概述電動汽車高壓連接器設計功能項

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審核 | Jimmy

電動汽車發展至今，各個模塊均已取得較大的技術突破，但截至目前我們國內尚未制定、發布高壓大電流連接器相關的設計規范。

本篇主要對歐標中關于高壓連接器的相應規范進行梳理，概述電動汽車高壓連接器的設計功能項。

高壓大電流連接器是電動汽車電力傳輸系統中的關鍵零部件，其主要功能項大致分電氣性能、機械性能和環境性能三類。

乘用車高壓連接器需保證至少15年(≥8000 h運行壽命+30000 h充電壽命)或至少30萬公里，同時考慮到客車的其他特定要求。

商業車高壓連接器需保證至少15年以上且不低于100萬公里，同時考慮到客戶指定的操作條件。

高壓連接器的設計必須確保在不進行任何維護、正常使用的情況下，保證車輛的整個生命周期。

另外，高壓連接器需滿足在預期的操作條件下(熱、冷、濕度、振動、與介質接觸、電流負載、電壓負載等)的運行可靠性，并在相應的空間中進行設計。

高壓連接器一般最大額定電壓為850V DC（額定電壓需保證海拔4000米以上），并保證滿足-40°C～140°C的工作溫度要求。

此外，高壓連接器所有零部件原材料的選擇，需滿足汽車行業報廢標準的相關要求。

注：隨著整車對大概率的功能需求，最大額定電壓或將繼續提升。

1.1 額定電壓

額定電壓即高壓連接器能夠長時間正常工作時的電壓。額定電壓是高壓連接器最核心的功能項之一，它與額定載流決定了高壓連接器的動力傳輸能力，同時也決定了產品的絕緣防護級別。

注：額定電壓是絕緣材料電極化的主要因素之一。

1.2?沖擊電壓

通常根據產品工況的最大額定電壓，以及過電壓類別作為其瞬態沖擊電壓值的依據。

1.3?絕緣防護

絕緣防護的作用是防止不等電位的帶電元器件的短路造成對物、人的傷害。

在產品設計中，一般綜合產品使用工況以及產品絕緣材料的選型后，最終歸結為爬電距離和電氣間隙的取值來量化，所以爬電距離和電氣間隙是產品絕緣防護設計的兩個重要因素。

注：行業中通常會有人對平臺型、系列型產品，用過往經驗“拍腦袋”的方式將“爬電距離”、“電氣間隙”設為定值，其實是陷入了誤區。

1.4 爬電距離

爬電距離是兩個不等電位的導電元件之間沿絕緣表面的最短路徑。長期工作導體周圍的絕緣材料會被電極化，從而導致絕緣材料呈現帶電現象，所以爬電距離的設計尤為重要。

爬電距離的主要影響因素是額定電壓、污染等級、材料類別。

注：如果對爬電距離的定義不夠明確，可這樣理解：一只螞蟻沿著兩個不等電位元件之間絕緣材料的表面，所走的最短路徑。

1.5 電氣間隙

電氣間隙是指兩個不等電位導電元件間的最短空間路徑。電氣間隙和絕緣材料的電極化現象無關，主要為規避沖擊電壓所引起的電擊穿現象。

電氣間隙的主要影響因素是沖擊電壓、電場類型、污染等級、材料類別、海拔氣壓等。

注：如果對電氣間隙的定義不夠明確，可這樣理解：一只帶有翅膀的飛蟲在兩個不等電位元件之間所飛行的最短路徑。

1.6?額定載流

額定載流即高壓連接器長期正常工作時所傳輸的電流值。額定載流是高壓連接器最核心的功能項之一，它與額定電壓決定了高壓連接器的動力傳輸能力，同時也決定了產品熱失效的風險級別。

