基于溫升試驗(yàn)的載流銅排與接觸器連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孔軍廷

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

0 前言

銅排因?qū)щ?、?dǎo)熱性能良好而被廣泛用于新能源汽車(chē)上，特別是高壓電控系統(tǒng)、動(dòng)力電池組、電機(jī)等部件內(nèi)部或之間的搭接。對(duì)于銅排連接，有電流流過(guò)時(shí)金屬內(nèi)阻和搭接接觸界面接觸電阻都會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，而過(guò)高的溫度容易致使接觸器、銅排和箱體內(nèi)部其他零件加速老化、損壞，如圖1所示。

圖1 某電動(dòng)汽車(chē)高壓直流接觸器過(guò)熱燒蝕現(xiàn)象

目前，研究銅排及其連接器的接觸電阻、溫度變化的方法有三種：第一種是基于傳熱學(xué)原理，建立熱路模型進(jìn)行熱路計(jì)算的解析算法；如北京郵電大學(xué)的王強(qiáng)[1]運(yùn)用熱分析理論知識(shí)對(duì)單個(gè)銅排進(jìn)行穩(wěn)態(tài)散熱和對(duì)流散熱系數(shù)的計(jì)算分析；申正寧[2]通過(guò)Greenwood-Willianmson接觸模型進(jìn)行了接觸電阻計(jì)算；該方法不足之處在于計(jì)算結(jié)果存在大量假設(shè)，準(zhǔn)確度不高，只能用于理論研究。第二種是根據(jù)研究對(duì)象實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料物性建立有限元分析模型模擬復(fù)雜運(yùn)行工況，將理論分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，運(yùn)用數(shù)值傳熱學(xué)進(jìn)行熱分析計(jì)算和溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值算法；王強(qiáng)[1]、申正寧[2]、薛衛(wèi)[3]等運(yùn)用Ansys軟件對(duì)銅排進(jìn)行仿真分析，研究了不同條件下銅排的散熱能力和溫升影響因素；有限元方法不足之處在于計(jì)算結(jié)果的精度取決于網(wǎng)格劃分精度，和計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力。第三種是模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)法操作簡(jiǎn)單、精度高、數(shù)據(jù)可靠；龔宇佳[4]用試驗(yàn)方法測(cè)試了不同搭接面積銅排試品在不同扭矩下的接觸電阻。吳楠等[5]從圓柱形銅排間不同扭矩與接觸面積關(guān)系的壓痕試驗(yàn)入手，研究了接觸面積與接觸電阻的關(guān)系。檀英輝[6]針對(duì)電容器組內(nèi)部軟銅排與匯流母排連接處發(fā)熱的原因，提出相應(yīng)的處理措施，并從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、檢修四個(gè)角度對(duì)連接處進(jìn)行改進(jìn)。

本文選用操作簡(jiǎn)單、精度高、數(shù)據(jù)可靠的試驗(yàn)法，以電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)載流銅排與高壓直流接觸器連接為研究對(duì)象，參照車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，搭建一種易于實(shí)現(xiàn)的載流銅排與高壓直流接觸器連接的溫升試驗(yàn)方法，通過(guò)設(shè)置銅排材質(zhì)變量和連接結(jié)構(gòu)幾何尺寸變量，探究銅排橫截面積、裝配孔結(jié)構(gòu)尺寸與溫升的關(guān)系，進(jìn)而從設(shè)計(jì)角度提出銅排或高壓直流接觸器連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，應(yīng)對(duì)接觸器燒蝕或變色現(xiàn)象。

2 溫升試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

實(shí)測(cè)某電動(dòng)汽車(chē)正常工作時(shí)配電箱內(nèi)的環(huán)境溫度在50～70 ℃之間，故將銅排與高壓直流接觸器連接整體放置在60 ℃的半封閉式恒溫箱內(nèi)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程無(wú)陽(yáng)光直射和其他影響環(huán)境的熱源。

2.2 銅排選擇與連接

電動(dòng)汽車(chē)配電箱或電池組內(nèi)銅排大量使用，本文試驗(yàn)選用銅排選自整車(chē)銅排部件供貨商，溫升試驗(yàn)中銅排材質(zhì)與規(guī)格型號(hào)按照表1選取。

表1 不同規(guī)格型號(hào)的銅排設(shè)置

結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)配電箱內(nèi)銅排與接觸器連接的實(shí)際情況，將接觸器分別與不同方案的銅排連接一起，進(jìn)行絕緣處理后置于恒溫箱內(nèi)。依據(jù)某高壓直流接觸器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，采用設(shè)置規(guī)定扭緊力矩的扭力扳手對(duì)連接螺栓進(jìn)行緊固，如圖2所示。

圖2 接觸器與銅排螺栓連接

2.3 熱電偶的固定

將TM-902C熱電偶溫度計(jì)焊頭采用鋁箔紙粘貼到接觸器外殼，粘貼位置應(yīng)遠(yuǎn)離兩個(gè)接線端子且處于接觸器殼體中間部位。

2.4 紅外熱成像儀

根據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》DLT664-1999要求使用熱成像儀。試驗(yàn)開(kāi)始前，將熱成像儀Flir E6放置在接觸器與銅排連接處的正前方約30 cm處，進(jìn)行內(nèi)部溫度校準(zhǔn)，打開(kāi)高溫追蹤，設(shè)置輻射率為0.9。

