連接器結構電流熱多場耦合仿真解決方案——以高壓電氣連接系統(tǒng)為例

來源：?作者：線束世界?2024-06-05 11:14

導語：對于新能源汽車，在實際應用中，有一個重要的電氣單元——高壓電氣連接系統(tǒng)。系統(tǒng)最重要的性能是載流性能，而如何評估產(chǎn)品的載流能力，采用的主要是通額定電流下的溫升評估。

一、溫升-載流能力評估方式

在高電流情況下，整個連接器會因通電而產(chǎn)生的熱量引起整個連接器系統(tǒng)溫度上升，溫度的上升顯著影響連接器的工作性能。對于大電流連接器，其溫度上升效應是必須要考慮的關鍵性能。

在實際的運用過程中，熱量密度來自于公母連接器及通電線纜的部分。其中熱量密度最高的部位有兩個：

其一，接觸對的接觸點；
其二，端子與線纜的壓接點

對實際設計復雜的高電流連接器而言，采用簡單的公式根本無法得出精確值。原因如下：其一，因為空氣的對流散熱對于實際的溫升度數(shù)有至關重要的作用,且傳熱的面積因形狀復雜不能精確確定；其二，發(fā)熱的關鍵點，接觸對的接觸點電阻及壓接點電阻都需要足夠的計算能力與實際經(jīng)驗才能得到合理精確值。

采用CAE仿真工具，我們可以假定大電流連接器是由不同材料組成的一個整體，在傳熱過程中，端子部份自身通過電流生熱，在對應的接觸點部分施加接觸點電阻，在壓接部分施加對應的壓接點電阻，并通過熱傳導方式將熱傳給其他部分（如線纜與圓形PIN針等），同時，裸露在外的所有部份都與空氣進行對流傳熱的方式來達到散熱的目的。

如此，可以得出較精確的溫升分析結果。

連接器工作時，通過的電流在接觸點處產(chǎn)生熱量，導致溫度上升，此即為電子連接器的溫升。大電流的連接器必須考慮溫度上升效應，USCAR-2-2013 5.3.3中規(guī)定要求額定載流下，溫升需要在55度以下，目前業(yè)界普遍采用50度以下做為標準。此測試用于確定連接器系統(tǒng)在室溫下的最大載流能力，是高電流連接器的核心性能。

二、溫升理論分析

溫升是材料的主體電阻作用的結果。主體電阻由端子的形狀及其材料阻抗決定。端子的溫升取決于熱產(chǎn)生過程中的熱傳遞所造成的熱能浪費。因此溫升又可以說是依賴于端子材料的熱傳遞能力，電流的大小和連接器的熱量對流。

通電流的產(chǎn)生熱能方程：

（1）

穩(wěn)態(tài)熱分析中能量平衡方程為：

（2）

式中：

─傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀函數(shù)
─節(jié)點溫度
─節(jié)點熱流率向量，包含熱生成

端子的力臂，阻抗生熱效果及熱傳遞系數(shù)對穩(wěn)態(tài)溫升的作用影響具體可見以下的粗略公式：

??（3）

式中：

--溫升?

--電流?

--臂長?

--導電系數(shù)?

--傳熱系數(shù)?

--面積

溫升的表達式為：

溫升=最終溫度-初始溫度（4）

在外加條件固定情況下，導電系數(shù)與傳熱系數(shù)是唯一能作用于溫升的材料屬性。不過這個公式對于溫升只是個保守的估計，因為它假設沒有通過對流或輻射而產(chǎn)生的熱量損失。

從公式(3)中很明顯地看出，溫升與產(chǎn)品的材料導電系數(shù)和傳熱系數(shù)成反比。為了降低溫升，不僅要提升導電系數(shù)，還要提升材料的傳熱系數(shù)以便可以產(chǎn)生少的熱量而傳出多的熱量，最終降低溫度的上升量。

三、溫升仿真案例

1、高壓大電流連接器溫升模型及材料

圖1 整體溫升模型圖

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圖2 細部溫升模型

此高壓大電流連接器的產(chǎn)品接觸對內簧片，材料為高性能鈹銅1/2HT,其他載流導電部位皆為T2。各零件所采取的材料及其相關性質系數(shù)見表1。

表高壓大電流連接器--各部份零件的溫升分析材料系數(shù)

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2、高壓大電流連接器的溫升分析過程

此分析為電熱耦合分析,采用電熱耦合單元：Thermal Electric Brick 20Nodes Solid226（熱電耦合20節(jié)點六面體實體226號單元）。

溫升分析的CAE步驟如下：

第一步，建立高壓大電流連接器公母端子對接模型；
第二步，建立溫升測試中連接器兩端對接的線纜模型；
第三步，通過CAE軟件自帶的粘接功能將溫升模型合并為一體；
第四步，在連接器兩端的線纜施加載荷：一端施加電流載荷（如200A，250A等），另一端電壓定為0；
第五步，在接觸對的簧片中施加對應的熱生成率載荷；
第六步，在端子壓接部分的線纜體中施加對應的熱生成率載荷；
第七步，在每個螺栓連接點施加對應的熱生成率載荷；
第八步，施加環(huán)境溫度25度；
第九步，對祼露在外的面施加自然對流系數(shù)；
第十步，計算載荷；
第十一步，提取溫度、電阻及電流密度結果

