电动乘用车快换电池连接器设计及性能研究*

徐永军



电动乘用车快换电池连接器设计及性能研究*

徐永军1,2

（1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200030；2.上海电巴新能源科技有限公司，上海 201308）

快换电池连接器是纯电动汽车快换电池系统的重要零部件，其设计和性能是否可靠直接影响到快换电池系统的安全使用。文章基于底盘式快换电池系统的快换连接器，对其关键技术、设计特点、基本性能要求、开发标准及试验验证方法进行了系统的分析与研究，为同类型的快换式连接器设计开发提供了指导。

快换电池连接器；关键技术；性能要求

前言

电动汽车作为一种新型的出行交通工具，具有节能、环保、能源利用效率高等优点，已成为我国未来重点发展的战略产业之一[1-3]。动力电池作为电动汽车的重要能量来源，受当前技术发展水平及电池的能量密度比较低等因素的影响，纯电动汽车仍然无法像燃油车一样很方便的实现连续行驶，从而在一定程度上制约了电动汽车产业的快速发展[4]。

可快速更换电池的电动汽车可以解决目前纯电动汽车续驶里程不足的缺陷。由于换电式电动汽车采用车电分离销售模式，因而可以大大降低用户采购成本。同时换电运营效率高、电池采用慢充的补电方式使得电池寿命更长，对电网冲击小。加之快换电池的集中管理充电和远程监控，易于回收和梯次利用，电池变得更加安全等众多优点，从而使得快换式电池系统在对充电时间敏感及高续驶里程要求的出租车领域得以大批量推广使用[3,5-7]。

文章研究的电动乘用车快换电池连接器是快换电池系统的重要零部件，是用于实现整车与快换电池系统之间电气快速连接、分离的专用连接器，主要由快换插头、快换插座及相关电缆组成。快换电池连接器工作时，快换插座和快换电池箱体安装在一起，快换插头安装在电动汽车或固定的充电架上面，通过特殊设计的换电机构和辅助导向机构，最终实现动力电池系统和整车之间的高压连接与低压通讯。图1为快换电池连接器结构示意图。

1 快换电池连接器的关键技术

电动汽车的能量来源于电池系统，因此快换电池系统必须能够实现与整车之间安全可靠的电气快速连接和分离，实现这一功能的零部件即为快换电池连接器。快换电池连接器除了要求满足一般动力电池系统高低压连接器的全部功能和技术要求，如基本的电气性能、绝缘、接地、高压互锁等各种性能外。同时要求快换电池连接器具有一些为实现电池系统的快速更换而必须具有的特殊功能和关键技术要求[8-9]，主要包括以下6个方面：

1）快换电池连接器可以实现电池系统与整车之间的电气与通讯连接，实现其快速接合和分离，即动力电池系统与电动汽车之间的高、低压信号快速、有序的接合与分离。

2）快换电池连接器必须具有满足电池系统快速更换的导向、定位和限位机构，使得电池系统更换时能自动的修正连接器插头与插座之间的位置偏差，从而确保连接器插头和插座可以准确对接。

3）为了节省空间，快换电池连接器高低压要求采用一体化设计，高低压电气连接采用平面电连接技术。在电动汽车行驶的各种道路工况中，快换电池连接器上要求设计有连接状态检测装置以保证高低压电气连接的可靠性。高低压电连接端子的接触阻抗和电气性能在规定的换电次数内不允许出现突变和性能衰减并通过检测装置进行实时监控。

4）快速电池连接器的插头与插座之间可以根据整车振动实现结构随动，即连接器可以在X、Y、Z三个方向实现浮动和位置纠错，从而保证连接器高低压电气连接的安全可靠。

5）为了实现不同车辆之间电池系统的更换，快换电池连接器必须设计有标准统一的高低压电气接口，强电与弱电触头必须隔离并预留接地与高压互锁功能。

6）快换电池连接器可以兼容不同车辆之间的电池系统结构互换并且电气性能、使用寿命及相关匹配的可靠性能不会出现任何降低或异常。

2 快换电池连接器设计及基本性能

2.1 快换连接器外形尺寸及接口定义

图2 快换插头外形及尺寸示意图

图3 快换插座外形及尺寸示意图

表1 快换连接器通讯接口功能定义

为了节省安装及换电运动空间，快换电池连接器的高低压连接采用一体化的连接方式，并且采用平面连接技术。快换插头和插座的外形与尺寸分别如图2，图3所示。插头和插座低压连接的接口定义与功能如表1所示。

