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高压大电流连接器的载流能力分析
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，国内谈论大多是“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-2-20135.3.3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常用等级-200A高压大电流连接器，进行载流能力仿真。
3.1200A高压大电流连接器温升模型及材料
此200A高压大电流连接器的产品接触对内簧片，材料为高性能铍铜1/2HT,其他载流导电部位皆为T2。通过CAE软件自带的模型处理功能，将各接触区域粘接为一个整体。
各零件所采取的材料及其相关性质系数见表1
3.2 200A高压大电流连接器的温升分析过程
此分析为电热耦合分析,故采用电热耦合单元。温升分析的CAE步骤如下：
第一步，建立高压大电流连接器公母端子对接模型；
第二步，建立温升测试中连接器两端对接的线缆模型；
第三步，在连接器两端的线缆施加载荷电流载荷和电压载荷）如200A、250A）；
第四步，在接触对的簧片、端子压接部分的线缆体施加对应的热生成率载荷；
第五步，施加环境温度25度，并对祼露在外的面施加自然对流系数；
第六步，计算载荷；
第七步，提取温度、电阻及电流密度结果
根据实验验证，上升的温度一般会在0.5~1.5小时后稳定。由于热载荷是稳定的，故在此选用的是稳态分析（也曾用一种设定时间为5500秒即1.5小时的瞬态电热耦合分析，结果基本没有差别）
3.3200A高压大电流连接器的温升分析结果
对于设计额度为200A的接触对的温升，为了更好的考察过流能力，按照200A、250A、300A、350A进行仿真分析。
3.3.1200A电流温升分析结果
载流为200A时，接触对的温升为65.684-30=35.684°，温升最高点发生在簧片内部其次为圆形Pin针与簧片接触区域，再次为压接及簧片外部holder处
3.3.2 250A电流温升分析结果
载流为250A时，接触对的温升为85.742-30=55.742°，温升最高点发生在簧片内，
其次为Pin针与簧片接触区域，再次为压接及簧片外部holder处
3.3.3 300A/350AA电流温升分析结果
载流为300A时，接触对的温升为：110.269-30=80.269°，载流为350A时，接触对的温升为：139.255-30=109.255°。
3.4温升试验数据和仿真误差分析
实际的温升测试中数据见图9，测试数据与温升仿真分析数据对比见表2。
④小结
在对200A高压大电流连接器的温升分析过程中发现，得到的温升结果准确与否与各连接点的接触电阻相关性很大。
因此我们需要提前测试压接点的接触点电阻、各螺栓连接点的接触电阻，如此才能准确分析出温升的结果。
此外，亦需要根据簧片扭转后的形状得出插拔力，再根据插拔力得出各个栅条簧片的正向力，再根据接触电阻计算方法得出接触对连接点的接触点电阻，最后汇总所有测试出的接触点电阻和计算出的接触点电阻，一对一模拟温升测试时的各种线缆连接和电流载荷施加，即可得出比较符合实际情况的温升仿真结果。
据此仿真技术，可以在产品开发设计时，提前确定产品的温升性能和载流能力，对高电流连接器的开发具有莫大的意义。
温升是确定大电流连接器载流能力的核心性能，根据理论计算加仿真人得出的核心端子接触点电阻，并实验测试出来的压接点及连接点的接触点电阻，施加对应的电流负载和散热系数，为大电流连接器关键性能确定提供了可靠的温升仿真方法，此方法意义重大。
在大电流连接器的核心性能如温升、寿命等有限元分析方法研究基本完成的情况下，未来可对大电流连接器进行参数化优化设计，开发出性能更优异的核心端子结构，大大提升大电流连接器的载流能力和可靠性。