前幾天在新能源線(xiàn)束~Linker的微信群里，看大家對(duì)連接器的振動(dòng)非常感興趣，想再寫(xiě)點(diǎn)和振動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容，之前粗略寫(xiě)過(guò)一篇和連接器振動(dòng)相關(guān)的文章，主要是簡(jiǎn)單的說(shuō)了一些和測(cè)試相關(guān)的內(nèi)容，感興趣的朋友也可以去看看新能源汽車(chē)高壓連接器的振動(dòng)闡述，今天再寫(xiě)個(gè)姊妹篇

其實(shí)在車(chē)輛振動(dòng)下，連接器需要考量的因素非常多，如下我簡(jiǎn)單的列出了幾個(gè)，這個(gè)之前也列過(guò)；連接器雖然在整車(chē)的部件來(lái)看，算不了什么大部件，也算不了什么核心部件，但是?一臺(tái)車(chē)可能要400多個(gè)連接器，有超過(guò)3000個(gè)的單獨(dú)終端，而且根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，因?yàn)檫B接器退化及故障導(dǎo)致了30%~60%的電氣問(wèn)題，因此召回的案例也比比皆是，所以對(duì)于連接器，尤其在混動(dòng)和純電車(chē)輛下的高壓連接器的可靠性就及其重要，?相比靜態(tài)而言，車(chē)輛是移動(dòng)的，所以就要著重考察在車(chē)輛全壽命及振動(dòng)下的接觸的可靠性等性能，基于此，?這篇文章我想主要寫(xiě)寫(xiě)連接器在車(chē)輛振動(dòng)下的幾個(gè)比較重要也是大家（無(wú)論是生產(chǎn)廠家還是使用廠家）應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的，高壓互鎖瞬斷的問(wèn)題、接觸區(qū)域ECR變化以及微動(dòng)磨損的影響程度、連接器怎么降低以及吸收來(lái)車(chē)輛的振動(dòng)；

高壓互鎖瞬斷的問(wèn)題

按照高壓電對(duì)人的危害來(lái)看，一般超過(guò)60V DC/ 30 V AC就會(huì)對(duì)人造成傷害，就必須進(jìn)行電氣安全保護(hù)，而無(wú)論是在混動(dòng)還是純電汽車(chē)，較高的電壓系統(tǒng)帶來(lái)了潛在的高壓電擊危險(xiǎn)，一般電壓上升會(huì)造成人體抵抗電流的內(nèi)阻（阻抗）下降，會(huì)導(dǎo)致電流流入人體，嚴(yán)重的電流會(huì)造成傷害以及死亡，所以按照SAE J2344、ISO 6469和IEC 60664等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觸摸安全連接的設(shè)計(jì)要求，引入高壓互鎖（HVIL）電路來(lái)保證高壓連接斷開(kāi)的安全

整個(gè)回路中，如果有一點(diǎn)斷開(kāi)，BMS自動(dòng)會(huì)發(fā)送報(bào)警，所以HVIL連接設(shè)計(jì)的好壞非常重要，在實(shí)際的應(yīng)用中，這方面的出問(wèn)題的比例非常高，怎么保證在嚴(yán)格的車(chē)輛振動(dòng)情況下，HVIL接觸依然是良好的，這個(gè)需要在設(shè)計(jì)時(shí)注意；高壓連接器HVIL一般是由一個(gè)小的連接端子連接，一端采用短路設(shè)計(jì)，一端采用正負(fù)回路設(shè)計(jì)，連接器插合到位HVIL短路連接，未插合到位HVIL 開(kāi)路狀態(tài)，BMS通過(guò)檢測(cè)HVIL回路的連接器情況來(lái)判定高壓回路是否安全，是否需要整車(chē)下電，按照實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這個(gè)地方的接觸不良現(xiàn)象較多，主要問(wèn)題出在高壓互鎖端子的連接的可靠性，尤其需要滿(mǎn)足車(chē)輛振動(dòng)的嚴(yán)格要求；

