基于有限元的高压线束温升特性仿真研究

韩见强　范利海　陈伟　谷庆

【摘  要】为实现对高压线束温升特性的有限元分析，建立高压线束温升仿真等效模型并对相关仿真参数进行计算。分别在25℃和45℃工况下对高压线束进行温升特性仿真，并选取不同的测试点位与试验结果进行对比验证，误差约为1.2℃，证明基于有限元方法分析高压线束温升特性的准确性和可行性。使用有限元分析法代替试验法研究高压线束的温升特性，对加快高压线束的开发和提升其安全性具有重要意义。

【关键词】FloEFD；高压线束；温升；有限元；仿真

中图分类号：U463.62    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）09-0036-04

Simulation Research on Temperature Rise Characteristics of High Voltage Harness Based on Finite Element

HAN Jianqiang，FAN Lihai，CHEN Wei，GU Qing

（AVIC Jonhon Optronic Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471003，China）

【Abstract】In order to analyze the temperature rise characteristics of high voltage harness by finite element method，the equivalent model of high voltage harness for temperature rise simulation was established and the relevant simulation parameters were calculated.By comparing the simulation results with the actual test results of different points of harness，the accuracy and feasibility of the temperature rise simulation of high voltage harness based on finite elementmethod are approved. The finite element method was used instead of the test method to study the temperature rise characteristics of high voltage harness，which has great significance for speeding up the development of high voltage harness and improving its safety.

【Key words】FloEFD；high voltage harness；temperature rise；finite element；simulation

作者简介

韩见强（1983—），男，高级工程师，主要从事新能源汽车连接器及高压线束的设计研究。

高压线束是新能源汽车的重要组成部分，主要承担功率传输和信号传输的任务，对新能源汽车电路系统的平稳运行至关重要[1]。当高压线束通流时，会因连接器端子接触电阻、端子导线压接电阻以及导线金属导体电阻等多种电阻的存在而产生热量，从而使高压线束快速升温。高温可能会导致连接器端子的烧蚀或绝缘材料的软化，进而降低高压线束的绝缘性能，导致电击穿或引发短路等严重后果[2-3]。根据GB/T 37133规定，高压连接系统工作时各点最大温升不允许超过55K[4]。因此，在高压线束方案设计阶段，通过对高压线束进行温升特性仿真分析，并采取相应的优化措施来降低高压线束的最大温升，对于防止高压线束因温升过高而造成的损害有着重要的意义[5]。

1  高压线束温升特性研究现状

目前线束行业对高压线束温升特性的主要研究方法为试验法，即通过温升试验来验证高压线束在温升特性方面的设计是否合理有效[6]。通常，可靠的温升试验需要耗费时间和财力进行验证，如试验中发现问题，则需通过反复的温升试验来验证优化方案，耗费时间较长，极易导致项目进度延缓。如果能有效运用有限元方法对高压线束温升特性进行仿真分析，并根据仿真结果优化设计方案，将有助于高压线束温升安全性能的提升，有利于加快项目的推进[7]。

因有限元分析法在高压线束温升特性仿真分析方面存在一定的困难性和复杂性，目前行业内使用有限元方法对高压线束进行温升特性仿真分析的研究较少。而其困难性和复杂性主要体现在等效仿真模型的建立和合理的仿真参数设置等方面。本文结合高压线束实例，研究建立高压线束等效仿真模型的要点及关键仿真参数的计算，并使用有限元方法对高压线束进行温升特性仿真分析，与试验测试结果进行对比验证。

2  仿真模型建立与参数计算

本文以某车型压缩机高压线束为例进行温升特性仿真分析，该线束两端使用2个相同的高压连接器（键位不同），两端连接器之间使用2.5mm²屏蔽导线连接，如图1所示。

2.1  仿真等效模型的优化设计

为了能有效地对高压线束进行温升特性仿真分析，对仿真模型进行合理优化或者重新装配是十分必要的。以导线线芯为例，通常使用一个直径均匀的圆柱体数模进行表达。因此需要根据导线截面积，计算金属线芯的等效圆柱直径，并计算导线外护套的厚度，然后分别对金属线芯和外护套进行建模装配，導线外护套中间的屏蔽层可忽略不计。

因高压线束温升仿真需要进行通电流分析，因此仿真模型中连接器插头和插座的数模需要参照实际状态进行装配模拟，特别需确保数模中连接器插头和插座的接触件可以实现对配接触，如图2所示。

高压线束在参照实际接触情况进行装配时需注意以下几点：①金属线芯按实际接触情况与端子压接区进行装配，确保端子压接区与导线金属线芯圆柱面的贴合；②将导线外护套装配在导线金属线芯之上；③导线外护套可模拟实际剥皮处理工艺，注意导线外护套圆柱面不要与端子压接区贴合，否则会造成电流无法流通。

应当说明的是，对于波纹管、扎带以及热缩管等辅材，属于非热源零件，对于温升仿真结果影响较小，且上述零件结构较为特殊，可能会对网格划分品质产生不良影响[8]。因此，对高压线束数模装配时无需装配上述辅材。装配完成后的压缩机高压线束等效仿真模型如图3所示。

