構(gòu)的接觸結(jié)構(gòu)。

測(cè)試設(shè)備：直流電源為北京大華無線電儀器有限責(zé)任公司DH17823A，多路數(shù)據(jù)記錄儀為深圳市拓普瑞電子有限公司TP1000，環(huán)境溫度23℃，濕度52%。

機(jī)械壽命測(cè)試過程中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)10000次泥鹽水插拔端子時(shí)，隨著插拔次數(shù)增加，多觸點(diǎn)簧片端子溫升表現(xiàn)為先逐漸增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；10000次泥鹽水插拔試驗(yàn)，期間最高溫升38.83K小于標(biāo)準(zhǔn)50K，最終穩(wěn)定后溫升約37K；試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明該多觸點(diǎn)簧片端子具有極高的機(jī)械壽命，插拔前后溫升變化較小，見圖7。

3" 結(jié)論

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：新結(jié)構(gòu)管狀端子的接觸件采用多觸點(diǎn)簧片，具有更大的匹配接觸面積，比傳統(tǒng)扭簧多約27%。

2）電性能優(yōu)勢(shì)：新結(jié)構(gòu)管狀端子的接觸件采用多觸點(diǎn)簧片，接觸電阻小，導(dǎo)電性能更強(qiáng)。

3）機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)：新結(jié)構(gòu)管狀端子的接觸件采用多觸點(diǎn)簧片，經(jīng)壽命測(cè)試后，插入/拔出力衰減更小，機(jī)械性能更穩(wěn)定。

4）溫升更低：新結(jié)構(gòu)管狀端子的接觸件采用多觸點(diǎn)簧片，經(jīng)機(jī)械壽命測(cè)試后，其溫升的變化更小，穩(wěn)定性更好，擁有更高的使用壽命。

4" 應(yīng)用前景

鑒于該新型高載流管料端子在導(dǎo)電性能、機(jī)械壽命、插拔力穩(wěn)定性、溫升控制以及成本控制等多個(gè)維度均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其在高壓大電流傳輸領(lǐng)域擁有極為廣闊的應(yīng)用前景。

從結(jié)構(gòu)特性來看，此新型管狀端子的多觸點(diǎn)簧片采用沖壓卷曲工藝制成，體積小巧，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，與管狀端子配合使用時(shí)，裝配工藝極為簡(jiǎn)便。這一特性不僅大幅簡(jiǎn)化了工藝生產(chǎn)流程，有效提高生產(chǎn)效率，還因材料用量的減少，顯著降低了材料成本。與此同時(shí)，該端子能夠確保電流高效傳輸，維持穩(wěn)定的電氣性能，有效延長(zhǎng)機(jī)械壽命，提升插拔操作的穩(wěn)定性。此外，其卓越的溫升控制能力，進(jìn)一步強(qiáng)化了產(chǎn)品的綜合性能。

展望未來，新型管狀端子憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望成為推動(dòng)新能源汽車領(lǐng)域向高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)方向發(fā)展的關(guān)鍵力量，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，或?qū)樾履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)的升級(jí)注入新的活力，助力行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。

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