背景：本文來(lái)自Dr. Thomas Schilla和Martin Schuster 的《Simplify your HV-harness – uniform high current connectors for batteries, inverters and motors in heavy-duty vehicles and passenger cars 》，該文章是之前寫些資料時(shí)在IEEE上下載的，對(duì)于設(shè)計(jì)高壓高電流連接器的同學(xué) 可以借鑒參考一下。

一，引言

純電動(dòng)汽車正代表著一場(chǎng)真正的汽車制造革命，不同于傳統(tǒng)的燃油車，電動(dòng)汽車采用了幾乎沒有任何聲音的傳動(dòng)動(dòng)力，同時(shí)享受著快速的加速；傳統(tǒng)的汽車制造商必須要逐步適應(yīng)這種不同尋常的動(dòng)力系統(tǒng)，例如 大功率的電池組，逆變，以及電機(jī)電控等，伴隨著這個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，“雙高” -高電壓和高電流 正在被廣泛的引入汽車，也使得高壓電纜作為連接被使用在必要的動(dòng)力系統(tǒng)之間，由于組裝和售后等原因，harness和接頭是必須可維護(hù)的；下圖給了一個(gè)典型的EV連接方案，本文將討論這些連接的的接頭的類型和要求，并給出了用于簡(jiǎn)化高壓安全連接的設(shè)計(jì)方案；

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 優(yōu)化線束設(shè)計(jì)-連接器模塊方案

通過在所有高壓動(dòng)力連接中使用相同部件的高壓連接器（HVC)系列，可以實(shí)現(xiàn)高壓線束的簡(jiǎn)化工作，這種適用的連接必須具有成本效益，并且需要滿足不同的高壓部件和相關(guān)的高壓安全要求，而成本效益只能通過一個(gè)整體的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如2芯和3芯的直角和彎角的版本，2種連接器盡量需要保持大量相同共用的部件，同時(shí)需要考慮高壓的安全要求，一般高壓的安全要求大致如下：

• 不容易老化的接觸技術(shù)

• 先導(dǎo)觸點(diǎn)，用于自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)（HVIL)

• 連接器分離時(shí)間要求>3s或5s的時(shí)間

• 低電磁輻射

• 可接受的附著力和分離力連接器

• 斷開時(shí)IP2B

• 以及重要的技術(shù)條件，如：

•  對(duì)振動(dòng)的魯棒性

• 耐化學(xué)性

• 耐受不同的溫度和氣候效應(yīng)

注：小編理解，作者在這個(gè)地方想強(qiáng)調(diào)的是高壓連接器的設(shè)計(jì)應(yīng)該從系統(tǒng)級(jí)考慮，在滿足動(dòng)力系列連接的方案的要求同時(shí)，彼此連接器之間盡量最大化的共零件設(shè)計(jì)，來(lái)降低成本，同時(shí)需要兼顧滿足不同的高壓部件對(duì)高壓安全的要求，這是一種從R&D角度的cost down的思路；整車的趨勢(shì)都在“模塊化”，作者在這個(gè)地方想強(qiáng)調(diào)的是，HVC的設(shè)計(jì)也可以是模塊化的思路，這種思路如果發(fā)散開來(lái)，你甚至可以結(jié)合整車的高壓方案和安全要求設(shè)計(jì)很多的零件，把這些零件進(jìn)行不同的組合能夠適應(yīng)不同的高壓模塊，作者在下文中也表達(dá)了這個(gè)設(shè)計(jì)思路；甚至可以考慮把高壓和低壓也進(jìn)行模塊整合，這個(gè)地方從小編的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，如果能夠做到的企業(yè)的確會(huì)大幅度的降本，當(dāng)然這個(gè)至少是HVC生產(chǎn)企業(yè)的第3代的產(chǎn)品RM迭代了，因?yàn)榭紤]的因素比較多；但是這種方式很講究“火候和拿捏”搞不好你的產(chǎn)品就會(huì)很笨重，這個(gè)和整車的輕量化、小型化又相悖，會(huì)得不償失；

