连接器结构电流热多场耦合仿真解决方案——以高压电气连接系统为例

导读：对于新能源汽车，在实际应用中，有一个重要的电气单元——高压电气连接系统。系统最重要的性能是载流性能，而如何评估产品的载流能力，采用的主要是通额定电流下的温升评估。5月30日20时，在仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第四期，笔者受邀做《连接器产品结构/电流/热多场耦合仿真解决方案》线上报告，感兴趣的朋友可报名。

一、温升-载流能力评估方式

在高电流情况下，整个连接器会因通电而产生的热量引起整个连接器系统温度上升，温度的上升显著影响连接器的工作性能。对于大电流连接器，其温度上升效应是必须要考虑的关键性能。

在实际的运用过程中，热量密度来自于公母连接器及通电线缆的部分。其中热量密度最高的部位有两个：

• 其一，接触对的接触点；

• 其二，端子与线缆的压接点。

对实际设计复杂的高电流连接器而言，采用简单的公式根本无法得出精确值。原因如下：其一，因为空气的对流散热对于实际的温升度数有至关重要的作用,且传热的面积因形状复杂不能精确确定；其二，发热的关键点，接触对的接触点电阻及压接点电阻都需要足够的计算能力与实际经验才能得到合理精确值。

采用CAE仿真工具，我们可以假定大电流连接器是由不同材料组成的一个整体，在传热过程中，端子部份自身通过电流生热，在对应的接触点部分施加接触点电阻，在压接部分施加对应的压接点电阻，并通过热传导方式将热传给其他部分（如线缆与圆形PIN针等），同时，裸 露在外的所有部份都与空气进行对流传热的方式来达到散热的目的。

如此，可以得出较精确的温升分析结果。

连接器工作时，通过的电流在接触点处产生热量，导致温度上升，此即为电子连接器的温升。大电流的连接器必须考虑温度上升效应，USCAR-2-2013 5.3.3中规定要求额定载流下，温升需要在55度以下，目前业界普遍采用50度以下做为标准。此测试用于确定连接器系统在室温下的最大载流能力，是高电流连接器的核心性能。

二、温升理论分析

温升是材料的主体电阻作用的结果。主体电阻由端子的形状及其材料阻抗决定。端子的温升取决于热产生过程中的热传递所造成的热能浪费。因此温升又可以说是依赖于端子材料的热传递能力，电流的大小和连接器的热量对流。

通电流的产生热能方程：

（1）

稳态热分析中能量平衡方程为：

（2）

式中：

• ─传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状函数。
• ─节点温度

• ─节点热流率向量，包含热生成

端子的力臂，阻抗生热效果及热传递系数对稳态温升的作用影响具体可见以下的粗略公式：

  （3）

式中： --温升 --电流   --臂长   --导电系数   --传热系数

--面积

温升的表达式为：

温升=最终温度-初始温度（4）

在外加条件固定情况下，导电系数与传热系数是唯一能作用于温升的材料属性。不过这个公式对于温升只是个保守的估计，因为它假设没有通过对流或辐射而产生的热量损失。

从公式(3)中很明显地看出，温升与产品的材料导电系数和传热系数成反比。为了降低温升，不仅要提升导电系数，还要提升材料的传热系数以便可以产生少的热量而传出多的热量，最终降低温度的上升量。

三、温升仿真案例

1、高压大电流连接器温升模型及材料

图1整体温升模型图

图2细部温升模型

此高压大电流连接器的产品接触对内簧片，材料为高性能铍铜1/2HT,其他载流导电部位皆为T2。各零件所采取的材料及其相关性质系数见表1。

2、高压大电流连接器的温升分析过程

此分析为电热耦合分析,采用电热耦合单元：Thermal Electric Brick 20Nodes Solid226（热电耦合20节点六面体实体226号单元）。

温升分析的CAE步骤如下：

• 第一步，建立高压大电流连接器公母端子对接模型；
• 第二步，建立温升测试中连接器两端对接的线缆模型；
• 第三步，通过CAE软件自带的粘接功能将温升模型合并为一体；
• 第四步，在连接器两端的线缆施加载荷：一端施加电流载荷（如200A，250A等），另一端电压定为0；
• 第五步，在接触对的簧片中施加对应的热生成率载荷；
• 第六步，在端子压接 部分的线缆体中施加对应的热生成率载荷；
• 第七步，在每个螺栓连接点施加对应的热生成率载荷；
• 第八步，施加环境温度25度；
• 第九步，对祼露在外的面施加自然对流系数；
• 第十步，计算载荷；

