一种高压大电流连接器的设计

赵 辉

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）

近十几年，中国汽车产业得到了超常规的稳定发展，随着清洁能源技术和智能电网的发展和推广，对电动汽车用高压线束的需求会越来越大，电动汽车的电池供电系统、光伏、风能等清洁能源并网发电用逆变器电源切换控制等使用场所都会用到大电流连接器进行传输和连接。电动汽车用高压线束作为汽车上的一个重要部件，必将迎来大发展的历史机遇。

1 概述

依据我所多年的军用高压连接器和大电流连接器研制技术基础及汽车电子产品技术研发、工程生产经验，结合目前市场上整机厂配套要求，与国内主要电动汽车生产厂家的沟通、商议，在安徽省科技厅的帮助下，从结构、工艺、材料选择等方面综合设计，开展了节电动汽车用高压线束技术研究。

1.1 主要技术指标

电动汽车用高压线束主要技术指标如下：额定电流270A；额定电压630 V AC/DC；绝缘电阻≥5 000 MΩ；耐电压3 000 V；使用温度-40 ℃～125 ℃；盐雾48 h；机械寿命500次；振动频率为55～500 Hz，加速度为150 m/s2；冲击频率为10～40次/min，加速度为300 m/s2，3 000次；防护等级IP67。

1.2 项目成功应用领域

汽车中的线束是电气系统的重要部件，主要是在汽车电气系统中扮演能量输送和信号传递的作用。在新能源汽车特别是纯电动汽车中，除了12 V电路系统以外，还有一个电压超过300 V主要用于动力驱动系统的电路系统。该系统中需要采用高压线束来连接各个电路中的单元（电池包与PDU之间，PDU与电机、DC/DC模块等），是高压电气系统的关键零组件，为电动汽车运行的可靠性和安全性提供了保证。

2 总体结构设计

电动汽车用高压线束分为插头和插座两部分，插头为带线缆的连接器，插座尾部可根据用户需求接铜排或导线。插头与插座连接形式为推拉自锁式，插拔快速、连接可靠。插座安装方式为法兰安装、螺钉紧固，插座屏蔽套与金属安装面板弹性接触。连接器插合时，主接触件接触后，信号接触件才接触；分离时，信号接触件分离后，主接触件才分离，防止带电插拔，保证安全。连接器插合示意见图1。

图1 连接器插合图

2.1 接触件的设计

如图2所示，接触件的设计采用“笼式片簧孔”结构，其中插针为刚性结构，插孔为笼式片簧孔结构。插针接触件采用铜合金通过精密机械加工制造而成，表面镀硬金，插针接触件前端加绝缘插针护套，起安全防护作用。插孔接触件是由插孔壳体和笼式片簧片所组成，插孔壳体采用铜合金通过精密机械加工制造而成，笼式片簧片采用弹性较好的铍青铜通过冲压、卷圆后成型，进行热处理，表面镀银。笼式片簧片装入插孔壳体内，与插孔壳体形成整体结构，笼式片簧片的内孔尺寸要小于插针的端部直径，这样插针在插入时，能够形成弹性压缩，从而产生一定的接触压力；笼式片簧片是由多个窄带结构所组成，从而形成多点接触，大大减小了接触电阻。

图2 接触件结构示意图

2.2 防错插结构的设计

为了防止误插、保证正确插合，壳体设计有防错插键槽结构。插座连接器设计有4个防错插键，插头连接器设计有对应防错插槽。防错插结构示意如图3所示。

图3 防错插结构示意图

2.3 防护等级的设计

插座连接器密封圈与安装面板结合实现密封，插头连接器两端设计有2个密封圈实现密封，如图4所示，密封圈的材料均为硅橡胶，通过模具挤胶成型。硅橡胶是一种邵氏硬度在30～55范围内的弹性材料，在插合时，通过连接装置，形成弹性压缩，达到了良好的密封效果，实现连接器的防护等级IP67。

2.4 参数设计

电动汽车用高压线束属于大电流高电压连接器，其主要性能指标为：接触电阻≤0.11mΩ；工作电流270A；绝缘电阻≥5 000MΩ；介质耐电压630V/AC；机械寿命500次。下面将分别给出上述参数的设计。