在項(xiàng)目過程中，在整個(gè)連接器版本中保持相同部件的數(shù)量很難

圖2說明了螺釘固定的開發(fā)版本，例如，例如，只有一種類型的中心螺釘用于固定2Pin和3 pin連接器以及直頭和彎頭，如果可能，讓螺釘集中在每個(gè)連接器的中間，先導(dǎo)接觸室-HVIL（深灰色部分，中心螺釘左側(cè)）位于殼體的單獨(dú)圓頂中，其在在所有連接器中位置也是相同的。

附加時(shí)間可以最小化，分離時(shí)間設(shè)置為至少3至5秒， 因此，分離連接器需要比連接更長(zhǎng)的時(shí)間。這允許整個(gè)系統(tǒng)控制在誤操作的情況下下高壓電，該功能是通過設(shè)計(jì)鋁外殼和帶搖臂來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是線端連接器的一部分，搖臂與鋁殼中的開口嚙合。 必須推動(dòng)搖臂以完全釋放連接器外殼。 如圖所示。 在所有的外殼版本中，搖臂也是相同的。 完全脫離過程分兩步進(jìn)行。

附加時(shí)間可以最小化，分離時(shí)間設(shè)置為至少3至5秒。 因此，分離連接器需要比連接更長(zhǎng)的時(shí)間。 這允許整個(gè)系統(tǒng)控制在誤用的情況下泄放電高壓電路的功率電路。 該功能是通過設(shè)計(jì)鋁外殼和搖臂之間的接合連接機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是外殼連接器的一部分。搖臂與鋁殼中的開口嚙合。 必須推動(dòng)搖臂以完全釋放連接器外殼。 如圖所示，在所有的外殼版本中，搖臂也是相同的。 而完全脫離過程分兩步進(jìn)行。

• 第一步：用中心螺釘將連接器殼體抬起8mm。為此，螺釘無(wú)法快速卡入殼體。先導(dǎo)觸點(diǎn)在4mm后斷開，而主觸點(diǎn)保持重疊。只有在第一步分離結(jié)束時(shí)，搖臂處于可將其推到一邊的位置。
  

  
  

• 第二步：可以推動(dòng)搖臂，連接器完全分離。

分離過程的所有功能元件和過程本身對(duì)于所有連接器版本都是相同的，甚至對(duì)于帶有杠桿固定的外殼也是如此

 圖2，模塊化連接器設(shè)計(jì)與相同的零件方法

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 板端連接器設(shè)計(jì)原則

板端連接包括安裝在電池和逆變外殼中的部件，板端連接器的一部分包含 male HV contact bolts and the male pilot contacts,圖3顯示了不帶電纜的板端連接器，用戶設(shè)備外殼用黃色平面表示，板端連接器的所有部件直接集成到外殼的壁厚中；因此，外殼必須有一定的厚度，并能承受特定的機(jī)械處理，直接集成的主要優(yōu)點(diǎn)是安裝空間最小化、密封面的遺漏和裝配過程中預(yù)先組裝的male contact pins，參見第5章；

圖3 帶用戶安裝板端連接器，無(wú)電纜版（直頭和彎頭通用版）

導(dǎo)向銷（黃色）在插合過程中作用是引導(dǎo)連接器外殼垂直方向，防止female contact過度插入。集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在所有連接器版本的相同部件的基礎(chǔ)上，可以共用直頭和彎頭。 因此，客戶在不同車輛的安裝空間方面具有更大的靈活性。用棕色表示的是屏蔽電流接觸。 這種低電阻接觸提供了電纜連接器的鋁外殼與設(shè)備外殼之間的連接。

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 安全原則

綜合高壓安全旨在結(jié)合車輛監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電氣故障檢測(cè)機(jī)制工作。可能失敗的是：