• 第十一步，提取温度、电阻及电流密度结果

根据实验验证，上升的温度一般会在0.8~1.5小时后稳定。由于热载荷是稳定的，故在此选用的是稳态分析（也曾用一种设定时间为5500秒即1.5小时的瞬态电热耦合分析，结果基本没有差别）。我们设定此连接器的整体初始温度为25oC，环境的温度也为25oC。在温度较高时，空气的自然对流系数为15~25 。施加好电流电压热生率载荷，进行稳态电热耦合分析。

3、高压大电流连接器的温升分析结果

载流为200A时，接触对的温升为65.684-30=35.684°，温升最高点发生在簧片内部，其次为圆形Pin针与簧片接触区域，再次为压接及簧片外部holder处。

图3 接触对簧片处温度云图               图4接触对电流密度分布图

载流为250A时，接触对的温升为85.742-30=55.742°，温升最高点发生在簧片内部，其次为Pin针与簧片接触区域，再次为压接及簧片外部holder处。

图5 接触对簧片处温度云图               图6整体产品的温度云图

载流为300A时，接触对的温升为：110.269-30=80.269°，载流为350A时，接触对的温升为：139.255-30=109.255 °。

图7 300A电流负载温度云图                  图8 350A电流负载温度云图

四、温升试验数据和仿真误差分析

实际的温升测试中数据见图9，测试数据与温升仿真分析数据对比见表2。

图9 200A高压大电流连接器-温升测试数据汇总

表2 高压大电流连接器-温度测试与仿真数据对比

在对此高压大电流连接器的温升分析过程中发现，得到的温升结果准确与否与各连接点的接触电阻相关性很大。因此我们需要提前测试压接点的接触点电阻、各螺栓连接点的接触电阻，如此才能准确分析出温升的结果。

此外，亦需要根据簧片扭转后的形状得出插拔力，再根据插拔力得出各个栅条簧片的正向力，再根据接触电阻计算方法得出接触对连接点的接触点电阻，最后汇总所有测试出的接触点电阻和计算出的接触点电阻，一对一模拟温升测试时的各种线缆连接和电流载荷施加，即可得出比较符合实际情况的温升仿真结果。据此仿真技术，可以在产品开发设计时，提前确定产品的温升性能和载流能力，对高电流连接器的开发具有莫大的意义。感兴趣的朋友可关注我在仿真秀官网原创的视频教程《机械电子产品综合性能评估综合仿真12讲》旨在掌握工业品结构/电流/热多场耦合仿真解决思路和方法，让你掌握ANSYS结构和多物理场分析能力。

五、技术总结

温升是确定大电流连接器载流能力的核心性能，根据理论计算加仿真人得出的核心端子接触点电阻，并实验测试出来的压接点及连接点的接触点电阻，施加对应的电流负载和散热系数，为大电流连接器关键性能确定提供了可靠的温升仿真方法，此方法意义重大。

总的来说，研究出的大电流连接器核心端子的各种有限元分析方法，使在产品设计之时就能分析出此设计的扭转加工角度、插入力、接触电阻、温升的关键性能成为现实，实现了在设计中将结构设计与机械电子性能综合分析结合起来，并以分析结果来指导设计进行修正改进，在工作中形成了一个系统的分析设计方法，改变了以往大电流连接器的设计盲目经验化，大大提高了大电流连接器的设计效率与设计可靠程度，减少了众多物力财力及时间的损失。

六、连接器产品技术公开课

在大电流连接器的核心性能有限元分析方法研究基本完成的情况下，未来可对大电流连接器进行参数化优化设计，开发出性能更优异的核心端子结构，大大提升大电流连接器的载流能力和可靠性。

5月30日20时，仿真秀主办《能源与工业装备仿真专题月》第四期将邀请本文作者，拥有21年CAE综合分析经验——仿真秀咨询服务专家杨晓木老师做《连接器产品结构/电流/热多场耦合仿真解决方案》线上报告，以下是直播安排：

能源与工业装备仿真（四）：连接器产品结构/电流/热多场耦合仿真解决方案-仿真秀直播

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