图4 密封结构示意图

2.4.1 接触电阻

接触电阻是该产品的一个关键指标，如果接触电阻超标，会由于接触电阻的增加而导致连接器温升过高，从而影响产品的可靠性，甚至造成接触失效，因此接触件的接触电阻必须满足协议书要求，减少接触电阻是大电流连接器设计最重要的环节。连接器连接的额定电流I是一定的，电流I通过连接器接触件从插针传送至插孔，在插孔狭小的空间内，接触簧片的横切面积极低，为避免接触簧片电流密度过大，连接器设计通常采用多通道传递电流，即连接器领域称为“多触点接触”，以增大接触簧片的横切面积，降低接触簧片的电流密度，以达到插针、接触簧片和插孔的电流密度接近于电缆或连接器连接的其他导体。

当2个金属表面在一定压力下相互接触时就形成了接触电阻。一般情况下，接插元件正常接触电阻约在10-8～10-2Ω之间。接触电阻由下式各项组成。

式中： RB——金属体本身电阻，约10-4Ω，其值小而稳定，一般可忽略不计；RC——压缩电阻，是由于电流线被压缩而形成的，清洁的接触对，其RC约在10-4～10-3Ω之间；RF——膜层电阻，是因为接触界面被氧化、硫化或腐蚀、污染而形成一层薄膜（由于金属扩散，薄膜成为重掺杂的半导体，在一定电场下，薄膜呈隧道性导电，此时隧道电阻也就是膜层电阻，其阻值随膜层厚度增加而急剧升高），膜层电阻是造成接触电阻不稳定的主要因素；RJ——接触电阻，为压缩电阻、膜层电阻之和。

1）压缩电阻估算。当接触表面主要是塑性变形时，压缩电阻估算为

式中：ρ——相同金属表面的电阻率，Ω·m；H——金属表面硬度，N/m2；P——接触处的正压力，N；ζ——塑性变形的修正系数，表示实际接触处除塑性变形外还有部分弹性变形，通常ζ=0.7，当接触表面洁净，膜层厚度小于5埃时，接触电阻可算压缩电阻。

由以上计算得出P=3.84N，当接触件材料选择铜时，由《机电元件技术手册—设计、制造、使用、维护》中表1.1-2查得H=3.9，ρ=16.8，代入式（3），得：Rc=1.42×10-4Ω，20个Rc并联可以得出：Rc=7.1×10-5Ω。

2）膜层电阻的估算。当两接触表面间施以电压，电场强度低于109～1010V/m时，两表面之间的膜层电阻值可大致按下式估算

式中：ρF——隧道电阻率（其值随膜层厚度急剧上升，见《机电元件技术手册—设计、制造、使用、维护》图1.1-5），Ω·m2，当接触件材料选择铜合金时，若表面未遭磨损破坏，其化学性能是稳定的，表面氧化层厚度约在20埃左右。查表得：ρF= 3×10-11，又P =3.84N，H=3.9，代入式（4）得：RF=1.06×10-11Ω，8个RF并联可以得出：RF=1.33×10-12Ω，将Rc、RF代入式（1）得：R=7.1×10-5Ω≤0.11 mΩ。

由计算可知，接触件的结构设计及材料选择满足设计要求。

2.4.2 工作电流

该连接器的接触件由刚性插针和弹性插孔组成。该产品额定电流为270A，工作温度范围为-65 ℃～125 ℃。按表1所应选择的导线截面为：S=0.06，则导线直径d=0.28，故将焊接端设计为φ0.45，接触端设计为φ0.6插针或插孔时能满足产品电流要求。

表1 单根导线在自由空气中载流量随温度升高而减小的变化表

2.4.3 绝缘电阻

根据本产品的使用环境，安装板材料我们选择了热塑性工程塑料——30%玻纤增强的聚苯硫醚（PPS），其技术参数见表2。该材料阻燃性好，负载热变形温度高，能满足产品工作温度范围-65 ℃～125 ℃；该材料体积电阻率大，能满足产品的绝缘电阻（≥5000 MΩ）和耐电压（＞800V）要求；该材料在较大的频率、湿度及温度范围内变化不大，模具成型收缩率较小，适合加工小节距、高密度安装板。

表2 PPS GF30技术参数

2.4.4 绝缘电阻计算

绝缘电阻通常是绝缘材料的体积电阻和表面电阻的并联结果。

根据公式：

式中：Rv——体积绝缘电阻，Ω；Rs——表面绝缘电阻，Ω；——体积电阻率，Ω·m；——表面电阻率，Ω；s——导体间相对应的面积，m2；b——导体间绝缘材料表面的最短距离，m；d——导体间绝缘材料内的最短距离，m。