•  在系統(tǒng)操作過程中未經(jīng)授權(quán)分離電纜連接器，

•  由于機(jī)械疲勞、漏水問題或泄漏電流而失去絕緣，

• 在分離連接的情況下接觸高壓元件

因此，車輛安全監(jiān)控系統(tǒng)包括絕緣監(jiān)視器和所有可移動(dòng)大功率部件之間的先導(dǎo)信號(hào)線（HVIL線）。絕緣監(jiān)測(cè)儀持續(xù)測(cè)量和評(píng)估高壓相位與系統(tǒng)接地之間的電阻。在新的條件下，單獨(dú)的系統(tǒng)組件通常具有超過100Mohm的絕緣水平。這個(gè)值可以隨著連接器內(nèi)部溫度和濕度的增加而降低到幾個(gè)k歐姆。所提出的高壓連接器不需要在高壓相位之間進(jìn)行泄漏電流檢測(cè)，因?yàn)槊總€(gè)高壓路徑都位于自己的腔內(nèi)。在所述連接器中不能發(fā)生相到相短路或泄漏問題。這對(duì)車輛安全理念做出了強(qiáng)有力的貢獻(xiàn)。

在先導(dǎo)接觸的幫助下，監(jiān)控系統(tǒng)可以檢測(cè)到連接器的任何未經(jīng)授權(quán)的脫離以便防止有人試圖在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)分離電纜連接器，這一點(diǎn)尤為重要。在操作過程中打開連接器會(huì)導(dǎo)致電弧，從而對(duì)生命和材料造成危險(xiǎn)。先導(dǎo)連接器包括公端和母端信號(hào)觸點(diǎn)。導(dǎo)頻觸點(diǎn)的斷開向監(jiān)控系統(tǒng)表明連接器是打開的。重要的是，導(dǎo)頻觸點(diǎn)的斷開發(fā)生在主高功率觸點(diǎn)仍然連接的情況下，導(dǎo)頻觸點(diǎn)與主觸點(diǎn)之間的斷開時(shí)間足夠長(zhǎng)，以便功率電路放電。因此，該系統(tǒng)配備了搖臂，將分離時(shí)間延長(zhǎng)到3至5s以上。完整的剝離過程如圖所示。第2章11節(jié)。

注：小編理解，作者想表達(dá)，每個(gè)PIN是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，彼此不存在關(guān)聯(lián)，同時(shí)整體采用了共用零件的集成思路，所以絕緣會(huì)比較可靠；

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 絕緣強(qiáng)度

高壓連接器通常是根據(jù)成本、載流量、尺寸、IP類和安全功能等標(biāo)準(zhǔn)選擇的。在具有高標(biāo)稱工作電壓或高電壓的系統(tǒng)中，絕緣中斷的風(fēng)險(xiǎn)在會(huì)上升。最高水平的絕緣故障將導(dǎo)致車輛停止，在任何情況下都必須避免。表一中SAEJ1742或LV215中所述的非汽車法規(guī)，如IEC60664和最新測(cè)試要求的比較表明，汽車行業(yè)已經(jīng)定義了更高的要求。IEC60664規(guī)定了低電位電壓應(yīng)用的絕緣準(zhǔn)則。通常，低電位電壓定義為直流電壓高達(dá)1500VDC和1000VAC。IEC60664定義了空氣、泄漏電壓和固體絕緣中的火花距離，以保證設(shè)備在相關(guān)環(huán)境條件下的安全運(yùn)行。SAEJ1742將電壓試驗(yàn)與初步老化試驗(yàn)相結(jié)合。測(cè)試持續(xù)時(shí)間固定為1分鐘。HICCON II連接器用3.3k VAC測(cè)試，允許在額定電壓甚至高于1000V的系統(tǒng)中使用

注：對(duì)于絕緣要求，按照標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)即可

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 HICCON Ⅱ 高性能接觸-3區(qū)域概念

 HICCON II接觸是專門為汽車應(yīng)用開發(fā)的。接觸的特點(diǎn)是尺寸小，強(qiáng)度高，電流容量大。接觸可分為三個(gè)功能區(qū)，如圖4所示 （三區(qū)概念）。結(jié)合8毫米接觸銷，接觸區(qū)域形成4條平行定向接觸線，每條約7毫米長(zhǎng)。在壓接區(qū)域，觸點(diǎn)用特殊的六角形壓接連接到導(dǎo)體子上。壓接套筒的外套（金色）是應(yīng)變緩解的一部分，并夾緊在外殼內(nèi)。為了保證所有4條接觸線的穩(wěn)定接觸而開發(fā)了彈性連接機(jī)構(gòu)。特殊形成的鈑金板等于接觸元件的位置公差和接觸螺栓在板端連接器內(nèi)的可能傾角。三區(qū)域概念的最重要特征是接觸函數(shù)和彈性函數(shù)的面積劃分。這些功能是連續(xù)連接的，從公母端電流轉(zhuǎn)換的實(shí)際點(diǎn)處于由外部彈簧固定的位置。產(chǎn)生的熱量可以均勻地流向接觸的兩側(cè)