高壓互鎖其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)端子，所以一般廠家設(shè)計(jì)其載流能力在5A以?xún)?nèi)，其功率很低，大多數(shù)廠家也都是沿用了傳統(tǒng)汽車(chē)低壓插件端子現(xiàn)成的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這個(gè)無(wú)可厚非，畢竟電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)車(chē)輛對(duì)插件的標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有太大的差異，但是在傳統(tǒng)車(chē)輛上，沒(méi)有什么高壓，沒(méi)有單獨(dú)的高壓互鎖概念，插件上也不用大小端子組合，插件的設(shè)計(jì)也充分考慮了端子的接觸可靠性設(shè)計(jì)；但是在高壓連接器里，它的設(shè)計(jì)重要性還是沒(méi)有被單獨(dú)對(duì)待進(jìn)行設(shè)計(jì)，高壓連接器一般功率更大，其工作時(shí)周邊的腔室溫度也較高，周邊區(qū)域的環(huán)境溫度也較高，這個(gè)與傳統(tǒng)插件相比，這個(gè)互鎖端子一樣的設(shè)計(jì)，但是其工作環(huán)境還是有差異的，這種長(zhǎng)期的工作環(huán)境會(huì)對(duì)基體材料的屈服老化變形產(chǎn)生重要的影響，使用壽命也會(huì)有所下降，尤其還要考慮高壓下的尖峰問(wèn)題（瞬間電源、瞬間電流）材料在長(zhǎng)期的溫度影響下，會(huì)發(fā)生老化變形，這種變形就會(huì)影響正壓力下降，在初期會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致接觸時(shí)好時(shí)壞等現(xiàn)象，這個(gè)矩形還是圓形端子關(guān)聯(lián)不大，最終都是保證足夠的正壓力和接觸力的；?

高壓連接器一般來(lái)說(shuō)最低也要滿(mǎn)足100次以上的插拔，對(duì)于power pin來(lái)說(shuō)這個(gè)很容易，但是對(duì)于尺寸較小，厚度較薄的互鎖端子來(lái)說(shuō)，就需要特別注意這100次在加速老化后的接觸表現(xiàn)，這個(gè)地方完全可以通過(guò)測(cè)試來(lái)體現(xiàn)出來(lái)，而且你除了考慮互鎖端子本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，你還必須考慮其腔體的尺寸在相關(guān)環(huán)境性能加速測(cè)試后的變化情況和溫度性；

上面啰嗦了好多廢話(huà)，總結(jié)一下，在85°環(huán)溫下做測(cè)試，看互鎖端子的材料變化情況，重點(diǎn)看其變形情況，最好在振動(dòng)、溫度、濕度同步的情況下測(cè)試，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證其屈服的臨界點(diǎn)在哪里（不要迷信材料理論數(shù)據(jù)）；另外需要關(guān)注其裝配尺寸鏈在加速老化后是否還能保證如初，變化情況是否在可控范圍內(nèi)；

接觸區(qū)域ECR變化以及微動(dòng)磨損的影響程度

高壓連接器的公母兩端能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)通，是通過(guò)公端子和母端子接觸，從端子的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的要矩形和圓形的，因篇幅關(guān)系，這個(gè)地方我們只以圓形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)闡述，同時(shí)我們的分析是基于公母端連接有彈性件的；我把我之前為企業(yè)培訓(xùn)寫(xiě)的資料摘抄了一部分，我覺(jué)得還是有必要做個(gè)簡(jiǎn)單是梳理，雖然之前的文章多少也寫(xiě)過(guò)；

