高压大电流连接器的载流能力评估

来源：•作者：•2021-06-16 11:58

当下我们经常能看见电动汽车的各种自燃，这个里面有很多是热失控造成的，所以对于整车而言，控制关键零部件的温升，以及温升模拟仿真再现，就变得非常重要，作为高压连接的关键部件，高压连接器的温升、热分析也变得尤为重要；

摘要：应用在新能源领域的高压电气连接系统，由线缆、连接器、铜/铝排组成。其中，搭接部分的连接器，是产品载流能力的瓶颈点，其本身的载流能力决定整个系统的载流能力。

目前行业应用的高压大电流连接器，涵盖40A~500A的载流要求。如何在设计之初就能准确评估产品的载流能力（即评估其温升能力），是连接器行业亟需解决的技术难题。本文针对载流能力设置为200A的载高压连接器进行详细的电流温升仿真，计算此连接器在各种电流载荷下的温升数据，与实验温升结果一一对应，可知此评估方式可靠、准确。

关键词：高压大电流连接器，温升，载流能力，温升测试，仿真

1 前言

对于新能源汽车，国内谈论最多的是“电池、电机、电控”三电系统的如何发展和技术突破，然而在实际应用中，还有一个重要的电气单元——高压电气连接系统。

高压电气连接系统主要包含高压线束和连接器，整车故障报修中，电气连接系统有一定占比，电连接成为高压系统中较为薄弱的一个环节。由于高压连接器产品的质量和精度直接影响到连接器的电气、机械、环境等性能，进而影响电动车辆的行车安全，因此高压大电流连接器的质量要求比较高，须具备良好的电气、机械和环境性能，才能符合整车标准。以下三条是针对高压连接器产品的基本性能要求：

--载流能力必须能满足200A或以上；

--寿命插拔要求在500次以上；

--温升能力保证在55度以内；

其中，温升性能决定了连接器本身的载流能力。在这些性能中,载流能力是一个关键性能，它决定连接器产品的能承载的电流等级。在电动汽车或其他应用高压大电流的系统中，200A的载流能力是其基本的功率要求。

如何在产品的设计之初就能准确评估产品的载流能力（即评估其温升能力），是连接器行业亟需解决的技术难题。

2 载流能力-温升：

连接器工作时，通过的电流在接触点处产生热量，导致温度上升，此即为电子连接器的温升。大电流的连接器必须考虑温度上升效应，USCAR-2-2013 5.3.3中规定要求额定载流下，温升需要在550C以下。

此测试用于确定连接器系统在室温下的最大载流能力，是高电流连接器的核心性能。

2.1温升的理论基础

温升是材料的主体电阻作用的结果。主体电阻由端子的形状及其材料阻抗决定。端子的温升取决于热产生过程中的热传递所造成的热能浪费。因此温升又可以说是依赖于端子材料的热传递能力，电流的大小和连接器的热量对流。

通电流的产生热能方程：

温升=最终温度-初始温度

在外加条件固定情况下，导电系数与传热系数是唯一能作用于温升的材料属性。不过这个公式对于温升只是个保守的估计，因为它假设没有通过对流或辐射而产生的热量损失。

从第三个公式中很明显地看出，温升与产品的材料导电系数和传热系数成反比。为了降低温升，不仅要提升导电系数，还要提升材料的传热系数以便可以产生少的热量而传出多的热量，最终降低温度的上升量。

2.2 高压大电流连接器的温升仿真

在大电流情况下，整个连接器会因通电而产生的热量引起整个连接器系统温度上升，温度的上升显著影响连接器的工作性能。对于大电流连接器，其温度上升效应是必须要考虑的关键性能。

在实际的运用过程中，热量密度来自于公母连接器及通电线缆的部分。其中热量密度最高的部位有两个：其一，接触对的接触点；其二，端子与线缆的压接点。

对实际设计复杂的高电流连接器而言，采用简单的公式根本无法得出精确值。原因如下：其一，因为空气的对流散热对于实际的温升度数有至关重要的作用,且传热的面积因形状复杂不能精确确定；其二，发热的关键点，接触对的接触点电阻及压接点电阻都需要足够的计算能力与实际经验才能得到合理精确值。

在大部分企业，此温升性能的预测和改善都是基于实践试验结果。无法在产品设计之时确认温升性能，成了制约大电流连接器开发的一个瓶颈。

采用CAE仿真工具，我们可以假定大电流连接器是由不同材料组成的一个整体，在传热过程中，端子部份自身通过电流生热，在对应的接触点部分施加接触点电阻，在压接部分施加对应的压接点电阻，并通过热传导方式将热传给其他部分（如线缆与圆形PIN针等），同时，裸露在外的所有部份都与空气进行对流传热的方式来达到散热的目的。如此，可以得出较精确的温升分析结果。

3 高压大电流连接器载流仿真

本文采用电动乘用车中应用的载流能力最高等级-200A高压大电流连接器，进行载流能力仿真。

3.1 200A 高压大电流连接器温升模型及材料