基于有限元的高壓線束溫升特性仿真研究

韓見強　范利海　陳偉　谷慶

【摘? 要】為實現對高壓線束溫升特性的有限元分析，建立高壓線束溫升仿真等效模型并對相關仿真參數進行計算。分別在25℃和45℃工況下對高壓線束進行溫升特性仿真，并選取不同的測試點位與試驗結果進行對比驗證，誤差約為1.2℃，證明基于有限元方法分析高壓線束溫升特性的準確性和可行性。使用有限元分析法代替試驗法研究高壓線束的溫升特性，對加快高壓線束的開發和提升其安全性具有重要意義。

【關鍵詞】FloEFD；高壓線束；溫升；有限元；仿真

中圖分類號：U463.62? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）09-0036-04

Simulation Research on Temperature Rise Characteristics of High Voltage Harness Based on Finite Element

HAN Jianqiang，FAN Lihai，CHEN Wei，GU Qing

（AVIC Jonhon Optronic Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471003，China）

【Abstract】In order to analyze the temperature rise characteristics of high voltage harness by finite element method，the equivalent model of high voltage harness for temperature rise simulation was established and the relevant simulation parameters were calculated.By comparing the simulation results with the actual test results of different points of harness，the accuracy and feasibility of the temperature rise simulation of high voltage harness based on finite elementmethod are approved. The finite element method was used instead of the test method to study the temperature rise characteristics of high voltage harness，which has great significance for speeding up the development of high voltage harness and improving its safety.

【Key words】FloEFD；high voltage harness；temperature rise；finite element；simulation

作者簡介

韓見強（1983—），男，高級工程師，主要從事新能源汽車連接器及高壓線束的設計研究。

高壓線束是新能源汽車的重要組成部分，主要承擔功率傳輸和信號傳輸的任務，對新能源汽車電路系統的平穩運行至關重要[1]。當高壓線束通流時，會因連接器端子接觸電阻、端子導線壓接電阻以及導線金屬導體電阻等多種電阻的存在而產生熱量，從而使高壓線束快速升溫。高溫可能會導致連接器端子的燒蝕或絕緣材料的軟化，進而降低高壓線束的絕緣性能，導致電擊穿或引發短路等嚴重后果[2-3]。根據GB/T 37133規定，高壓連接系統工作時各點最大溫升不允許超過55K[4]。因此，在高壓線束方案設計階段，通過對高壓線束進行溫升特性仿真分析，并采取相應的優化措施來降低高壓線束的最大溫升，對于防止高壓線束因溫升過高而造成的損害有著重要的意義[5]。

1? 高壓線束溫升特性研究現狀

目前線束行業對高壓線束溫升特性的主要研究方法為試驗法，即通過溫升試驗來驗證高壓線束在溫升特性方面的設計是否合理有效[6]。通常，可靠的溫升試驗需要耗費時間和財力進行驗證，如試驗中發現問題，則需通過反復的溫升試驗來驗證優化方案，耗費時間較長，極易導致項目進度延緩。如果能有效運用有限元方法對高壓線束溫升特性進行仿真分析，并根據仿真結果優化設計方案，將有助于高壓線束溫升安全性能的提升，有利于加快項目的推進[7]。

因有限元分析法在高壓線束溫升特性仿真分析方面存在一定的困難性和復雜性，目前行業內使用有限元方法對高壓線束進行溫升特性仿真分析的研究較少。而其困難性和復雜性主要體現在等效仿真模型的建立和合理的仿真參數設置等方面。本文結合高壓線束實例，研究建立高壓線束等效仿真模型的要點及關鍵仿真參數的計算，并使用有限元方法對高壓線束進行溫升特性仿真分析，與試驗測試結果進行對比驗證。

2? 仿真模型建立與參數計算

本文以某車型壓縮機高壓線束為例進行溫升特性仿真分析，該線束兩端使用2個相同的高壓連接器（鍵位不同），兩端連接器之間使用2.5mm²屏蔽導線連接，如圖1所示。

2.1? 仿真等效模型的優化設計

為了能有效地對高壓線束進行溫升特性仿真分析，對仿真模型進行合理優化或者重新裝配是十分必要的。以導線線芯為例，通常使用一個直徑均勻的圓柱體數模進行表達。因此需要根據導線截面積，計算金屬線芯的等效圓柱直徑，并計算導線外護套的厚度，然后分別對金屬線芯和外護套進行建模裝配，導線外護套中間的屏蔽層可忽略不計。

因高壓線束溫升仿真需要進行通電流分析，因此仿真模型中連接器插頭和插座的數模需要參照實際狀態進行裝配模擬，特別需確保數模中連接器插頭和插座的接觸件可以實現對配接觸，如圖2所示。

高壓線束在參照實際接觸情況進行裝配時需注意以下幾點：①金屬線芯按實際接觸情況與端子壓接區進行裝配，確保端子壓接區與導線金屬線芯圓柱面的貼合；②將導線外護套裝配在導線金屬線芯之上；③導線外護套可模擬實際剝皮處理工藝，注意導線外護套圓柱面不要與端子壓接區貼合，否則會造成電流無法流通。

