某型号大电流直流连接器的温升仿真

朱锋 余海洋 周庆平 徐明

摘要：应用于新能源汽车中的大电流直流连接器，其温升性能直接影响汽车相关部件的性能及安全。本文通过产品仿真条件的分析，使用 ANSYS

WorkBench 中的热—电耦合仿真对某型号大电流直流连接器的温升进行仿真，为该产品设计阶段的热设计提供了依据。仿真验证结果同样可以作为试验阶段的参考，以便在产品后期设计阶段提供改进方案。

关键词：ANSYSWorkBench;大电流;直流连接器;热-电耦合仿真;温升

中图分类号：TM503.5 文献标识码：A 文章编号：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

電连接器是电子设备、电气系统中实现电流和电信号传导的基本组件，其性能与功能的优劣对整个系统稳定工作影响较大[1]。这些年来新能 源汽车产业不断扩大，其中纯电动汽车的关注度和产量稳步上升，其电气系统的额定电压和额定电流也在不断增大。这导致电气系统中连接器的性能指标也在不断上升，其中温升不仅影响着电性能还影响着汽车的安全，已经发生过的一些汽车故障、事故中也有不少是温升过高导致的。

随着计算机技术及相关软件的性能提升、各种材料性能参数指标的积累，在产品设计阶段使用仿真软件对产品的各项性能进行仿真已经成为常态。而且越来越多的仿真算例与实物试验案例表明，仿真结果与实际 试验结果相差不大，完全可以事先对产品的性能进行预估，从而指导产品的修改完善。

本文主要针对某型号大电流直流连接器进行温升仿真验证，使用了ANSYSWorkBench中的热-电耦合仿真模块（Thermal-Electric），重点关注了接触电阻在仿真中的等效施加方法，并研究了插头尾部外接导线长度对仿真结果的影响。

2 连接器温升仿真

2.1 产品主要电热参数

最大电压 630VDC

最大电流 300A

最大温升 40K

2.2 产品三维仿真模型的简化

产品分为插头插座两部分，插座尾部是铜排，与电路系统通过螺栓连 接;插头尾部外接导线，外接导线实际长度在 0.5m 以上，考虑到建模的方便，三维模型中插头外接的导线长度为0.1m，插座的外接导线部分忽略。在产品三维模型的设计过程中，由于考虑了功能结构、产品标识、操

作舒适度等因素，三维模型中包含了大量的小尺寸倒角、圆角、凹槽等特 征。这些小尺寸特征对热 - 电仿真精度和准确性影响很小，但在划分网格过程中会产生大量的细小网格，造成电脑仿真资源的严重浪费，故在将三 维模型导入 ANSYS WorkBench 前，需要将这些细小特性去除。

图 1 去除产品对仿真影响小的小特征后的产品三维图

2.3 接触电阻的等效模拟方法

在电连接器，尤其是大电流连接器中，微小的接触电阻也会导致大量热的产生。连接器触头位置产生的接触电阻所产生的焦耳热是引起接触件温度上升的一个主要因素，因而在仿真模型的建模和仿真的过程中，必 须考虑接触电阻的影响。[2]

虽然有很多相关理论在研究接触电阻的形成机制，但相关影响因素太多，表面质量、接触压力、接触面积等都会直接影响接触电阻的大小，计

算获得的接触电阻与实际电阻还是有一定的差距[3]。

在接触电阻的等效模拟方面，大多采用的是体电阻模拟或面电阻模拟[4]。体电阻模拟是在两接触表面之间增加一个等效电阻体，见图2，该电阻体的电阻率根据接触电阻和其体积计算得到。面电阻则是在接触表面上直接设置面电阻率，设置方式是进入Project》Model》Connections》Con-

tacts》ContactRegion，将Detailsof"ContactRegion"中的ElectricConductance选项设置为Manual，然后在ElectricConductanceValue的输入框内输入计算得到的面电阻率，见图 3。

通过对体电阻模拟和面电阻模拟的分析，可以发现，这两种方式较多使用在接触表面规范且接触面积容易计算的情况下。而且由于本产品模拟接触电阻是为了仿真在接触电阻存在时，产品的发热情况，所以可以通过施加接触电阻产生的等效热流来模拟接触电阻的效果。

热流可以通过施加热流密度（Heat Flux）[5-6]或热流（Heat Flow）来实现，本产品的插孔内部采用的是具有双曲线铜栅格结构的笼式带簧，这种结构的接触面积计算十分复杂。因此，故本文选择通过在接触表面上施加热流（HeatFlow），而不是施加热流密度（HeatFlux），来实现对接触电阻的等效模拟。

