電動汽車電池包低壓線束模組連接器選型分析

薛桂紅，張紅兵，王永超

（鶴壁天海環(huán)球電器有限公司研發(fā)部，河南 鶴壁 458030）

隨著國家節(jié)能減排，環(huán)保、綠色發(fā)展的號召，新能源純電動汽車迅猛發(fā)展。純電動汽車以電能為唯一能源，電池包作為純電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，是純電動汽車的動力源泉。電池包低壓模組線束是電池包內(nèi)部核心部件之一。通過線束連接器，采集各模組的電壓和溫度等信息傳遞給BMS，與整車進(jìn)行信息交互。電池模組連接器的性能可靠性決定著電池包正常工作的可靠性和安全性，進(jìn)而影響到電動汽車的穩(wěn)定性和安全性，所以線束和模組對接的連接器性能對電池包正常工作至關(guān)重要。因?yàn)殡姵匕＝M特殊的結(jié)構(gòu)和環(huán)境，模組連接器分為板端和線端，板端連接器作為內(nèi)部連接器與模組內(nèi)部電路板連接，而線束端連接器作為外部連接器，則要經(jīng)受線束生產(chǎn)制造和電池包裝配時(shí)的外力。線束端連接器的機(jī)械性能要求比板端連接器更高。在線對板的連接器選型或設(shè)計(jì)時(shí)易忽略兩種不同的情況，造成連接器選用或設(shè)計(jì)不合適，在使用和裝配時(shí)出現(xiàn)問題，帶來后期的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和成本增加。下面結(jié)合實(shí)際工作中的經(jīng)歷和遇到的困擾，分析探討電池包模組連接器的選型及設(shè)計(jì)。

1 案例1

某款SUV純電動汽車，模組供應(yīng)商在開發(fā)模組時(shí)選用了一套連接器 （板端和線端），板端連接器在使用時(shí)沒有問題。而與之匹配的線束端連接器，在線束裝配制造時(shí)出現(xiàn)端子彈舌變形折彎 （圖1），在后期線束與電池包模組裝配時(shí)出現(xiàn)端子退位現(xiàn)象 （圖2）。

圖1 線束端子彈舌變形

圖2 線束端子退位

線束制造商經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析對比，發(fā)現(xiàn)此連接器退針原因如下。

1）端子在護(hù)套中保持力不合格。此款SUV純電動汽車，模組通信線束比較長，在線束生產(chǎn)過程中，經(jīng)過預(yù)裝，工裝布線固定，膠帶纏繞，裝配波紋管等工序，端子和護(hù)套在導(dǎo)線等的拉動下受到拉應(yīng)力，端子彈舌發(fā)生變形，后期存在因折斷而脫出的風(fēng)險(xiǎn)；端子彈舌變形即使未退出，但已經(jīng)降低端子在護(hù)套中的保持力。在線束裝配到電池包的過程中，連接器再次受到裝配外力導(dǎo)致端子退位。實(shí)測將端子從護(hù)套中拉出的力在25～48N （多組數(shù)據(jù)）。汽車連接器規(guī)范USCAR-2性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)第6修訂版5.4.1.4條款，增加了0.50系列端子在護(hù)套中保持力最小值要求40N（Primary+Secondary Lock，車輛裝配要求），見圖3。

圖3 USCAR-2性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) （保持力）

2）護(hù)套無二次鎖止結(jié)構(gòu)TPA，無法滿足線束生產(chǎn)制造及車輛裝配所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

在線束和電池包裝配過程中，出現(xiàn)線束端子退位，造成接觸不良，電池包通信異常，出現(xiàn)電池包診斷故障，切斷電源，同時(shí)帶來大量的返修成本。

最終因多種因素，此款連接器使用了一段時(shí)間，線束供應(yīng)商為此改變線束正常裝配工藝，但是端子退位問題依然發(fā)生，多方都付出了較大代價(jià)。而且此款連接器因設(shè)計(jì)無法再改進(jìn)，連接器供應(yīng)商又新開發(fā)了一款連接器，經(jīng)過測試驗(yàn)證，最終更換了原模組連接器，且護(hù)套增加了二次鎖止結(jié)構(gòu)TPA，問題徹底解決。

