某型號大電流直流連接器的溫升仿真

朱鋒 余海洋 周慶平 徐明

摘要：應用于新能源汽車中的大電流直流連接器，其溫升性能直接影響汽車相關部件的性能及安全。本文通過產品仿真條件的分析，使用 ANSYS

WorkBench 中的熱—電耦合仿真對某型號大電流直流連接器的溫升進行仿真，為該產品設計階段的熱設計提供了依據。仿真驗證結果同樣可以作為試驗階段的參考，以便在產品后期設計階段提供改進方案。

關鍵詞：ANSYSWorkBench;大電流;直流連接器;熱-電耦合仿真;溫升

中圖分類號：TM503.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-047-02

Abstract：HighcurrentDCconnectorsusedinnewenergyvehicles，whichtemperatureperformancedirectlyaffecttheperformanceofrelatedcomponentsinve- hiclesandthesafetyofvehicles.Inthispaper，throughtheanalysisoftheproduct'ssimulationconditions，doaTemperatureRiseSimulationofaModelHigh CurrentDCConnector，usingthethermal-electricalcouplingsimulationmoduleofANSYSWorkbench，providesthebasisforthethermaldesignoftheproduct designstage.Thesimulationresultscanalsobeusedasareferenceforthetestphase，andprovideimprovementsatthelaterstagesoftheproductdesign.

Key Words：ANSYS Workbench; High Current; DC Connector; Thermal-Electric Coupling Simulation; Temperature Rise

1 引言

電連接器是電子設備、電氣系統中實現電流和電信號傳導的基本組件，其性能與功能的優劣對整個系統穩定工作影響較大[1]。這些年來新能 源汽車產業不斷擴大，其中純電動汽車的關注度和產量穩步上升，其電氣系統的額定電壓和額定電流也在不斷增大。這導致電氣系統中連接器的性能指標也在不斷上升，其中溫升不僅影響著電性能還影響著汽車的安全，已經發生過的一些汽車故障、事故中也有不少是溫升過高導致的。

隨著計算機技術及相關軟件的性能提升、各種材料性能參數指標的積累，在產品設計階段使用仿真軟件對產品的各項性能進行仿真已經成為常態。而且越來越多的仿真算例與實物試驗案例表明，仿真結果與實際 試驗結果相差不大，完全可以事先對產品的性能進行預估，從而指導產品的修改完善。

本文主要針對某型號大電流直流連接器進行溫升仿真驗證，使用了ANSYSWorkBench中的熱-電耦合仿真模塊（Thermal-Electric），重點關注了接觸電阻在仿真中的等效施加方法，并研究了插頭尾部外接導線長度對仿真結果的影響。

2 連接器溫升仿真

2.1 產品主要電熱參數

最大電壓 630VDC

最大電流 300A

最大溫升 40K

2.2 產品三維仿真模型的簡化

產品分為插頭插座兩部分，插座尾部是銅排，與電路系統通過螺栓連 接;插頭尾部外接導線，外接導線實際長度在 0.5m 以上，考慮到建模的方便，三維模型中插頭外接的導線長度為0.1m，插座的外接導線部分忽略。在產品三維模型的設計過程中，由于考慮了功能結構、產品標識、操

作舒適度等因素，三維模型中包含了大量的小尺寸倒角、圓角、凹槽等特 征。這些小尺寸特征對熱 - 電仿真精度和準確性影響很小，但在劃分網格過程中會產生大量的細小網格，造成電腦仿真資源的嚴重浪費，故在將三 維模型導入 ANSYS WorkBench 前，需要將這些細小特性去除。

圖 1 去除產品對仿真影響小的小特征后的產品三維圖

2.3 接觸電阻的等效模擬方法

在電連接器，尤其是大電流連接器中，微小的接觸電阻也會導致大量熱的產生。連接器觸頭位置產生的接觸電阻所產生的焦耳熱是引起接觸件溫度上升的一個主要因素，因而在仿真模型的建模和仿真的過程中，必 須考慮接觸電阻的影響。[2]

雖然有很多相關理論在研究接觸電阻的形成機制，但相關影響因素太多，表面質量、接觸壓力、接觸面積等都會直接影響接觸電阻的大小，計

算獲得的接觸電阻與實際電阻還是有一定的差距[3]。

在接觸電阻的等效模擬方面，大多采用的是體電阻模擬或面電阻模擬[4]。體電阻模擬是在兩接觸表面之間增加一個等效電阻體，見圖2，該電阻體的電阻率根據接觸電阻和其體積計算得到。面電阻則是在接觸表面上直接設置面電阻率，設置方式是進入Project》Model》Connections》Con-

tacts》ContactRegion，將Detailsof"ContactRegion"中的ElectricConductance選項設置為Manual，然后在ElectricConductanceValue的輸入框內輸入計算得到的面電阻率，見圖 3。