端子的接觸簧片

其性能直接影響了載流的傳導(dǎo)的可靠性，振動(dòng)下我們也是重點(diǎn)關(guān)注其接觸電阻及微動(dòng)磨損的情況，端子簧片主要包含了三個(gè)重要的功能，傳輸電力或者信號(hào)、提供端子正向力來(lái)建立和維持可分離的端子接觸面、提供永久性端子接觸界面的連接點(diǎn)。中間的彈性接觸簧片的內(nèi)阻決定了連接器的壽命(性能不失效的情況下插撥次數(shù)) 和失效的發(fā)生，一般來(lái)說(shuō)有幾個(gè)比較重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)需要在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮，材料、成型結(jié)構(gòu)（幾何形狀）、電鍍因素、插拔次數(shù)和圓周正向力等；

彈性接觸的材料以銅或者銅合金居多，包括黃銅、磷銅、鈹銅、純銅、其它合金等，鈹青銅因?yàn)槠淞己玫膶?dǎo)電率和屈服性能被廣泛的運(yùn)用到端子接觸件設(shè)計(jì)種。

成型結(jié)構(gòu)一般包含劈槽式結(jié)構(gòu)、冠簧結(jié)構(gòu)、線(xiàn)簧結(jié)構(gòu)、雙曲線(xiàn)籠簧結(jié)構(gòu)等，目前雙曲線(xiàn)籠簧結(jié)構(gòu)其多次插拔后的穩(wěn)定性比較高，通常在需要多次插拔的高壓高流場(chǎng)景得到普遍應(yīng)用，比如電動(dòng)汽車(chē)充電口等，劈槽式結(jié)構(gòu)因?yàn)槠錈o(wú)法在插拔多次后保證良好的接觸電阻，我們不做過(guò)多闡述，我們可以簡(jiǎn)單來(lái)比較一下冠簧、線(xiàn)簧、雙曲線(xiàn)籠簧 三者之間的優(yōu)缺點(diǎn)；

冠簧是一種非常普遍的彈性接觸元件，我國(guó)在70年代初就已經(jīng)在批量用于航天、工業(yè)自動(dòng)控制、軌道交通等領(lǐng)域，按其形狀還可以分為內(nèi)冠簧和外冠簧，其經(jīng)過(guò)很多的發(fā)展，其成本較為便宜，簧片一般采用銅材帶料沖制而成，其結(jié)構(gòu)形狀有點(diǎn)像腰鼓，兩頭大中間小，中間腰的部分就是公端PIN針插入后接觸的部分；

一般把冠簧裝進(jìn)母針的內(nèi)孔中需要采用專(zhuān)門(mén)的收口工具（目前都是自動(dòng)化作業(yè)以保證精度）裝配后彈性材料回彈與內(nèi)套配合，電流從公端的PIN針流入簧片中間腰鼓的接觸區(qū)域（A）在中間區(qū)域流入簧片和內(nèi)套接觸區(qū)域（BC)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，冠簧這種腰鼓式結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性不是很高，尤其是在車(chē)輛中，在傳遞高壓高流又要兼具插拔時(shí)，車(chē)輛的不規(guī)則振動(dòng)會(huì)造成簧片中間區(qū)域和PIN針接觸不良，會(huì)造成微小的飛弧現(xiàn)象，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)加速表面鍍層磨損，會(huì)造成氧化，接觸電阻會(huì)變大；另外在如圖BC的區(qū)域其其接觸力較弱，我們通過(guò)仿真軟件分析發(fā)現(xiàn)電流流經(jīng)此處時(shí)溫升較高，冠簧是通過(guò)一種彈性材料變化收口裝配至內(nèi)槽中的，其有止位臺(tái)階（如果BC處），相當(dāng)于是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間在車(chē)輛的振動(dòng)環(huán)境下工作，容易造成材料屈服效應(yīng)，造成失效；

