Обзор высоковольтных разъемов
Высоковольтные разъёмы (HV) — это разновидность автомобильных разъёмов. Они обычно относятся к разъёмам с рабочим напряжением выше 60 В и предназначены в основном для передачи больших токов.
Высоковольтные разъёмы в основном используются в высоковольтных и сильноточных цепях электромобилей. Они используются вместе с проводами для передачи энергии аккумуляторной батареи по различным электрическим цепям к различным компонентам бортовой электросистемы, таким как аккумуляторные батареи, контроллеры двигателей и DC/DC-преобразователи. Высоковольтные компоненты, такие как преобразователи и зарядные устройства.
В настоящее время существуют три основные системы стандартов для высоковольтных разъёмов: стандарт LV, стандарт USCAR и японский стандарт. Из этих трёх разъёмов стандарт LV в настоящее время имеет наибольшее распространение на внутреннем рынке и наиболее полный набор технологических стандартов.
Схема процесса сборки высоковольтного разъема
Базовая конструкция высоковольтного разъема
Высоковольтные соединители в основном состоят из четырех основных конструкций, а именно: контакторов, изоляторов, пластиковых корпусов и аксессуаров.
(1) Контакты: основные части, которые обеспечивают электрические соединения, а именно: штыревые и гнездовые клеммы, язычки и т. д.;
(2) Изолятор: поддерживает контакты и обеспечивает изоляцию между контактами, то есть внутренняя пластиковая оболочка;
(3) Пластиковая оболочка: оболочка разъема обеспечивает выравнивание разъема и защищает весь разъем, то есть внешняя пластиковая оболочка;
(4) Аксессуары: включая структурные аксессуары и монтажные аксессуары, а именно позиционирующие штифты, направляющие штифты, соединительные кольца, уплотнительные кольца, вращающиеся рычаги, запирающие конструкции и т. д.
Разборный вид высоковольтного разъема
Классификация высоковольтных разъемов
Высоковольтные разъёмы можно различать по нескольким признакам. Наличие экранирующей функции, количество контактов и т. д. — всё это может быть использовано для классификации разъёма.
1.Есть ли экранирование или нет
Высоковольтные разъемы подразделяются на неэкранированные и экранированные в зависимости от того, выполняют ли они функцию экранирования.
Неэкранированные разъёмы имеют относительно простую конструкцию, не выполняют функцию экранирования и относительно недороги. Они используются в местах, где экранирование не требуется, например, в электроприборах с металлическими корпусами, например, в зарядных устройствах, внутренних частях аккумуляторных батарей и системах управления.
Примеры разъемов без экранирующего слоя и высоковольтной блокировки
Экранированные разъёмы имеют сложную конструкцию, предъявляют высокие требования к экранированию и относительно высокую стоимость. Они подходят для мест, где требуется экранирование, например, при подключении внешней части электроприборов к высоковольтным жгутам проводов.
Пример разъема с экраном и конструкцией HVIL
2. Количество вилок
Высоковольтные разъёмы подразделяются по количеству портов подключения (PIN). В настоящее время наиболее распространёнными являются разъёмы 1P, 2P и 3P.
Одноконтактный разъём имеет относительно простую конструкцию и низкую стоимость. Он отвечает требованиям экранирования и водонепроницаемости высоковольтных систем, но сборка несколько сложнее, а ремонтопригодность невысокая. Обычно используется в аккумуляторных батареях и двигателях.
Двух- и трёхконтактные разъёмы имеют сложную конструкцию и относительно высокую стоимость. Они отвечают требованиям экранирования и водонепроницаемости высоковольтных систем и отличаются хорошей ремонтопригодностью. Обычно используются для входов и выходов постоянного тока, например, в высоковольтных аккумуляторных батареях, на клеммах контроллеров, выходах постоянного тока зарядных устройств и т. д.