這個(gè)案例可以看出，對于線束上連接器選型不合適，這對連接器在其它部位連接使用時(shí)可能不會出現(xiàn)問題 （裝配環(huán)境相對簡單，來自外部的拉應(yīng)力較小），在裝配環(huán)境相對復(fù)雜的線束上使用確實(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題；所以電池包模組連接器在選型或設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮板端和線端不同的裝配環(huán)境空間狹小的特點(diǎn)，選擇合適的連接器保證電池包模組通信功能正常可靠。

2 案例2

某款SUV純電動汽車，電池模組供應(yīng)商選用了一款低壓連接器，包括板端和線端。線束端連接器有二次鎖止結(jié)構(gòu)，但線束預(yù)裝配過程中，在端子回拉 （確認(rèn)是否裝到位）的過程中，發(fā)現(xiàn)端子有直接被拉出的現(xiàn)象，操作工判定護(hù)套一次鎖定失效，此護(hù)套有品質(zhì)問題。后經(jīng)測試數(shù)據(jù)分析，護(hù)套一次鎖對端子保持力不符合USCAR-2標(biāo)準(zhǔn)，使用過程中會造成TPO的風(fēng)險(xiǎn)。雖然護(hù)套二次鎖定后端子保持力滿足USCAR-2標(biāo)準(zhǔn)，但一次鎖保持力過小困擾著線束裝配工，生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)效率和品質(zhì)。后經(jīng)多方分析協(xié)調(diào)，連接器供應(yīng)商改善了護(hù)套一次鎖結(jié)構(gòu)，裝配問題得到改善。

從這個(gè)案例看出，對于模組連接器，線束端連接器由于裝配環(huán)境相對復(fù)雜，連接器一次鎖機(jī)械強(qiáng)度也是必須的，USCAR-2標(biāo)準(zhǔn)里將Primary Lock Retention單列出來，也是經(jīng)過了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證的。所以，連接器不能降低一次鎖機(jī)械強(qiáng)度，而僅靠二次鎖保持力來保證最終使用目的。端子二次鎖定保持力是保證整車裝配及使用，一次鎖機(jī)械強(qiáng)度是為了線束生產(chǎn)制造，試想下，如果線束制造過程不穩(wěn)定，最終裝配使用的安全系數(shù)可能也會降低。

從兩個(gè)案例側(cè)面也說明了電動汽車電池模組線束上使用的低壓連接器，屬于特定的使用結(jié)構(gòu)和環(huán)境，在實(shí)際整車使用時(shí)連接模組的低壓連接器所通電流很小，通常是mA級別，因此端子趨向于小型化，小型化連接器對于汽車的節(jié)能減排有非常重要的實(shí)用價(jià)值。0.50系列小型端子性能標(biāo)準(zhǔn)是在USCAR-2第6修訂版里新增加的。目前可能對它的應(yīng)用不很成熟。雖然在實(shí)際車輛使用時(shí)模組連接器所通電流很小，端子變小，但它的機(jī)械強(qiáng)度不應(yīng)降低，應(yīng)能適配復(fù)雜的線束及整車裝配環(huán)境。

3 總結(jié)

通過純電動汽車電池包內(nèi)模組連接器選型失效案例分析探討，在電池包模組連接器選型或設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮不同的裝配環(huán)境，選擇或設(shè)計(jì)相適配的接插件，為提高和保證電池包線束的可靠性，最好選用帶有二次鎖止結(jié)構(gòu)TPA的連接器，避免后期品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，少走彎路，降低成本。電池包作為電動汽車的核心部件，為整車提供電能存儲，模組連接器作為電池電壓、溫度等信號的傳輸載體，它的性能可靠對動力電池包正常工作起著關(guān)鍵性的作用。在純電動汽車，電池工作的正常可靠是純電動汽車行駛安全可靠的保證。為此電池模組連接器的開發(fā)或選型應(yīng)作為一個(gè)關(guān)鍵重要風(fēng)險(xiǎn)因素去評估，針對特定的使用結(jié)構(gòu)和環(huán)境 （比如內(nèi)部連接和外部連接），連接器均應(yīng)能在極端惡劣的車用環(huán)境下保持可靠性。

4 專業(yè)術(shù)語

1）BMS：Battery Management System 電池管理系統(tǒng)。

2）TPA：Terminal Position Assurance.端子位置保證。有時(shí)也稱Second Lock（二次自鎖），它是在端子插入護(hù)套后被安裝或者固定，以確保端子被正確地定位。它加固端子一次鎖止機(jī)械機(jī)構(gòu)或者提供獨(dú)立的端子鎖止力冗余。

3）TPO：TerminalPush Out.端子拉出或端子退位。