電動(dòng)車高壓矩形連接器端子的設(shè)計(jì)技術(shù)

趙平堂

（1.天海集團(tuán)汽車電器工程研究院，河南 鶴壁 458030；2.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院汽車零部件及其功能材料研究中心，河南 鶴壁 458030）

電動(dòng)化是汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。由于電動(dòng)汽車具有600V以上高壓及300A以上大電流系統(tǒng)，對高壓連接器的安全性、屏蔽性具有更高的要求。高壓連接器的接觸金屬件多為機(jī)加工的圓柱形，接觸孔內(nèi)嵌接觸冠簧形成電接觸［1］。該類產(chǎn)品雖然安全性和穩(wěn)定性能滿足要求，但機(jī)加工效率低，成本高，無法滿足自動(dòng)生產(chǎn)的需要。很多電動(dòng)車高壓連接器的研究者不斷探索高壓連接器的設(shè)計(jì)方案，期望能在保證高壓連接安全可靠性的前提下獲得高壓連接器加工簡單便于自動(dòng)化生產(chǎn)的的方案，我們課題組在這方面也做了大量研究工作。加工簡便、可自動(dòng)化沖壓成型矩形高壓連接器設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸走上市場。

1 內(nèi)嵌簧片式矩形插孔高壓連接器

高壓類矩形連接器包括矩形插孔和呈矩形的簧片 （圖1）［2］。矩形插孔由銅合金板材沖壓成型，加工簡單便于自動(dòng)化生產(chǎn)，從而降低成本。結(jié)構(gòu)上一般設(shè)定為插孔端子的插孔頭部有兩個(gè)垂直的開口側(cè)，可適應(yīng)簧片90°或180°方向的裝配，從而可實(shí)現(xiàn)插針插片兩個(gè)方向的插拔。

圖1 內(nèi)嵌簧片式矩形插孔高壓連接器

目前研究人員主要集中在研究內(nèi)嵌的矩形簧片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以期望提高其電接觸性能和降低其插入力。于增亮等設(shè)計(jì)了一種具有高接觸面積的端子彈簧彈性機(jī)構(gòu) （圖2）［3］，該彈性機(jī)構(gòu)包括多個(gè)沿橫向平行設(shè)置在端子彈簧本體上表面及下表面上的接觸彈性臂、接觸懸彈臂，并且所述的接觸彈性臂與接觸懸彈臂沿縱向兩兩相互交錯(cuò)布設(shè)在端子彈簧本體上。在工作狀態(tài)下，接觸彈性臂與接觸懸彈臂的背面與裝配母端接觸連接，并且所述的接觸彈性臂與接觸懸彈臂的正面與裝配公端接觸連接。該設(shè)計(jì)采用接觸彈性臂及接觸懸彈臂，兩者接觸點(diǎn)位置不同，能有效減小端子的插入力。

圖2 一種具有高接觸面積的端子彈簧彈性機(jī)構(gòu)

金夢醒等設(shè)計(jì)的簧片可沖壓成型（圖3）［4］，設(shè)有鉚扣與插孔中鉚合孔相配合。簧片基體上有多個(gè)接觸對，接觸對包含接觸點(diǎn)及彈性段，二者設(shè)計(jì)有“V”型成型角，以接觸點(diǎn)為“V”型頂點(diǎn)，彈性段分布在“V”型兩側(cè)，呈波峰形狀，同時(shí)多個(gè)接觸對之間設(shè)計(jì)有接觸對間隙，從而可分散插針插片在插入時(shí)的力，保持合適的插合力，且簧片接觸點(diǎn)兩側(cè)的彈性段，在插針插片插入時(shí)，可降低簧片的垂直受力，從而增加接觸點(diǎn)接觸力；在插針插片插入時(shí)，彈性段徑向受力后可與插孔頭部的安裝板接觸，增加簧片基體與安裝板的接觸面積，縮短電流傳輸距離，能有效降低溫升值和接觸電阻值。