注：通常情況下，電力元件自身均有電阻，額定載流工況下會把一部分電能轉換為熱能，其熱能轉換功率與額定載流呈現2次方關系。

1.7 接觸電阻

高壓連接器的接觸電阻通常由其內部導電端子的壓接電阻、端子體電阻、針孔接觸區域的收縮電阻等幾部分組成。

注：額定載流工況下電能向熱能的轉換功率與接觸電阻呈正比例關系。

1.8 電磁屏蔽

為避免高壓連接器內部的高壓大電流產生的電磁場干擾信號傳輸的穩定、準確性，通常需要對高壓連接器執行電磁屏蔽設計。

注：高壓連接器的電磁屏蔽功能要旨在于：不去傷害他人（信號傳輸系統）。

1.9 高壓互鎖

高壓互鎖簡稱HVIL，即Hazardous Voltage Interlock Loop的簡稱。

高壓互鎖是指，用低壓信號監視高壓回路完整性、連續性的一種安全設計方法。

此外，高壓互鎖功能集成在高連接器中，需確保當高壓接插件連接或斷開時，HVIL電路先斷后連，中間保持必要的時間差。

注：高壓互鎖與電連接接插件先后順序的時間差可根據具體情形確定，大體在150ms這個量級，目的在于規避系統反饋延遲，帶電拔脫時的瞬間高壓對產品或操作者造成傷害。

2.1 接口及框架尺寸

供需雙方需明確接口尺寸，且高壓連接器的設計必須使各相不能以任何方式彼此混淆（比如增加機械防錯、顏色標識、鍵位標識等特征的設計）。此外需明確電纜的出線方式等其他產品信息。

2.2 機械壽命

在車載大三電、小三電模塊的電力傳輸系統中，高壓連接器的機械壽命要求不高，通常為50～100次，

注：在充電接口的應用上，歐美標以及國標均要求產品具備10000次機械壽命，這對高壓連接器、尤其對導電端子的綜合性能具備比較高的挑戰性。

2.3 插拔力

高壓連接器的產品插拔力通常要求不得超過100N，如超出100N則有必要增加適當的輔助裝置，如滑梯或杠桿機構等。

其中導電端子的插拔力是產品插拔力的主要組成部分，低插拔力的導電端子有助于實現連接器產品更便捷、可行的插拔操作。

注：眾所周知接觸電阻隨正向力加大而降低，在具備較低接觸電阻的同時具備較低的正向力、插拔力。是對導電端子比較大的挑戰。

2.4 保持力

高壓連接的對配保持力，以及塑膠件對導電端子的保持力都是重要的考量因素。行業上較多的高壓連接器卡扣保持力缺乏量化、卡扣存在扭矩等缺陷，具備較大的優化空間。

2.5 二級鎖扣

高壓連接器需具備二級鎖緊機構，二級鎖緊機構需要一定的啟動力（通常要求不大于40N），主要目的是讓高壓連接器不會因運輸、搬運等外力因素而意外開啟。

2.6 防錯及標識

如上文“接口及框架尺寸”中所述，高壓連接器需具備機械防錯功能，即滿足插頭、插座錯插一定力值（防錯力＞3倍的插入力，通常至少80N），而端子不會受到任何形式的損壞。

除此之外，通常還需具備顏色標識、鍵位標識等的防錯設計。

注：通常高壓連接器采用橙色進行標識，比如色卡號類似RAL2003。

2.7 振動、沖擊性能

高壓連接器的設計必須滿足一定的機械負載。一般情況下，需滿足振動等級3。

2.8 壓接強度

高壓連接器端子與線纜需滿足一定壓接強度，以長期保持在溫度循環工況下穩定的壓接電阻，同時規避微端線纜的振動、擺動等慣性力造成壓接脫離。

3.1 觸摸防護

在高壓連接器未對配狀態及對配狀態，需滿足IPXXB、IPXXD的防護要求，以避免操作者誤觸帶電體而受到損傷（有興趣的可詳查相關資料）。

3.2 密封防護

高壓連接器在對配狀態，通常需滿足IP6K9K、IPX7等級的密封要求（充電接口在單體或對配狀態，通常要求滿足IP54/IP55密封等級的要求）。

3.3 耐鹽霧

高壓連接器在對配狀態，通常需滿足IEC_60068-2-52或GB/T 2423.18中交變鹽霧試驗、嚴酷等3的腐蝕要求。

綜上：

1.高壓連接器的電力傳輸功率取決于高壓連接器所能承載的額定電壓、導電端子的額定載流。

2.電路中高壓風險的規避能力取決于高壓連接器的絕緣防護設計。

3.熱失效風險的規避能力取決于導電端子長期、穩定地保持低電阻的能力。

4.高壓連接器的其他功能項的可靠性也至關重要，并具備一定的優化空間。

所以，高性能、高可靠性的高壓大電流連接器，與其結構件的優化設計、高性能的導電端子密不可分。

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