注：這個(gè)地方客戶自己設(shè)計(jì)了一套核心連接接觸系統(tǒng)，包含了接觸區(qū)域、彈性區(qū)域、壓接區(qū)域，略顯復(fù)雜，但是其彈性區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是比較有意思；這個(gè)地方，小編后面單獨(dú)拿一篇文章寫寫目前比較熱門的特斯拉的大功率充電的contact system是怎么設(shè)計(jì)的，其實(shí)在小編看來(lái)，這個(gè)地方不一定要追求過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品在不同工況下最大程度的穩(wěn)定性是最為重要的；

A 溫升

借助接觸系統(tǒng)的熱分析，可視化了HICCONII觸點(diǎn)的優(yōu)良電流容量。 圖 5顯示了4個(gè)HICCON II觸點(diǎn)串聯(lián)的熱照片。所有接觸元件都在沒有外殼、室溫和無(wú)強(qiáng)制氣流的情況下進(jìn)行了測(cè)試。兩個(gè)觸點(diǎn)壓接35mm2電纜，兩個(gè)觸點(diǎn)壓接50mm2電纜。觸點(diǎn)被涂成黑色，以避免由于金屬反射而產(chǎn)生虛假測(cè)量。白色矩形覆蓋接觸區(qū)域，

圖5中的照片是在恒定熱條件和150A負(fù)載電流下取得。接觸區(qū)左側(cè)和右側(cè)的接觸達(dá)到相同溫度約46°C。假設(shè)觸點(diǎn)具有相同的溫度。在此測(cè)量的同時(shí)，測(cè)量了電纜編織的溫度在52°C。這意味著接觸的行為與電纜相同或優(yōu)于電纜，這是一個(gè)比較好的結(jié)果。換句話說，在測(cè)試條件下，接觸部位不是當(dāng)前路徑中的最弱點(diǎn)。因此，接觸也顯示出良好的彈性連接的設(shè)計(jì)，如表二所示。幾個(gè)瞬間1000A的短高電流不會(huì)破壞接觸。這種行為在一次無(wú)意的測(cè)試中得到了證實(shí)，其中逆變器短路并在內(nèi)部熔化，但HICCONII接觸仍未損壞

B 降偶（Derating）

通常，觸點(diǎn)的當(dāng)前容量以減縮曲線的形式可視化。一條衰減曲線顯示了在不同環(huán)境溫度下相對(duì)于預(yù)先定義的最高工作溫度的可能電流負(fù)荷。 圖6 顯示了HICCON II接觸的減縮曲線，沒有強(qiáng)制空氣流動(dòng)，最高溫度為180°C，并連接到35mm2柔性電纜。在測(cè)量過程中，應(yīng)用不同的電流水平，并注意到接觸在每個(gè)水平的溫度。在180°C環(huán)境溫度下，電流必須為0，因?yàn)椴辉试S通過電流流進(jìn)行額外的加熱。在DINIEC512T3中描述了降低測(cè)量的過程。

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 測(cè)試結(jié)果

 在大量的試驗(yàn)中，本文重點(diǎn)研究了振動(dòng)試驗(yàn)。 關(guān)于電磁兼容阻尼測(cè)試以及各種水密性測(cè)試或接觸測(cè)試本文作者沒有提及，暫不提及；