Пример высоковольтного разъема 1P/2P/3P
Общие требования к высоковольтным соединителям
Высоковольтные разъемы должны соответствовать требованиям SAE J1742 и иметь следующие технические требования:
Технические требования, указанные в SAE J1742
Конструктивные элементы высоковольтных разъемов
Требования к высоковольтным соединителям в высоковольтных системах включают, помимо прочего: способность работать при высоком напряжении и токе; необходимость обеспечения более высокого уровня защиты в различных условиях эксплуатации (например, при высоких температурах, вибрации, ударах, пыле- и водонепроницаемость и т. д.); простота установки; хорошие характеристики электромагнитного экранирования; максимально низкая стоимость и долговечность.
В соответствии с вышеперечисленными характеристиками и требованиями, которыми должны обладать высоковольтные разъемы, на начальном этапе проектирования высоковольтных разъемов необходимо учитывать следующие элементы конструкции и проводить целевую проверку проектирования и испытаний.
Сравнительный список конструктивных элементов, соответствующих эксплуатационных характеристик и проверочных испытаний высоковольтных разъемов
Анализ неисправностей и соответствующие меры по их устранению высоковольтных разъемов
Чтобы повысить надежность конструкции разъема, необходимо сначала проанализировать характер его отказа, чтобы можно было провести соответствующие превентивные проектные работы.
У разъемов обычно есть три основных вида неисправностей: плохой контакт, плохая изоляция и ненадежная фиксация.
(1) Для оценки плохого контакта можно использовать такие показатели, как статическое контактное сопротивление, динамическое контактное сопротивление, усилие разделения отдельных отверстий, точки соединения и вибростойкость компонентов;
(2) Для оценки плохой изоляции можно использовать данные по сопротивлению изоляции изолятора, скорости ухудшения состояния изолятора со временем, а также показатели размеров изолятора, контактов и других деталей;
(3) Для оценки надежности фиксированного и съемного типов можно провести испытания монтажного допуска, момента выносливости, силы удержания соединительного штифта, силы вставки соединительного штифта, силы удержания в условиях воздействия окружающей среды и других показателей клеммы и разъема.
Проведя анализ основных видов и форм отказов разъема, можно предпринять следующие меры для повышения надежности конструкции разъема:
(1) Выберите подходящий разъем.
Выбор соединителей должен учитывать не только тип и количество подключаемых цепей, но и способствовать компоновке оборудования. Например, круглые соединители менее подвержены влиянию климатических и механических факторов, чем прямоугольные, подвержены меньшему механическому износу и надёжно соединяются с концами проводов, поэтому по возможности следует выбирать круглые соединители.
(2) Чем больше контактов в разъёме, тем ниже надёжность системы. Поэтому, если позволяют пространство и вес, попробуйте выбрать разъём с меньшим количеством контактов.
(3) При выборе соединителя следует учитывать условия работы оборудования.
Это связано с тем, что общий ток нагрузки и максимальный рабочий ток разъёма часто определяются исходя из допустимого тепловыделения при работе в условиях максимальной температуры окружающей среды. Для снижения рабочей температуры разъёма необходимо учитывать условия его теплоотвода. Например, для подключения источника питания можно использовать контакты, расположенные дальше от центра разъёма, что обеспечивает более эффективный отвод тепла.
(4) Водонепроницаемость и устойчивость к коррозии.
При эксплуатации разъёма в среде с агрессивными газами и жидкостями, во избежание коррозии, следует предусмотреть возможность горизонтальной установки сбоку. При вертикальной установке необходимо исключить попадание жидкости в разъём по выводам. Рекомендуется использовать водонепроницаемые разъёмы.
Ключевые моменты в проектировании контактов высоковольтных разъемов
Технология контактных соединений в основном рассматривает площадь контакта и силу контакта, включая контактное соединение между клеммами и проводами, а также контактное соединение между клеммами.
Надежность контактов является важным фактором, определяющим надежность системы, а также важной частью всей сборки высоковольтного жгута проводов.. Из-за жестких условий эксплуатации некоторых клемм, проводов и разъемов соединения между клеммами и проводами, а также соединения между клеммами и клеммами подвержены различным неисправностям, таким как коррозия, старение и ослабление из-за вибрации.