線(xiàn)簧孔結(jié)構(gòu)是大電流接線(xiàn)端子、接插件產(chǎn)品中高穩(wěn)定，高可靠的接觸元件，相比冠簧，其成本較高，一般只用于少部分場(chǎng)合，由數(shù)根金屬絲繞內(nèi)套，彎曲后，由兩外套，從前后兩端壓入并緊固位一體。由于金屬絲與內(nèi)套軸線(xiàn)斜交有一個(gè)角度，形成單頁(yè)雙曲面結(jié)構(gòu)，并形成一喉圓，其直徑小于兩端形成之孔徑。當(dāng)插針插入后，插針被各個(gè)金屬絲所包容，由于各個(gè)金屬絲都與插針接觸，并受到拉力，所以電連接接觸可靠，受力均勻 ；與冠簧的片式不同，線(xiàn)簧采用的是單根絲的傳導(dǎo)，而銅絲的數(shù)量排布越多，傳遞的性能越好，成本和制程難度也越大，其和冠簧在與內(nèi)套接觸不穩(wěn)定不同，其單根絲和PIN針之間的保持力是極具挑戰(zhàn)的；

對(duì)于以上2種接觸元件都存在一些問(wèn)題點(diǎn)，所以對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)大功率，高壓高電流的要求下，出現(xiàn)了雙曲線(xiàn)籠式的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，其是一種形狀結(jié)構(gòu)，接觸類(lèi)型可以是片式也可以是絲狀，一般片式的居多，其接觸面積及穩(wěn)定性也較高，比較出名的是A廠家的Radsok專(zhuān)利技術(shù)

雙曲面簧的設(shè)計(jì)是存在一定的難度的，雙曲線(xiàn)是圓錐曲線(xiàn)的一種，即圓錐面和平面的交截線(xiàn)，雙曲線(xiàn)有雙曲線(xiàn)的函數(shù)，如下圖一個(gè)焦點(diǎn)在X軸上，一個(gè)焦點(diǎn)在Y軸上，中心在原點(diǎn)，有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的推導(dǎo)方程式；

為什么要了解這個(gè)方程式呢？因?yàn)槿绻阆朐O(shè)計(jì)一個(gè)雙曲線(xiàn)的結(jié)構(gòu)籠簧，你就需要通過(guò)此公式和你的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模，通過(guò)模型帶入數(shù)值，形成雙曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終在3D上形成3D的雙曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，再用3D的鈑金功能進(jìn)行展開(kāi)，預(yù)留系數(shù)；在此不展開(kāi)詳細(xì)推導(dǎo)，感興趣的朋友可以自行推導(dǎo)和設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，無(wú)論是矩形的片式端子還是圓形結(jié)構(gòu)，端子的類(lèi)型比較多，上面簡(jiǎn)單的說(shuō)了幾種圓形的，除此之外，類(lèi)似劈槽結(jié)構(gòu)的端子應(yīng)用也比較多，比如如下是住友早期的AC充電口的端子，主要在容錯(cuò)角度的保證、加工工藝改善保證加工精度、以及產(chǎn)品在UL2251的10000次插拔后的穩(wěn)定性?等方面做了改善和分析；

再比如ODU的 TURNTAC系列也是一種類(lèi)似結(jié)構(gòu)，該系列的也被廣泛運(yùn)用在大功率場(chǎng)合，比如北美特斯拉北美的AC充電contact,再比如Huber Suhner的大功率液冷充電口等

總結(jié)：結(jié)構(gòu)類(lèi)型是要基于你的設(shè)計(jì)要求來(lái)的，目前國(guó)內(nèi)各家也都陸續(xù)有自己的專(zhuān)利，也在逐步打破早些年外資幾乎壟斷的局面；但是還是需要從產(chǎn)品的穩(wěn)定性上去提高；