A 振動(dòng)測(cè)試

根據(jù)ISO16750的振動(dòng)測(cè)試考慮了不同水平的振動(dòng)嚴(yán)重程度的車載電氣和電子設(shè)備取決于特定的安裝位置。振動(dòng)試驗(yàn)的目的是避免現(xiàn)場(chǎng)疲勞引起的故障和斷裂。此外，在振動(dòng)應(yīng)力下，測(cè)試裝置受到圖7的溫度循環(huán)。將Tmax設(shè)置為140°C，連續(xù)施加150A的電負(fù)載。試驗(yàn)是根據(jù)第4.1.2.6節(jié)試驗(yàn)VI-商用車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱-進(jìn)行的，每個(gè)方向的持續(xù)時(shí)間為94h。正弦和隨機(jī)振動(dòng)的最大值列于表三。

9個(gè)連接器安裝在一個(gè)盒子里，見圖 8和圖9. 電纜從連接器端固定18厘米。板端連接器直接集成到方形框的殼體中，如第2.1章所述。對(duì)測(cè)試裝置的每個(gè)平面施加94h的測(cè)試持續(xù)時(shí)間。正弦和隨機(jī)振動(dòng)的最大值列于表三

B 測(cè)試結(jié)果：

連接器外殼未損壞，中心螺釘?shù)姆蛛x扭矩與初始緊固扭矩相同。外殼無(wú)裂紋或斷裂。所有內(nèi)表面的黑色沉淀如圖所示。9是磨損造成的。在一個(gè)平面上振動(dòng)94h后，所有連接器都進(jìn)行了測(cè)試。在第二個(gè)平面的下一個(gè)測(cè)試階段，出現(xiàn)了第一個(gè)問題。接觸銷固定開始失效，如圖10所示。通常夾緊接觸銷的6個(gè)托架被強(qiáng)烈磨損。銅接觸螺栓的槽也被磨壞了。因此，接觸銷沒有軸向固定，導(dǎo)致其他部件的進(jìn)一步斷裂-50-35-50-35。然而，27個(gè)電觸點(diǎn)中的三個(gè)仍然在運(yùn)行，在3x94小時(shí)的完整測(cè)試中。

 據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目合作方說， 整體測(cè)試結(jié)果是不錯(cuò)的，因?yàn)樵诘谝徊街袥]有其他更高的電壓連接器達(dá)到如此好的測(cè)試結(jié)果， 同時(shí)接觸件和塑料零件已經(jīng)被修改，以進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品

注：這個(gè)地方文章的作者單獨(dú)拿出振動(dòng)來(lái)詳細(xì)描述了一下，關(guān)于振動(dòng)我在之前的文章里有單獨(dú)也寫過，感興趣的同學(xué)可以自己去看看新能源汽車高壓連接器的振動(dòng)闡述，之前也提及過，關(guān)于振動(dòng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要分2個(gè)大類別，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，一般的思路是結(jié)合這2個(gè)系列一起根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用位置來(lái)測(cè)試；

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 應(yīng)用

圖11中給出了HICCONII連接器的設(shè)計(jì)實(shí)例。圖11為一臺(tái)60k W電機(jī)的內(nèi)部電動(dòng)線圈，以及帶有8mm接觸螺栓和屏蔽線接觸的集成3PIN連接器, 在單獨(dú)的組裝步驟中，接觸螺栓和導(dǎo)體電纜壓接。在許多外殼設(shè)計(jì)中，都必須為這一生產(chǎn)步驟花費(fèi)更多的精力，因?yàn)樾枰粋€(gè)額外的蓋板，以便將帶有連接電纜凸耳的絞線連接到連接器引腳上。在下一步中，預(yù)先組裝的線圈被插入到外殼中，并安裝所有其他連接器組件。接觸套卡住接觸銷，垂直調(diào)整。最后電纜必須固定在外殼上，離壓接位置不超過15厘米的地方。這一步主要是為了減少電纜上的振動(dòng)應(yīng)力傳遞道接觸銷上；

  圖11和13  還說明了兩種不同的設(shè)計(jì)-IN方法。圖11顯示了一個(gè)集成良好的板端連接器，所有組件直接安裝在用戶設(shè)備的外殼中，而圖12顯示安裝在鋁適配板上的連接器。如果設(shè)計(jì)-IN是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段完成的，并且有可能適應(yīng)房屋建筑，那么這樣的附加組件組件