2.2  仿真分析设置

本文研究使用FloEFD有限元分析软件对高压线束进行仿真分析，FloEFD软件是专门用于计算流体力学的仿真软件。按其分析逻辑，仿真过程需进行向导、计算域、流体子域、材料、热源、辐射表面、电气条件、仿真目标及网格等设置。

2.2.1  计算域设置

计算域是进行流体流动和换热计算的区域，是一个可用于3D或者2D分析的长方形区域。根据经验，一般在重力方向与重力反向的计算域尺寸共同设置为约4X，X为仿真模型在重力方向的尺寸；在左右方向的计算域尺寸设置为约1Y，Y为仿真模型在左右方向的尺寸；在前后方向的计算域尺寸设置为约1Z，Z为仿真模型在前后方向的尺寸[9]。

2.2.2  热源功耗计算

2.2.3  端子体电阻求解方法

连接器端子均是金属材质，在工作通流时，端子还会因自身为金属材质而产生体电阻。为了提升高压线束温升仿真的精度，需要对连接器端子的体电阻大小进行求解。

使用FloEFD软件，通过对高压线束进行闭环通流，可以进行端子体电阻计算。如图6中蓝色端子所示，一端端子根部的电压为15.108mV，另一端端子根部的电压为18.525mV，因此可以计算出两端端子根部的电压差约为3.42mV。在电气条件中设置的电流为20A，因此可计算出对配端子的体电阻之和约0.17mΩ。

2.3  材料属性设置（表3）

2.4  网格划分

在FloEFD中对模型进行划分网格时，一般先对模型进行全局网格划分，一般建议划分的等级为4级或5级；然后可对仿真模型中结构较为复杂、特别或不规则的局部结构插入局部网格，进行网格细化，提升网格品质。由于本文仿真模型中，连接器的端子以及端子导线压接处为产热的关键结构，且上述结构为薄壁或狭长通道结构，使用全局网格基础划分，难以满足上述结构处的网格品质需求。因此，需要对连接器端子和导线结构插入局部网格用以细化，从而提高网格的品质[11]。本文仿真模型共划分网格共计190746个。

2.5  仿真结果分析

在25℃环境下，电流为16A，对高压线束进行稳态温升仿真分析，如图7所示，仿真结果显示最大温升为24.48℃。进一步对仿真模型进行剖面分析，如图8所示，发现最大温升点出现在连接器内部端子处。同样在25℃环境下，电流为16A，以压缩机高压线束连接器端子处为测量点进行了温升试验，如图9所示，试验结果显示最大温升为23.3℃。仿真结果与试验结果误差为1.18℃，上述情况说明在连接器内部端子处仿真结果与试验结果较为接近。

进一步在45℃环境下，电流为16A，对高压线束进行稳态温升仿真分析，研究连接器壳体表面温升特性，如图10所示，仿真结果显示连接器壳体测量点温升为7.5℃。同样在45℃环境下，电流为16A，对连接器壳体同一测量点位进行了温升试验测试，如图11所示，试验结果显示该点位的最大温升为6.42℃。仿真结果与试验结果误差为1.08℃，上述情况说明在连接器壳体处仿真结果与试验结果同样较为接近。

3  常态化温升仿真系统建立

如需在线束开发阶段引入对高压线束的温升仿真，连接器端子的接触电阻和压接电阻是必不可少的。通常端子的接触电阻和压接电阻需要通过试验进行测量计算，如在每次仿真分析前进行端子接触电阻和压接电阻的测量十分费时费力，影响开发进度。为了建立常态化温升仿真系统，可将常用型号连接器的接触电阻以及端子与常用导线的压接电阻进行测量并建立电阻数据库，并将电阻数据库导入有限元软件中。后续在进行温升仿真分析时，可直接进行调用，提升仿真效率，对于线束的开发和安全性能提升具有重要意义和应用价值。

4  结论

1）通过仿真结果与试验结果的对比分析，表明了使用有限元方法代替试验法对高压线束进行温升特性仿真分析的可行性和较高的准确性。

2）为了有效降低高压线束的温升，需要特别注意对连接器端子处的接触电阻和端子导线处的压接电阻的优化，尽可能降低连接器端子的接触电阻和压接电阻。

3）在线束开发阶段使用有限元分析法对高压线束进行温升仿真，可以缩短项目开发周期，降低项目开发费用，对于高压线束项目的开发有着重要的意义。

参考文献：

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[2] 李志博，朱玛，张高峰. ANSYS在电连接器温升分析中的应用[J]. 计算机应用与软件，2011，28（5）：189-192.

[3] 张艳，崔振亚，徐顺，等. 浅析汽车线束设计对汽车安全性的影响[J]. 汽车实用技术，2017（17）：69-71.

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[5] 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（10）：42-44.

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[8] 朱锋，余海洋，周庆平，等. 某型号大电流直流连接器的温升仿真[J]. 数码设计，2017，6（9）：53-54.

[9] 李波，陈文鑫. FLOEFD流动与传热仿真入门及案例分析[M]. 北京：机械工业出版社，2015：29-30.

[10] 中华人民共和国工业和信息化部. QC/T 29106—2014，汽车电线束技术条件[S]. 北京：中国计划出版社，2014.

[11]郑淑梅，骆燕燕. 航空电连接器低温温度场数值分析研究[J]. 河北工业大学学报，2018，47（6）：27-32，36.

（編辑  杨凯麟）