根据设计要求，安装板的材料选择PPS，其表面电阻率和体积电阻率分别为：ρv=1×1016；ρs=1×1013。

又s=1×10-5，b=6×10-4，d=1.6×10-3，代入式（6）、式（7）求得：Rv=1.6×1017，Rs=3.8×1012。代入式（5）得：R=3.8×105MΩ＞5 000 MΩ，满足项目5 000 MΩ的要求。

2.4.5 介质耐电压

本产品的结构中，主要包括主接触件与屏蔽层及外壳之间、屏蔽层与信号接触件之间、2路信号接触件之间、信号接触件与外壳之间的耐电压。根据理论计算，其中最短距离为2路信号接触件之间，距离约为2.6 mm，主接触件与屏蔽层间最短距离约为10 mm。根据巴申曲线，空气击穿电压约为3 kV/mm，该产品要求耐电压为3 000 VDC，满足技术指标要求。

2.4.6 机械寿命

机械寿命是经过多次插拔，使镀层局部机械磨损，直到露出基底金属估算出的插拔次数。机械磨损的主要原因是金属表面受压粘结又经过滑动摩擦造成的。影响粘结的因素有：①材料的硬度，软金属较硬金属易粘结；易受氧化、硫化或腐蚀的材料不易粘结；②接触对滑行距离、接触压力、滑行距离越大或接触压力越大，粘结磨损越严重；③表面情况，粗糙表面易粘结。各种金属材料的腐蚀和粘结程度见表3。

表3 各种金属材料的腐蚀和粘结程度

由机械粘结造成的磨损可按下式进行估算：

式中：V——一次插拔磨损的体积，m3；k——磨损系数；x——滑行距离，m；P——接触压力，N；H——金属表面硬度，N/m2。

当接触压力超过0.5 N后，k值接近于3.1×10-4。随接触结构的不同，2个接触表面被磨损的金属体积并不相同，当插拔次数多时，为粗略估计，可假定，磨损金属平均来自2个接触面，插拔相对位置不变，两接触面镀层厚度相同。接触压力超过0.5 N，则机械寿命可近似为

式中：t——镀层局部磨损殆净时的插或拔的单程次数；a——镀层被磨的长度，m；b——镀层被磨的宽度，m；c——镀层厚度，m；x——滑行距离，m。

已知a=10 mm，b=13.4 mm，c=7×10-3mm，x=15 mm，H=2.5×102N/mm2，P=3.84N，代入式（9）得：机械寿命t=30773次＞500次，满足设计要求。

2.5 温升控制技术

2.5.1 热设计

连接器通过电流，由于连接器本身的电阻和接触阻抗，电能会以热能的形式消散功率并向周围散发 ，这将使机内温度升高，使设备的可靠性下降，热设计的不合理是当前造成电子设备可靠性差的重要原因之一，大电流条件下工作的元器件更应将热设计作为重要设计内容来考虑。

当电流流过接触件时，热量Q将以式（10）产生，当产生的热量和热传导的热量失去热平衡，连接器将产生局部高温，将会使连接器的内部温度上升甚至发生骤然变化，而过高的内部温度将对连接器的结构性能与使用寿命产生相当大的影响：第一，导致绝缘材料结构发生变化，产生化学分解 ，绝缘性能变坏；第二，使弹性材料的机械性能劣化，导致应力松弛和接触件镀层破坏；第三，在接触区形成绝缘薄膜，使接触电阻增大，并反过来进一步加剧温升。因此，热设计是接触件设计前必须考虑的一项内容。

本产品的热设计主要是计算接触件接触点的温度和工作状态下连接器整体的工作温度。前者通过计算接触处的电流所产生的电热，判断接触处所需要的耐热能力，判定接触处是否安全；后者是通过计算连接器的多个接触件产生的热量和连接器的热传递的能力，判定产品是否能在125 ℃环境下长期工作，从而进一步检验金属材料和绝缘材料的选择是否正确。

该产品的额定电流按每个接触件的额定电流计算，由于存在体电阻和接触电阻，电流通过时将发出热量，当接触电阻过大而电流又较大时，接触处的温度升高，连接器的温度将失去温度平衡，内部温度的不断升高可能达到使金属软化甚至熔化的程度，因此应当给通过的电流以一定限制。接触处的电流也可用接触电压表示，即