在確定端子的幾何形狀后，我們一般需要計(jì)算和測(cè)試樣件的正向力，通過(guò)對(duì)材料的選擇改善正向力，通過(guò)改善正向力來(lái)優(yōu)化接觸電阻的性能，首先我得知道什么是正向力，正向力的作用是什么，正向力（Normal Force）主要來(lái)自于兩連接器插接時(shí)插座的端子梁因與插頭配合產(chǎn)生的位移，由該位移產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力就是端子正向力，又叫法向力，材料性能是決定端子正向力的基礎(chǔ)，假如把端子近似視為一懸臂梁（梁的一端為固定支座，另一端為自由端）根據(jù)懸臂梁理論，可得到端子的正向力計(jì)算公式?，其中D=梁位移量,E=材料彈性系數(shù),W=端子寬度,T=端子厚度,L=端子長(zhǎng)度，如果只是為了連接，其正向力可以很小的，但是如果為了保證接觸的機(jī)械穩(wěn)定性，那就需要平衡好正向力的大小了，正向力過(guò)大，直觀的感受就是插拔力過(guò)大，而且在插拔過(guò)程種，在早期就會(huì)快速破壞你電阻的表層，不利于連接器的長(zhǎng)期壽命，如果正向力過(guò)小，那接觸電阻會(huì)非常的大，發(fā)熱會(huì)比較嚴(yán)重，因?yàn)楦g物會(huì)進(jìn)入接觸面之間，通常來(lái)說(shuō)正向力我們希望在滿(mǎn)足性能的前提下越小越好，這個(gè)地方根據(jù)以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，我們需要注意的是正向力和接觸電阻不是反比例關(guān)系，很多人認(rèn)為是不是正向力越大，接觸電阻越小呢？通過(guò)以往的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們發(fā)現(xiàn)，在剛開(kāi)始的時(shí)候接觸電阻是下降很快的，但是后面插拔次數(shù)一定后，接觸電阻就會(huì)趨于穩(wěn)定，原因在于在該階段接觸件表面膜層不斷破壞，表面膜層的破壞會(huì)導(dǎo)致接觸電阻中的膜層電阻R會(huì)不斷下降，所以接觸電阻較低，但是在插拔一定次數(shù)以后，比如500次以后，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件表面鍍層乃至基體不斷磨損導(dǎo)致觸表面粗糙，觸點(diǎn)接觸面積下降，同時(shí)經(jīng)多次插拔后，簧片元件接觸圈的彈性下降，插拔過(guò)程中接觸正壓力下降，導(dǎo)致接觸電阻增大，我們需要注意的是在測(cè)試的時(shí)候需要考慮溫度變化對(duì)材料的正向力的影響，這是非常重要的一點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，正向力都是需要借助仿真軟件和不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)優(yōu)化得出的，對(duì)于設(shè)計(jì)人員需要對(duì)接觸電阻的構(gòu)成、正向力的計(jì)算有一定的了解；

上面說(shuō)了端子的結(jié)構(gòu)形狀等內(nèi)容，除此之外，鍍層也是影響ECR變化的重要因素，目前電動(dòng)汽車(chē)高于連接器的鍍層基本是鍍銀層居多，但是這個(gè)鍍層它不是一層，一般來(lái)說(shuō)?裸銅、鍍銅、鍍鎳、鍍銀；之前要朋友問(wèn)為什么不能鍍錫，其實(shí)早期的連接器也要鍍錫的，由于鍍錫連接器由于其柔軟性，成本低，ECR（Electrical contact resistance）相對(duì)較低，在傳統(tǒng)汽車(chē)插件上應(yīng)用比較廣泛，但是錫是不能耐高溫的，而且微觀層面，鍍錫層在振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損，在微動(dòng)腐蝕過(guò)程中，微動(dòng)磨損反復(fù)將新鮮金屬暴露在大氣中，導(dǎo)致接觸界面上的 氧化和碎片堆積。這不斷減少導(dǎo)電面積和電導(dǎo)率。因此，當(dāng)振動(dòng)被應(yīng)用于鍍錫連接器時(shí)，ECR將繼續(xù)名義上和逐漸地隨著時(shí)間的增加而增 加。但是與銀涂層的連接器可以使微動(dòng)腐蝕不那么顯著；