應當說明的是，對于波紋管、扎帶以及熱縮管等輔材，屬于非熱源零件，對于溫升仿真結果影響較小，且上述零件結構較為特殊，可能會對網格劃分品質產生不良影響[8]。因此，對高壓線束數模裝配時無需裝配上述輔材。裝配完成后的壓縮機高壓線束等效仿真模型如圖3所示。

2.2? 仿真分析設置

本文研究使用FloEFD有限元分析軟件對高壓線束進行仿真分析，FloEFD軟件是專門用于計算流體力學的仿真軟件。按其分析邏輯，仿真過程需進行向導、計算域、流體子域、材料、熱源、輻射表面、電氣條件、仿真目標及網格等設置。

2.2.1? 計算域設置

計算域是進行流體流動和換熱計算的區域，是一個可用于3D或者2D分析的長方形區域。根據經驗，一般在重力方向與重力反向的計算域尺寸共同設置為約4X，X為仿真模型在重力方向的尺寸；在左右方向的計算域尺寸設置為約1Y，Y為仿真模型在左右方向的尺寸；在前后方向的計算域尺寸設置為約1Z，Z為仿真模型在前后方向的尺寸[9]。

2.2.2? 熱源功耗計算

2.2.3? 端子體電阻求解方法

連接器端子均是金屬材質，在工作通流時，端子還會因自身為金屬材質而產生體電阻。為了提升高壓線束溫升仿真的精度，需要對連接器端子的體電阻大小進行求解。

使用FloEFD軟件，通過對高壓線束進行閉環通流，可以進行端子體電阻計算。如圖6中藍色端子所示，一端端子根部的電壓為15.108mV，另一端端子根部的電壓為18.525mV，因此可以計算出兩端端子根部的電壓差約為3.42mV。在電氣條件中設置的電流為20A，因此可計算出對配端子的體電阻之和約0.17mΩ。

2.3? 材料屬性設置（表3）

2.4? 網格劃分

在FloEFD中對模型進行劃分網格時，一般先對模型進行全局網格劃分，一般建議劃分的等級為4級或5級；然后可對仿真模型中結構較為復雜、特別或不規則的局部結構插入局部網格，進行網格細化，提升網格品質。由于本文仿真模型中，連接器的端子以及端子導線壓接處為產熱的關鍵結構，且上述結構為薄壁或狹長通道結構，使用全局網格基礎劃分，難以滿足上述結構處的網格品質需求。因此，需要對連接器端子和導線結構插入局部網格用以細化，從而提高網格的品質[11]。本文仿真模型共劃分網格共計190746個。

2.5? 仿真結果分析

在25℃環境下，電流為16A，對高壓線束進行穩態溫升仿真分析，如圖7所示，仿真結果顯示最大溫升為24.48℃。進一步對仿真模型進行剖面分析，如圖8所示，發現最大溫升點出現在連接器內部端子處。同樣在25℃環境下，電流為16A，以壓縮機高壓線束連接器端子處為測量點進行了溫升試驗，如圖9所示，試驗結果顯示最大溫升為23.3℃。仿真結果與試驗結果誤差為1.18℃，上述情況說明在連接器內部端子處仿真結果與試驗結果較為接近。

進一步在45℃環境下，電流為16A，對高壓線束進行穩態溫升仿真分析，研究連接器殼體表面溫升特性，如圖10所示，仿真結果顯示連接器殼體測量點溫升為7.5℃。同樣在45℃環境下，電流為16A，對連接器殼體同一測量點位進行了溫升試驗測試，如圖11所示，試驗結果顯示該點位的最大溫升為6.42℃。仿真結果與試驗結果誤差為1.08℃，上述情況說明在連接器殼體處仿真結果與試驗結果同樣較為接近。

3? 常態化溫升仿真系統建立

如需在線束開發階段引入對高壓線束的溫升仿真，連接器端子的接觸電阻和壓接電阻是必不可少的。通常端子的接觸電阻和壓接電阻需要通過試驗進行測量計算，如在每次仿真分析前進行端子接觸電阻和壓接電阻的測量十分費時費力，影響開發進度。為了建立常態化溫升仿真系統，可將常用型號連接器的接觸電阻以及端子與常用導線的壓接電阻進行測量并建立電阻數據庫，并將電阻數據庫導入有限元軟件中。后續在進行溫升仿真分析時，可直接進行調用，提升仿真效率，對于線束的開發和安全性能提升具有重要意義和應用價值。

4? 結論

1）通過仿真結果與試驗結果的對比分析，表明了使用有限元方法代替試驗法對高壓線束進行溫升特性仿真分析的可行性和較高的準確性。

2）為了有效降低高壓線束的溫升，需要特別注意對連接器端子處的接觸電阻和端子導線處的壓接電阻的優化，盡可能降低連接器端子的接觸電阻和壓接電阻。

3）在線束開發階段使用有限元分析法對高壓線束進行溫升仿真，可以縮短項目開發周期，降低項目開發費用，對于高壓線束項目的開發有著重要的意義。

參考文獻：

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（編輯? 楊凱麟）