2.2 快换电池连接器基本技术指标

根据整车开发及实际的换电营运要求，快换电池连接器设计开发与使用过程中需要满足一些基本的技术要求，主要包括基本电气要求、机械要求、环境要求及其它特殊要求[10]。

1）快换连接器基本电气性能要求

工作电流：》250A（50mm²或以上）

通讯电流：》5A（0.5mm²）

工作电压范围：200-400V

通讯电压范围：12～24V

电气寿命（换电）：》10000次

接触电阻（高压极柱）：≤0.3mΩ（正常）

接触电阻（低压极柱）：≤50mΩ（正常）

接触电阻（高压极柱）：≤0.6mΩ

（振动/冲击/寿命试验后）

接触电阻（低压极柱）：≤100mΩ

（振动/冲击/寿命试验后）

绝缘阻抗（总成）：》200MΩ

介电强度：< 5mA

防护等级：IP67XXB

温升(功率)：＜50K

阻燃性能：UL94-V0

高压互锁：符合

接地功能：符合

2）快换连接器机械性能要求

插拔力（高/低压）：《 350N

机械寿命（换电）：》10000次

导向机构（换电）：符合

运动行程（换电）：》±12mm

有效电连接行程（压缩）：》7mm

X向浮动（振动）：》±1mm

Y向浮动（振动）：》±3mm

Z向浮动（振动）：》±3mm

抗冲击：QC/T 417.1_4.19、GB/T 31467.3_7.2

抗振动：QC/T413-2002_3.12、GB/T 31467.3_7.1

环境老化：QC/T413-2002（低温/高温/高低温/温、湿度）

3）快换连接器环境要求

工作温度：-40℃～85℃

存储温度：-40℃～100℃

相对湿度范围（RH%）：5%～95%

盐雾（中性）：》480h

EMC：＞60dB

耐腐蚀：冷却液/化学液

禁用物质：GB/T 30512-2014

4）快换连接器其它特殊要求

连接器互换性：符合

电池端插件要求：插针

高压端子保持力：符合

低压端子保持力：符合

插件防护盖：符合

功率端子温度检测：符合

压溃防护：符合

插座防错装：符合

安规符合性：符合

外观与尺寸：符合

2.3 快换电池连接器设计验证标准及要求

快换电池连接器在设计开发过程中，必须参考和执行相应的国家、行业及企业标准与法规，进行各种相应的型式试验，以满足产品长期使用过程中可靠性能要求[10-12]，主要的型式试验项目及执行的法规和标准如表2所示。

表2 快换电池连接器型式试验及参考标准

3 快换电池连接器测试验证与分析

快换电池连接器在开发过程的各种测试试验对其性能是否可靠，是否达到设计目标至关重要，需要重点关注以下几个方面的试验验证：

1）机械性能测试，主要包含机械寿命、振动试验及机械冲击等性能测试，如图4～图6所示。

图4 快换电池连接器机械寿命试验示意图

图5 快换电池连接器随机振动试验示意图

图6 快换电池连接器机械冲击试验示意图

2）电气性能测试，主要包含耐压、绝缘电阻及介电强度测试等试验，如图7～图8所示。

图7 快换电池连接器耐压绝缘测试示意图

图8 快换电池连接器介电强度测试示意图

3）环境性能测试，主要包含高温、低温、湿度与温度、热冲击、盐雾、化学腐蚀及IP防护等各种性能的测试，如图9～图11所示。

图9 快换连接器高低温、湿度相关温度试验示意图

图10 快换连接器耐化学腐蚀试验示意图

图11 快换连接器高温环境下IP试验示意图

4）在各种机械与环境试验完成后，需要重新测量其绝缘电阻、介电强度及高低压端子的接触阻抗是否发生较大变化，如图12～图13所示。

图12 连接器试验后低压端子接触阻抗测试示意图

图13 连接器试验后高低压端子介电强度测试示意图

4 结论

文章基于底盘式快换电池系统的快换连接器，对其开发设计过程中的关键技术、设计特点、基本性能要求、设计标准及型式试验验证项目与方法进行了系统的分析与研究，可为同类型的快换式连接器设计开发提供指导，在行业内具有一定的指导意义。

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Design and Performance Study of Quick Change Battery Connector for Electric Passenger Car

Xu Yongjun1,2

（1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030; 2.Shanghai Dianba New Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201308 )

The quick-swapping battery connector is an important component of the pure electric vehicle quick-swapping battery system. The reliability of its structure and performance directly affects the safe use of the quick-swapping battery system. Based on the chassis-type quick-swapping battery system, the paper analyzes its structural design features and performance requirements. At the same time, based on the combination of experimental verification, the reliability of the quick-swapping connector of the electric passenger car chassis is studied, which provides guidance for the design and development of the same type of quick-swapping connector.

Quick change battery connector; Key technology; Performance requirements

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

A

1671-7988(2019)05-03-05

U462

徐永军，男，目前就职于上海电巴新能源科技有限公司，上海交通大学车辆工程专业硕士，中级工程师，主要研究方向：电动汽车动力电池系统设计与仿真。

上海市新能源汽车专项资金项目（2015SHDB09001）；上海市临港重大技术装备研制专项资助项目（2014SHLGDB001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.001