新能源汽车高压连接器可靠性研究

刘昕伟　周美玲　陈剑美 张义伟　朱庆芹

摘 要：近几年，随着国家倡导绿色发展，新能源汽车产业发展迅速，我国新能源汽车保有量的快速增长，新能源汽车安全问题愈发得到人们的重视。要保证汽车在任何环境和条件下都能正常运行，这对汽车所有零部件的质量和性能提出了更高的要求，新能源汽车高压连接系统中，往往都应用大量了高压连接器，每一辆新能源电动汽车上所使用电连接器数量将达到600～1500只，故连接器对整个新能源汽车的质量保证起着举足轻重的作用。连接器一旦失效，后果十分严重，汽车温度局部升高或发生燃烧事件，甚至出现交通意外。本文从新能源汽车用的高压连接器发展现状及趋势基础上，对高压连接器的失效分析和性能指标做了概述，为后续研究提供理论基础。

关键词：新能源汽车 高压连接器

1 高压连接器在新能源汽车系统中的应用

连接器是电子设备中不可缺少的元器件之一，起到传递电流或信号的作用。连接器形式和结构各不相同，可应用于不同的场所[1]。新能源汽车用高压连接器中接触件是其核心部件，通过插针护套和插孔护套间的接插、配合，可实现信号接通和导电的功能[2];绝缘体和外壳主要起固定、绝缘和机械保护作用。新能源汽车中，高压连接器遍布于整车、充电设施上。新能源汽车高压系统中高压连接器的电压等级比传统高压大电流连接器相更高，连接器使用工况更为复杂多变，对于维修和使用者来说人身危险系数大大增加，因此，对连接器的各方面性能提出了更高的要求;除此，高压连接器产品的绝缘、防护要求等也提出了更高的要求。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。

2 高压连接器发展过程

随着发展绿色交通系统和节能环保的提出，国家技术加快新能源汽车的推广和使用。国家的政策导向，决定了连接器的发展方向[3]。2008年左右，在当时的工业连接器基础上改进而出现了第1代高压连接器。第1代高压连接器产品以金属壳体为主，不具备高压互锁功能，而且防误插入效果一般。如全球TOP2的连接器制造商美国安费诺集团HV系列的金属连接器。第2代高压连接器在第1代高压连接器基础上增加了高压互锁功能，连接器的外壳材料由金属变为塑料。第3代高压连接器，即塑料+屏蔽功能+高压互锁的高压连接器。这类产品是通过操作顺序来实现部分二级解锁功能，如泰科电子/美国安费诺/苏州智绿及国内新一代产品。逐渐的出现了塑料+屏蔽功能+高压互锁+二级解锁的第4代高压连接器。如泰科电子/苏州智绿为代表的一系列产品，第4代高压连接器具备特殊的机械结构从而实现二级解锁功能，安全系数大大提高。相对第4代产品，未来一代高压连接器要解决的问题是如何通过冷却方式来有效提高传输能量密度，降低质量，提高产品综合性能[4]，如配合大功率充电带液冷、风冷的方式。

在节能与环保、低碳出行的大环境下，新能源汽车向轻量化及小型化转变，汽车的轻量化和小型化必然带动新能源连接器走向小型化和轻量化，例如引入更小尺寸的高性能铜合金导线做为信号传输线，设计高性能端子来降低小功率传输导线尺寸，将连接器中传输较大功率的大线径铜导线替换为铝导线使得端子和接触件系统向微型化发展[5]。

3 汽车高压连接器失效分析及性能检测

3.1 高压连接器失效分析

现场使用及实验数据表明，汽车高压连接器的失效模式和占比为：电接触失效，占45%，绝缘失效，占20%，机械联结失效，占17%，其他失效模式，占18%[6]。

汽车高压连接器可靠性的典型影响因素包括：生热（工作温度），改变接触状态，加速腐蚀，应力松弛;腐蚀，会导致接触电阻上升、连接失效;振动，会产生微动磨损，导致瞬断;摩擦磨损，会破坏防腐蚀镀层，改变机械配合状态等。使用故障树法对汽车高压连接器进行失效模式分析，汽车连接器的故障树如图1所示。

其中底事件为：1插孔应力松弛、弹性疲劳：2振动;3高温;4长期负载;5有害气体硫化或氧化;6潮湿;7电化学反应;8接触件相对运动;9焊线槽应力集中;10材料變形量大;11接触件不能自定中心;12绝缘板中混有金属颗粒;13金属多余物;14镀层金属离子迁移;15灰尘、污物粘附在安装板; 16电击穿;17头与座卡死无法解锁;18头与座不能连接;19安装板开裂;20可焊性差。

通过汽车连接器故障树分析连接器失效的原因和连接器故障所在，寻求最好的方式降低风险。建立故障树分析法具有效率高、机理清楚、问题定位准确的优点[7]。

3.2 连接器性能要求及检测

连接器是高压电气连接系统的关键环节，故设计环节和生产过程尤为重要，特别是高功率线路的连接线设计。为保障高压连接器的质量，在生产下线过程中，要对高压连接器做一系列的综合检测[8]。新能源汽车用高压连接器一般会包含但不限于以下几项进行测试。第一，电气性能方面，包括导通测试、接触电阻、绝缘耐压、温升、电流循环、防触指、爬电距离及电气间隙;第二，机械性能方面，包括压接抗张强度、跌落、振动、插拔力、保持力、防呆极化;第三，环境性能防护，包括等级盐雾、冷热冲击、热老化、化学试剂、热循环。

4 结论

高压连接器作为新能源汽车各连接系统的桥梁，其质量好坏、可靠性高低会直接影响新能源汽车整车安全。本文从新能源汽车用高压连接器的发展现状及趋势为基础，从连接器的失效分析、故障诊断和性能指标等几方面做了介绍。为产品失效研究和设计提供一定参考。

基金项目：沧州市科技局，新能源汽车高压连接器失效模式分析及可靠性设计（192103001）

基金项目：北京交通大学海滨学院，水声通信系统研究及实验平台设计（HBJY19019）

参考文献：

[1]卞如民.高压连接器生产中的问题及分析[J].机电元件，2020，40（04）：30-33.

[2]杜建东，王敏兴，朱赫.高温高压连接器研发综述[J].机电元件，2020，40（03）：52-55.

[3]蒋伟芳，何浩.QC/T 1067.1—2017标准解读[J].汽车零部件，2020（05）：91-94.

[4]佘翔，刘冬梅，何琰萍.新能源汽车高压互锁故障分析与排除[J].内燃机与配件，2020（07）：186-187.

[5]赵鹤鸣. 电动汽车高压屏蔽线缆与连接器的屏蔽效能研究[D].重庆理工大学，2020.

[6]周光荣，王娇娇，张亮，李晓，未倩倩，陈赫.电动汽车用高压连接器概述及测试验证[J].汽车电器，2020（03）：6-10.

[7]赵平堂.电动车高压连接器的内接触结构[J].汽车电器，2020（02）：11-12.

[8]孙彬.创新驱动发展，创新引领未来——访史陶比尔电连接器事业部高压开关行业经理王安谦先生[J].电气时代，2019（12）：22-24.