根據(jù)實驗驗證，上升的溫度一般會在0.8~1.5小時后穩(wěn)定。由于熱載荷是穩(wěn)定的，故在此選用的是穩(wěn)態(tài)分析（也曾用一種設定時間為5500秒即1.5小時的瞬態(tài)電熱耦合分析，結果基本沒有差別）。我們設定此連接器的整體初始溫度為25oC，環(huán)境的溫度也為25oC。在溫度較高時，空氣的自然對流系數(shù)為15~25 。施加好電流電壓熱生率載荷，進行穩(wěn)態(tài)電熱耦合分析。

3、高壓大電流連接器的溫升分析結果

載流為200A時，接觸對的溫升為65.684-30=35.684°，溫升最高點發(fā)生在簧片內部，其次為圓形Pin針與簧片接觸區(qū)域，再次為壓接及簧片外部holder處。

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圖3 接觸對簧片處溫度云圖? ? ? ? ? ? ? ?圖4 接觸對電流密度分布圖

載流為250A時，接觸對的溫升為85.742-30=55.742°，溫升最高點發(fā)生在簧片內部，其次為Pin針與簧片接觸區(qū)域，再次為壓接及簧片外部holder處。

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圖5 接觸對簧片處溫度云圖? ? ? ? ??? ? ?圖6整體產(chǎn)品的溫度云圖

載流為300A時，接觸對的溫升為：110.269-30=80.269°，載流為350A時，接觸對的溫升為：139.255-30=109.255 °。

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圖7 300A電流負載溫度云圖? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖8 350A電流負載溫度云圖

四、溫升試驗數(shù)據(jù)和仿真誤差分析

實際的溫升測試中數(shù)據(jù)見圖9，測試數(shù)據(jù)與溫升仿真分析數(shù)據(jù)對比見表2。

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圖9 200A高壓大電流連接器-溫升測試數(shù)據(jù)匯總

表2 高壓大電流連接器-溫度測試與仿真數(shù)據(jù)對比

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在對此高壓大電流連接器的溫升分析過程中發(fā)現(xiàn)，得到的溫升結果準確與否與各連接點的接觸電阻相關性很大。因此我們需要提前測試壓接點的接觸點電阻、各螺栓連接點的接觸電阻，如此才能準確分析出溫升的結果。

此外，亦需要根據(jù)簧片扭轉后的形狀得出插拔力，再根據(jù)插拔力得出各個柵條簧片的正向力，再根據(jù)接觸電阻計算方法得出接觸對連接點的接觸點電阻，最后匯總所有測試出的接觸點電阻和計算出的接觸點電阻，一對一模擬溫升測試時的各種線纜連接和電流載荷施加，即可得出比較符合實際情況的溫升仿真結果。據(jù)此仿真技術，可以在產(chǎn)品開發(fā)設計時，提前確定產(chǎn)品的溫升性能和載流能力，對高電流連接器的開發(fā)具有莫大的意義。感興趣的朋友可關注我在仿真秀官網(wǎng)原創(chuàng)的視頻教程《機械電子產(chǎn)品綜合性能評估綜合仿真12講》旨在掌握工業(yè)品結構/電流/熱多場耦合仿真解決思路和方法，讓你掌握ANSYS結構和多物理場分析能力。

五、技術總結

溫升是確定大電流連接器載流能力的核心性能，根據(jù)理論計算加仿真人得出的核心端子接觸點電阻，并實驗測試出來的壓接點及連接點的接觸點電阻，施加對應的電流負載和散熱系數(shù)，為大電流連接器關鍵性能確定提供了可靠的溫升仿真方法，此方法意義重大。

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總的來說，研究出的大電流連接器核心端子的各種有限元分析方法，使在產(chǎn)品設計之時就能分析出此設計的扭轉加工角度、插入力、接觸電阻、溫升的關鍵性能成為現(xiàn)實，實現(xiàn)了在設計中將結構設計與機械電子性能綜合分析結合起來，并以分析結果來指導設計進行修正改進，在工作中形成了一個系統(tǒng)的分析設計方法，改變了以往大電流連接器的設計盲目經(jīng)驗化，大大提高了大電流連接器的設計效率與設計可靠程度，減少了眾多物力財力及時間的損失。

六、連接器產(chǎn)品技術公開課

在大電流連接器的核心性能有限元分析方法研究基本完成的情況下，未來可對大電流連接器進行參數(shù)化優(yōu)化設計，開發(fā)出性能更優(yōu)異的核心端子結構，大大提升大電流連接器的載流能力和可靠性。