圖3 簧片的結(jié)構(gòu)示意圖

天海夏友卿等設(shè)計(jì)的簧片 （圖4） 包括兩組對稱設(shè)置的結(jié)構(gòu)面［5］。結(jié)構(gòu)面的兩端分別設(shè)置有前端帶和后端帶，每組結(jié)構(gòu)面的前端帶和后端帶之間設(shè)有若干個(gè)彈片組和簡支梁，采用彈片和簡支梁，并將兩者交互使用，實(shí)現(xiàn)兩者的接觸點(diǎn)位置不同，可有效減小端子的插入力；且彈片為前后2個(gè)一組，并設(shè)置2組結(jié)構(gòu)面對稱分布，使得接觸點(diǎn)數(shù)量是普通簧片的4倍，大大增加了有效接觸面積，從而降低了接觸電阻，增大了載流的能力。

矩形插孔高壓連接器雖然加工簡單，成本低，但矩形的插片和插孔電流分布不均勻，存在電流分布的邊緣效應(yīng)，即在邊沿處電流成倍增加，容易引起局部電流過高導(dǎo)致的發(fā)熱問題。為解決高壓矩形連接器的電流邊緣效應(yīng)問題，筆者設(shè)計(jì)了一種消除電流邊緣效應(yīng)的高壓矩形連接器 （圖5，專利已申請受理202010652522.5），通過啞鈴形的接觸頭及接觸腔形成電接觸，弧形的兩側(cè)電接觸電流分布均勻，消除了矩形連接器的邊緣效應(yīng)；通過彈簧形成線接觸，降低了接觸電阻。

圖4 一種大電流片式簧片

圖5 一種消除電流邊緣效應(yīng)的高壓矩形連接器

2 疊片式矩形連接器

疊片式矩形連接器的插座包括多個(gè)并列的單片，通過調(diào)整疊加的單片彈叉的數(shù)量來配置不同電流，以滿足整車系統(tǒng)的不同電流使用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)模塊化配置，方便后期物料的統(tǒng)一；單片上設(shè)置至少一個(gè)插槽 （圖6）［6］。該設(shè)計(jì)通過將傳統(tǒng)的圓端端子變?yōu)閴憾硕俗樱沟貌遄膬?nèi)部結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，便于使用模塊化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)省其內(nèi)部空間，從而縮小產(chǎn)品體積，進(jìn)而增加整體的實(shí)用性及便利性。

圖6 疊片式矩形連接器

金夢醒等設(shè)計(jì)的錯(cuò)位疊加式彈叉組件 （圖7）［7］每個(gè)單片彈叉均設(shè)有4處接觸點(diǎn)，多個(gè)單片彈叉并列排列后即形成線接觸，可保障接觸的可靠性；且本發(fā)明的錯(cuò)位疊加式彈片組件與公端端子、轉(zhuǎn)接端子的接觸端的接觸點(diǎn)為錯(cuò)位交疊，可有效避免長時(shí)間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生共振，具有抗振動(dòng)、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其彈叉觸點(diǎn)采用圓滑過渡的圓角設(shè)計(jì)，可有效提升對插時(shí)的柔和度，且其轉(zhuǎn)接端子可滿足不同角度的出線方式，滿足了新能源電動(dòng)汽車對不同整車空間布局緊湊的需求，具有可組合不同電流大小、插拔柔和、抗振動(dòng)強(qiáng)度高、可制造性高的優(yōu)點(diǎn)，且可適用于自動(dòng)化裝配，提高裝配效率。

為解決疊片組合一起后插入力較大、裝配困難的問題，我們開發(fā)一種接觸良好、插拔力低的高壓矩形疊片式連接器的疊片 （專利已申請受理20201324522.4，圖8，圖9）。巧妙利用接觸臂上的圓孔形成了彈性接觸，插入時(shí)孔自動(dòng)收縮，從而降低了插入力。并線性或多觸點(diǎn)接觸，降低了接觸電阻。

圖7 錯(cuò)位疊加式彈叉組件

圖8 一種高壓矩形疊片式連接器的疊片案例1

3 結(jié)論

總之，高壓矩形連接器端子以其加工成本較低成為高壓連接器端子的研究熱點(diǎn)。內(nèi)嵌簧片式矩形插孔高壓連接器端子不僅要設(shè)計(jì)好接觸可靠的內(nèi)嵌簧片，還應(yīng)考慮解決好電流的邊緣效應(yīng)問題，防止邊緣電流過大，局部過熱的發(fā)生。疊片式矩形連接器則要做好疊片的設(shè)計(jì)，在保證多觸點(diǎn)接觸的情況下能實(shí)現(xiàn)低插拔力，降低裝配難度。

圖9 一種高壓矩形疊片式連接器的疊片案例2