式中：VC——接触电压，V；L——洛伦兹常数，对于低电阻率的纯金属，L≈2.4×10-8V2/K；T——接触处金属温度，K；TA——环境温度，常以20 ℃即293 K计。

设计时不应使接触电压达到其软化接触电压，常用金属软化和熔化时的接触电压见表4。

表4 常用金属的软化和熔化温度时的接触电压

已知I=270A，接触电阻应小于0.11mΩ，即R初始max=0.11mΩ，在125 ℃高温环境中接触电阻为R高温max=0.11mΩ，则VC2=0.0009V2。

当环境温度为20 ℃时即TA=293K时，接触处金属温度为35.6 ℃，即T=308.6K（27 ℃）；当环境温度为125 ℃时即TA=398K时，接触处金属温度为136.6 ℃，即T=409.6K。查表4知，铜的软化温度为190 ℃，软化时接触电压为0.12 V，可见设计满足要求。

接触处正压力增加时，电流限也增加，I2/F称为耐热能力，即：

式中：ρA——环境温度TA时的金属的电阻系数，Ω·m；α——电阻温度系数，1/K。

已知电流为270 A，F=3.84 N，则I2/F=18984.4 A2/N，远低于表5中银的软化耐热能力限，故接触处是安全的。

表5 常见金属耐热能力限

接触对固定时接触电阻产生的热量，由于四周绝缘很难散发出去，造成温升。假若温度达到弹性材料的退火温度时，材料将失去其弹性，若超过绝缘材料临界温度时，材料也将遭到破坏。

考虑到散热，该产品安装板四周均设计有散热孔，而且绝缘材料选择的是耐温等级比较高的PBT。

2.5.2 温升

接触对是主要的发热体，整个连接器的温升计算主要考虑的因素有：材料的导热系数、接触电阻、接触对自身电阻和环境条件的影响。我们将计算常规条件下接触件的温升，整个连接器则用仿真和实测来得到。

在接触件温度稳定时，导体由于电流作用产生的热量和向外散失的热量相等。接触件的温升公式为

式中：ρ——材料的电阻率；I——接触件流过的电流；A——导体截面积；S——导体散热表面的周长；h——散热系数，接触件表面散热系数与辐射散热系数之和；l0——特征尺寸，对于圆导体可以取它的直径；K——温度系数，取值在1.45～1.2之间，温度越高取值越低；n——相关指数，取值0.4～0.35之间，温度越高取值越低。

对于圆形接触件，由式（13）代入式（14）可以得出圆形接触件在工作电流下的最大温升经验公式（以20℃为环境温度计算起点）如下

在非标准工作温度下，导体的温度为T时有

式中：d——导体直径；αt——接触件材料的电阻率温度系数（铜为0.0015/ ℃）。

已知：I=270，ρ=6.5E-8，d=10，n=0.38，代入（15）得：ΔT=31.1 ℃，就是说在工作电流270A的情况下，连接器的温升不会超过40 ℃，满足使用要求。

2.5.3 ANSYS的热分析

本产品的热仿真主要是计算接触件接触点的温度和工作状态下连接器整体的工作温度。前者通过计算接触处的电流所产生的电热，判断接触处所需要的耐热能力，判定接触处是否安全；后者是通过计算连接器的多个接触件产生的热量和连接器的热传递的能力，判定产品是否能在125 ℃环境下长期工作，从而进一步检验金属材料和绝缘材料的选择是否正确。仿真结果见图5。

由仿真结果可知，最高温发生在插头前安装板上，通过颜色对比及定点查看温度，可知，导体上的温度不超过58.666 ℃，连接器上最高温度为58.666 ℃，环境温度为23 ℃，所以连接器上最高温升为35.666 ℃。根据QC/T417.1—2001《车用电线束插接器》中4.14的温升试验要求，每个插接件的升温温度不能超过40 ℃。设计结果满足要求。

图5 仿真结果

3 结束语

通过本产品的研发，了解了高压连接器研发需要关注的重点，为其他同类产品的研发奠定了基础。随着该产品的开发，带动了高压分配控制单元（PDU）、多合一PDU等产品。目前已将相关产品向天津力神电池股份有限公司、安徽易威斯新能源科技股份有限公司、益佳通科技有限公司等新能源企业进行推广。