Поскольку отказы электропроводки, вызванные повреждением, ослаблением, отсоединением и разрушением контактов, составляют более 50% отказов во всей электрической системе, при проектировании надежности высоковольтной электрической системы транспортного средства особое внимание следует уделить надежности конструкции контактов.
1. Контактное соединение клеммы и провода
Соединение клемм с проводами осуществляется посредством опрессовки или ультразвуковой сварки. В настоящее время в высоковольтных жгутах проводов широко используются опрессовка и ультразвуковая сварка, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
(1) Процесс опрессовки
Принцип опрессовки заключается в физическом сжатии проводника в обжимаемую часть наконечника с помощью внешнего усилия. Высота, ширина, поперечное сечение и усилие сжатия наконечника являются основными характеристиками качества опрессовки наконечника, определяющими качество опрессовки.
Однако следует отметить, что микроструктура любой тонко обработанной твердой поверхности всегда шероховатая и неровная. После опрессовки клемм и проводов контакт происходит не по всей поверхности контакта, а лишь в отдельных точках, разбросанных по ней. Фактическая площадь контакта должна быть меньше теоретической, что также является причиной высокого контактного сопротивления процесса опрессовки.
На механический обжим значительное влияние оказывают такие факторы, как давление, высота обжима и т. д. Контроль производства должен осуществляться с помощью таких методов, как контроль высоты обжима и анализ профиля/металлографический анализ. Поэтому однородность обжима в процессе обжима средняя, а износ инструмента – высокий. Влияние воздействия велико, а надёжность средняя.
Технология механического обжима хорошо отработана и имеет широкий спектр практического применения. Это традиционный метод. Практически все крупные поставщики используют его для изготовления жгутов проводов.
Профили клемм и контактов проводов, изготовленные методом опрессовки
（2) Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка использует высокочастотные вибрационные волны для передачи их на поверхности двух свариваемых объектов. Под давлением поверхности двух объектов трутся друг о друга, образуя сплав между молекулярными слоями.
Ультразвуковая сварка использует ультразвуковой генератор для преобразования тока частотой 50/60 Гц в электрическую энергию частотой 15, 20, 30 или 40 кГц. Преобразованная высокочастотная электрическая энергия преобразуется преобразователем в механическое движение той же частоты, которое затем передаётся сварочной головке через систему рупорных устройств, изменяющих амплитуду. Сварочная головка передаёт полученную энергию колебаний на свариваемый участок. В этой зоне энергия колебаний посредством трения преобразуется в тепловую энергию, расплавляя металл.
С точки зрения производительности, процесс ультразвуковой сварки характеризуется малым контактным сопротивлением и низким нагревом от перегрузки по току в течение длительного времени; с точки зрения безопасности он надежен и не подвержен ослаблению и отпадению при длительной вибрации; его можно использовать для сварки между различными материалами; он подвержен влиянию поверхностного окисления или покрытия; качество сварки можно оценить, отслеживая соответствующие формы волн процесса опрессовки.
Хотя стоимость оборудования для процесса ультразвуковой сварки относительно высока, а свариваемые металлические детали не могут быть слишком толстыми (обычно ≤5 мм), ультразвуковая сварка представляет собой механический процесс, и в течение всего процесса сварки ток не протекает, поэтому нет проблем с теплопроводностью и удельным сопротивлением. Будущие тенденции сварки высоковольтных жгутов проводов заключаются в следующем.
Наконечники и проводники с ультразвуковой сваркой и их контактные сечения
Независимо от метода опрессовки или ультразвуковой сварки, после соединения клеммы с проводом усилие отрыва должно соответствовать требованиям стандарта. После соединения провода с разъёмом усилие отрыва не должно быть меньше минимально допустимого.
Время публикации: 06 декабря 2023 г.