图 2 体电阻模拟示意图

图 3 面电阻率的设置

2.4 插头尾部外接导线长度的影响

考虑到导线具有较强的散热能力，可以先对导线在仿真条件下的发热情况进行单独仿真，如插头尾部外接导线电热仿真条件图4，在导线一端施加 300A 电流，另一端施加 0V 电压，导线外表面与环境的传热系数为

10W/m2·℃，环境温度23℃。仿真结果如图5，最高温度为51.368℃，温升为28.368K，远低于要求的40K。

图 4 插头尾部外接导线电熱仿真条件 图 5 插头尾部外接导线电热仿真结果

因此，导线长度对连接器的散热影响不可忽略，为避免仿真中出现过高温度后，对原三维模型修改外接导线长度，再导入 ANSYS WorkBench 进行仿真的情况，可以在将三维模型导入Thermal-Electric模块后，在Ge-

ometry模块内延长导线（30mm），并将延长导线部分的长度参数化，以便后期可以通过参数化仿真查看导线长度对温升的影响。

图 8 施加边界条件示意图

真。

图 6 参数化延长导线后（最右侧深色部分）的三维模型

2.5 仿真参数及条件设置

本次仿真选用 ANSYS WorkBench 的 Thermal-Electric 仿真模块，由于仿真是稳态仿真，零部件材料需要设置的参数是热导率和电阻，这些参数 可以通过进入Engineering Data 中使用Filter Engineering Data 筛选出来，以便根据实际使用的材料物性进行填写。连接器中的铜材料直接选用 AN-

SYS 材料库中的 Copper Alloy 即可;对于连接器的绝缘壳体和导线的绝缘层，通过查找相关材料物性表，将其热导率设置为0.28W·m-1·℃-1，因为是绝缘材料，不需要设置电阻。

图 9 仿真结果（导线总长 130mm） 图 10 仿真结果剖面（导线总长 130mm） 仿真结果如图，产品最高温度为59.446℃（导线总长130mm），温升为

59.446-23=36.446K，小于规定的40K，产品的温升满足要求。

为了研究插座外接导线长度与产品温升的关系，将2.4中延长导线部分的长度和仿真结果中的最高温度进行参数化，并计算导线总长和温升，仿 真结果 时，延长

导线长 值。

图 7 Thermal-Electric 仿真模块

导入仿真模型后便可以准备对产品施加仿真条件，由于施加的是直

3 结论

图 11 参数化仿真结果

流电，在连接器一端施加 300A 电流，另一端施加 0V 电压即可完成电参数

的设置。对于连接器的热仿真参数部分，考虑到连接器的使用环境为自然冷却，设置连接器外表面与环境的传热系数为10W/m2·℃，连接器内表面

（无接触部分）与环境的传热系数为5W/m2·℃，环境温度设置为23℃。在参数设置过程中，由于需要设置传热系数的表面较多，可以在 Geometry 中对需要设置的面进行分组命名，以便在施加条件时调用方便。

由于产品的接触电阻主要集中在主回路插针与插孔的插合部位，且 该处插针插孔易于制造，故通过测试实物，计算得到该处接触电阻小于

0.02mΩ。根据功率计算公式，可以得出该处电阻消耗的功率小于 ，将

1.8 W 作为热流施加在插孔簧片的内表面用以模拟实际的接触电阻发热量的影响。

本文对产品电热仿真条件进行了分析，明确了采用施加等效热流作

为模拟接触电阻对产品温升影响的方法，并分析了产品插座外接导线长度对产品温升的影响。通过对仿真结果的分析，本产品的温升不会超过要 求的温升指标，产品热设计满足要求。

参考文献：

[1] 宋万里. 不同结构尺寸的电连接器的温度与振动分析[J]. 机械设计与制造， 2017， 第 1 期： 13-16.

[2] 杜永英，孙志礼，王宇宁等. 基于热分析的电连接器的温度应力研究

[J]. 机械设计与制造， 2013， 第 10 期： 42-44.

[3] 申正宁. 大电流连接器的热分析与热设计[D]. 北京： 北京邮电大学， 2014.

[4] 纽春萍. 高压断路器接触电阻的耦合面积法分析[J]. 高压电器， 2015， 51（2）： 18-23.

[5] 任晓霞. ANSYS 在低压电器触头电接触稳态热分析中的应用 [J]. 电气技术， 2008， 12： 83-85.

[6] 张玉燕. 大载流高速滑动电接触表面瞬态温度分析 [J]. 中国科学： 技术科学， 2015， 45（8）： 834-842.