在大功率連接器里，微動(dòng)磨損的影響是沒(méi)有那么大的，當(dāng)然如果鍍銀層被反復(fù)的插拔或者其它因素導(dǎo)致磨損直至露出基體，那磨損影響程度會(huì)比較大，最直觀的就是其溫度會(huì)很快上升，ECR的數(shù)值也會(huì)很大；?在小電流連接器里結(jié)果是完全不一樣的；

連接器怎么降低以及吸收來(lái)車(chē)輛的振動(dòng)

高壓連接器在振動(dòng)下，受影響的層面很多，上面我們聊了高壓互鎖在振動(dòng)下的問(wèn)題，以及端子的接觸電阻和磨損腐蝕，下面我們聊聊連接器尾部出現(xiàn)線(xiàn)區(qū)域的影響；

電纜截面積越大，通過(guò)電纜長(zhǎng)期施加給連接器的應(yīng)力就會(huì)越大，這個(gè)應(yīng)力會(huì)對(duì)尾部的防護(hù)可靠性以及尾部的壓接區(qū)域的接觸電阻造成比較直觀的影響，一般來(lái)說(shuō)為了降低和消除這個(gè)應(yīng)力的影響，會(huì)通過(guò)2個(gè)層面來(lái)改善，我在這個(gè)地方增加了一個(gè)思考層面，就是3個(gè)層面：

連接器尾部出線(xiàn)固定

連接器固線(xiàn)器設(shè)計(jì)與運(yùn)用

帶吸收振動(dòng)的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器尾部出線(xiàn)固定

這個(gè)出線(xiàn)固定方式很多，一般在商用車(chē)上會(huì)比較直觀，可以通過(guò)夾板等方式，基本上是在尾部出線(xiàn)110~150之間進(jìn)行固定，這個(gè)固定位置是比較有意思的，標(biāo)準(zhǔn)上我并未看見(jiàn)要明確的在布線(xiàn)上的要求距離，只在振動(dòng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上有所要求，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的線(xiàn)徑規(guī)格，以及不同的安裝部位，其傳導(dǎo)應(yīng)力會(huì)要所差異，其固定的位置也會(huì)有略微差異；如果要研究產(chǎn)品更微觀的東西，感興趣的廠家可以在這個(gè)地方不斷的去仿真分析和試驗(yàn)來(lái)獲取一些經(jīng)驗(yàn)值

連接器固線(xiàn)器設(shè)計(jì)與運(yùn)用

這是從連接器層面去考量怎么最大程度提高連接器抗振性，有些做法是增加連接器尾部尾夾延伸距離，還有的企業(yè)是在尾部增加單獨(dú)的固線(xiàn)器，有對(duì)卡式的，也有螺釘固定式的，其實(shí)這種方式在工業(yè)以及軌交行業(yè)里設(shè)計(jì)很常見(jiàn)，也是變相的增加了一個(gè)固定點(diǎn)，不斷的降低振動(dòng)的傳遞力，比如如下是Aptiv的一個(gè)專(zhuān)利固線(xiàn)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

帶吸收振動(dòng)的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前幾天在群里，比亞迪的同事說(shuō)，在未來(lái)連接器應(yīng)該承擔(dān)更多的振動(dòng)帶來(lái)的力，這個(gè)思路我也比較認(rèn)同，我覺(jué)得連接器在尾部的結(jié)構(gòu)，后面可以在考慮最大程度的設(shè)計(jì)一種同時(shí)可以防護(hù)，同時(shí)又可以吸收振動(dòng)的彈性結(jié)構(gòu)，根據(jù)我在各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)看到的問(wèn)題，這個(gè)地方是一個(gè)非常值得深入去改善的地方，也非常希望看見(jiàn)國(guó)內(nèi)同行能有好的設(shè)計(jì)出現(xiàn)；

編輯：黃飛

?