通過對體電阻模擬和面電阻模擬的分析，可以發現，這兩種方式較多使用在接觸表面規范且接觸面積容易計算的情況下。而且由于本產品模擬接觸電阻是為了仿真在接觸電阻存在時，產品的發熱情況，所以可以通過施加接觸電阻產生的等效熱流來模擬接觸電阻的效果。

熱流可以通過施加熱流密度（Heat Flux）[5-6]或熱流（Heat Flow）來實現，本產品的插孔內部采用的是具有雙曲線銅柵格結構的籠式帶簧，這種結構的接觸面積計算十分復雜。因此，故本文選擇通過在接觸表面上施加熱流（HeatFlow），而不是施加熱流密度（HeatFlux），來實現對接觸電阻的等效模擬。

圖 2 體電阻模擬示意圖

圖 3 面電阻率的設置

2.4 插頭尾部外接導線長度的影響

考慮到導線具有較強的散熱能力，可以先對導線在仿真條件下的發熱情況進行單獨仿真，如插頭尾部外接導線電熱仿真條件圖4，在導線一端施加 300A 電流，另一端施加 0V 電壓，導線外表面與環境的傳熱系數為

10W/m2·℃，環境溫度23℃。仿真結果如圖5，最高溫度為51.368℃，溫升為28.368K，遠低于要求的40K。

圖 4 插頭尾部外接導線電熱仿真條件 圖 5 插頭尾部外接導線電熱仿真結果

因此，導線長度對連接器的散熱影響不可忽略，為避免仿真中出現過高溫度后，對原三維模型修改外接導線長度，再導入 ANSYS WorkBench 進行仿真的情況，可以在將三維模型導入Thermal-Electric模塊后，在Ge-

ometry模塊內延長導線（30mm），并將延長導線部分的長度參數化，以便后期可以通過參數化仿真查看導線長度對溫升的影響。

圖 8 施加邊界條件示意圖

真。

圖 6 參數化延長導線后（最右側深色部分）的三維模型

2.5 仿真參數及條件設置

本次仿真選用 ANSYS WorkBench 的 Thermal-Electric 仿真模塊，由于仿真是穩態仿真，零部件材料需要設置的參數是熱導率和電阻，這些參數 可以通過進入Engineering Data 中使用Filter Engineering Data 篩選出來，以便根據實際使用的材料物性進行填寫。連接器中的銅材料直接選用 AN-

SYS 材料庫中的 Copper Alloy 即可;對于連接器的絕緣殼體和導線的絕緣層，通過查找相關材料物性表，將其熱導率設置為0.28W·m-1·℃-1，因為是絕緣材料，不需要設置電阻。

圖 9 仿真結果（導線總長 130mm） 圖 10 仿真結果剖面（導線總長 130mm） 仿真結果如圖，產品最高溫度為59.446℃（導線總長130mm），溫升為

59.446-23=36.446K，小于規定的40K，產品的溫升滿足要求。

為了研究插座外接導線長度與產品溫升的關系，將2.4中延長導線部分的長度和仿真結果中的最高溫度進行參數化，并計算導線總長和溫升，仿 真結果 時，延長

導線長 值。

圖 7 Thermal-Electric 仿真模塊

導入仿真模型后便可以準備對產品施加仿真條件，由于施加的是直

3 結論

圖 11 參數化仿真結果

流電，在連接器一端施加 300A 電流，另一端施加 0V 電壓即可完成電參數

的設置。對于連接器的熱仿真參數部分，考慮到連接器的使用環境為自然冷卻，設置連接器外表面與環境的傳熱系數為10W/m2·℃，連接器內表面

（無接觸部分）與環境的傳熱系數為5W/m2·℃，環境溫度設置為23℃。在參數設置過程中，由于需要設置傳熱系數的表面較多，可以在 Geometry 中對需要設置的面進行分組命名，以便在施加條件時調用方便。

由于產品的接觸電阻主要集中在主回路插針與插孔的插合部位，且 該處插針插孔易于制造，故通過測試實物，計算得到該處接觸電阻小于

0.02mΩ。根據功率計算公式，可以得出該處電阻消耗的功率小于 ，將

1.8 W 作為熱流施加在插孔簧片的內表面用以模擬實際的接觸電阻發熱量的影響。

本文對產品電熱仿真條件進行了分析，明確了采用施加等效熱流作

為模擬接觸電阻對產品溫升影響的方法，并分析了產品插座外接導線長度對產品溫升的影響。通過對仿真結果的分析，本產品的溫升不會超過要 求的溫升指標，產品熱設計滿足要求。

參考文獻：

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[J]. 機械設計與制造， 2013， 第 10 期： 42-44.

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