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电动车高压矩形连接器端子的设计技术

2021-03-29 10:49:55


摘要»

电动化是汽车技术的发展趋势之一。由于电动汽车具有600V以上高压及300A以上大电流系统,对高压连接器的安全性、屏蔽性具有更高的要求。高压连接器的接触金属件多为机加工的圆柱形,接触孔内嵌接触冠簧形成电接触。该类产品虽然安全性和稳定性能满足要求,但机加工效率低,成本高,无法满足自动生产的需要。很多电动车高压连接器的研究者不断探索高压连接器的设计方案,期望能在保证高压连接安全可靠性的前提下获得高压连接器加工简单便于自动化生产的的方案,我们课题组在这方面也做了大量研究工作。加工简便、可自动化冲压成型矩形高压连接器设计技术逐渐走上市场。


一、内嵌簧片式矩形插孔高压连接器
高压类矩形连接器包括矩形插孔和呈矩形的簧片(图1)。矩形插孔由铜合金板材冲压成型,加工简单便于自动化生产,从而降低成本。结构上一般设定为插孔端子的插孔头部有两个垂直的开口侧,可适应簧片90°或180°方向的装配,从而可实现插针插片两个方向的插拔。
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图1 内嵌簧片式矩形插孔高压连接器
目前研究人员主要集中在研究内嵌的矩形簧片的结构设计上,以期望提高其电接触性能和降低其插入力。于增亮等设计了一种具有高接触面积的端子弹簧弹性机构(图2),该弹性机构包括多个沿横向平行设置在端子弹簧本体上表面及下表面上的接触弹性臂、接触悬弹臂,并且所述的接触弹性臂与接触悬弹臂沿纵向两两相互交错布设在端子弹簧本体上。在工作状态下,接触弹性臂与接触悬弹臂的背面与装配母端接触连接,并且所述的接触弹性臂与接触悬弹臂的正面与装配公端接触连接。该设计采用接触弹性臂及接触悬弹臂,两者接触点位置不同,能有效减小端子的插入力。
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图2 一种具有高接触面积的端子弹簧弹性机构
金梦醒等设计的簧片可冲压成型(图3),设有铆扣与插孔中铆合孔相配合。簧片基体上有多个接触对,接触对包含接触点及弹性段,二者设计有“V”型成型角,以接触点为“V”型顶点,弹性段分在“V”型两侧,呈波峰形状,同时多个接触对之间设计有接触对间隙,从而可分散插针插片在插入时的力,保持合适的插合力,且簧片接触点两侧的弹性段,在插针插片插入时,可降低簧片的垂直受力,从而增加接触点接触力;在插针插片插入时,弹性段径向受力后可与插孔头部的安装板接触,增加簧片基体与安装板的接触面积,缩短电流传输距离,能有效降低温升值和接触电阻值。
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图3簧片的结构示意图
天海夏友卿等设计的簧片(图4)包括两组对称设置的结构面。结构面的两端分别设置有前端带和后端带,每组结构面的前端带和后端带之间设有若干个弹片组和简支梁,采用弹片和简支梁,并将两者交互使用,实现两者的接触点位置不同,可有效减小端子的插入力;且弹片为前后2个一组,并设置2组结构面对称分布,使得接触点数量是普通簧片的4倍,大大增加了有效接触面积,从而降低了接触电阻,增大了载流的能力。
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图4一种大电流片式簧片 
矩形插孔高压连接器虽然加工简单,成本低,但矩形的插片和插孔电流分布不均匀,存在电流分布的边缘效应,即在边沿处电流成倍增加,容易引起局部电流过高导致的发热问题。为解决高压矩形连接器的电流边缘效应问题,笔者设计了一种消除电流边缘效应的高压矩形连接器(图5,专利已申请受理202010652522.5),通过哑铃形的接触头及接触腔形成电接触,弧形的两侧电接触电流分布均匀,消除了矩形连接器的边缘效应;通过弹簧形成线接触,降低了接触电阻。
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图5一种消除电流边缘效应的高压矩形连接器

二、叠片式矩形连接器

叠片式矩形连接器的插座包括多个并列的单片,通过调整叠加的单片弹叉的数量来配置不同电流,以满足整车系统的不同电流使用环境,实现模块化配置,方便后期物料的统一;单片上设置至少一个插槽(图6)。该设计通过将传统的圆端端子变为压端端子,使得插座的内部结构得到优化,便于使用模块化设计,使其结构更加紧凑,节省其内部空间,从而缩小产品体积,进而增加整体的实用性及便利性。

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图6 叠片式矩形连接器
金梦醒等设计的错位叠加式弹叉组件(图7)每个单片弹叉均设有4处接触点,多个单片弹叉并列排列后即形成线接触,可保障接触的可靠性;且本发明的错位叠加式弹片组件与公端端子、转接端子的接触端的接触点为错位交叠,可有效避免长时间运行时产生共振,具有抗振动、强度高的优点。同时,其弹叉触点采用圆滑过渡的圆角设计,可有效提升对插时的柔和度,且其转接端子可满足不同角度的出线方式,满足了新能源电动汽车对不同整车空间布局紧凑的需求,具有可组合不同电流大小、插拔柔和、抗振动强度高、可制造性高的优点,且可适用于自动化装配,提高装配效率。
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图7 错位叠加式弹叉组件 
为解决叠片组合一起后插入力较大、装配困难的问题,我们开发一种接触良好、插拔力低的高压矩形叠片式连接器的叠片(专利已申请受理20201324522.4,图8,图9)。巧妙利用接触臂上的圆孔形成了弹性接触,插入时孔自动收缩,从而降低了插入力。并线性或多触点接触,降低了接触电阻。
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图8 一种高压矩形叠片式连接器的叠片案例1

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图9 一种高压矩形叠片式连接器的叠片案例2

三、结论

总之,高压矩形连接器端子以其加工成本较低成为高压连接器端子的研究热点。内嵌簧片式矩形插孔高压连接器端子不仅要设计好接触可靠的内嵌簧片,还应考虑解决好电流的边缘效应问题,防止边缘电流过大,局部过热的发生。叠片式矩形连接器则要做好叠片的设计,在保证多触点接触的情况下能实现低插拔力,降低装配难度。


本文转载自《汽车电器》2021年1期《电动车高压矩形连接器端子的设计技术》

本公众号已获得《汽车电器》杂志社独家授权,准许转载。

作者简介:

天海集团汽车电器工程研究院

鹤壁汽车工程职业学院汽车零部件及其功能材料研究中心

赵平堂:博士,高级工程师,河南省高校学术技术带头人,主要研究方向为汽车电子电器及其功能材料。