2.5 數(shù)據(jù)采集與記錄

用高壓線纜按照串聯(lián)電路原理連接帶控制系統(tǒng)的直流電源、銅排、高壓直流接觸器和負(fù)載柜?？刂平佑|器閉合，待系統(tǒng)正常運(yùn)行后，熱機(jī)3～5 min，調(diào)節(jié)負(fù)載柜功率，使串聯(lián)電路以430 A的放電電流穩(wěn)定運(yùn)行1小時(shí)。測(cè)試過(guò)程中，每隔5 min熱成像儀采集一次銅排與接觸器溫度情況，萬(wàn)用表采集一次接觸器前后兩端電壓差值，鉗流表采集一次電池輸出電流，記錄一次熱電偶采集的接觸器殼體表面溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 銅排連接下的高壓直流接觸器內(nèi)部接觸阻值及溫度

根據(jù)歐姆定律和測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制接觸器接觸阻值隨測(cè)試時(shí)間變化情況如圖3所示。

圖3 高壓直流接觸器接觸阻值及表面溫升

由圖3可知，接觸器殼體溫度隨試驗(yàn)時(shí)間緩緩上升并趨于穩(wěn)定，與鍍銀軟銅排和紫銅連接時(shí)接觸器最高溫度值分別為64 ℃和67 ℃；接觸器內(nèi)部接觸電阻值隨著溫度的升高而緩緩降低并趨于穩(wěn)定，高壓直流接觸器本身發(fā)熱最大功率出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始的早期階段，此時(shí)整體溫度較低；對(duì)比紫銅排和鍍銀軟銅排，二者對(duì)高壓直流接觸器接觸電阻的影響和減小接觸器內(nèi)部溫升角度來(lái)看，鍍銀軟銅排優(yōu)于紫銅排。

3.2 高壓直流接觸器與銅排連接下的溫度分布

熱成像儀采集到接觸器與銅排連接的溫度分布云圖如圖4所示(以方案1為例)。

圖4 高壓直流接觸器與方案1銅排連接溫度分布云圖

分析載流銅排與高壓直流接觸器的溫度分布云圖可知，在平穩(wěn)運(yùn)行條件下，恒溫箱內(nèi)的接觸器與銅排的溫度隨運(yùn)行時(shí)間均出現(xiàn)快速升高后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；溫升進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，銅排溫度一直高于接觸器的溫度值，最高溫度點(diǎn)位于銅排與接觸器兩接線端子附近，溫度最大值高達(dá)130 ℃。

3.3 高壓直流接觸器與不同規(guī)格參數(shù)銅排連接下的溫升

結(jié)合四種銅排的溫升試驗(yàn)結(jié)果，繪制銅排溫升曲線如圖5所示。

圖5 溫升試驗(yàn)下不同規(guī)格參數(shù)銅排的溫度變化

由圖5可知，方案1中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為20 mm的長(zhǎng)圓孔，孔徑為10 mm，銅排截面積為175 mm2，測(cè)得銅排最高溫度穩(wěn)定在130 ℃；方案2中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為孔徑10 mm的圓孔，銅排截面積為175 mm2，測(cè)得銅排最高溫度穩(wěn)定在122 ℃；方案3中與接觸器連接的銅排為鍍銀軟銅排，銅排兩端為孔徑10 mm的圓孔，銅排截面積為175 mm2，測(cè)得銅排最高溫度穩(wěn)定在114 ℃；方案4中與接觸器連接的銅排為普通紫銅排，銅排兩端為20 mm的長(zhǎng)圓孔，孔徑為10 mm，銅排截面積為175 mm2，測(cè)得銅排最高溫度穩(wěn)定在97.6 ℃。

對(duì)比方案1、2可知，橫截面積和材質(zhì)相同條件下，增大紫銅排與接觸器配合的接觸面積，穩(wěn)態(tài)載流紫銅排表面最高溫度的溫度會(huì)降低。對(duì)比方案2、3可知，銅排橫截面積相同、銅排與接觸器配合的接觸面積相同時(shí)，載流鍍銀軟銅排的穩(wěn)態(tài)最高溫度會(huì)比普通紫銅排低16 ℃左右。對(duì)比方案1、4可知，高壓直流接觸器與銅排接觸面積相同和材質(zhì)相同的情況下，增大銅排橫截面積，銅排最高溫度會(huì)降低，銅排截面積增加28.6%，銅排溫度降低26.2%。

4 結(jié)論

銅排是新能源汽車(chē)不可或缺的器件，其安全、穩(wěn)定、可靠性能關(guān)系人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文參照某新能源汽車(chē)配電箱內(nèi)高壓直流接觸器與銅排連接設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)研究電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)中銅排和高壓直流接觸器載流狀態(tài)下，銅排類(lèi)型、銅排與高壓直流接觸器的連接處結(jié)構(gòu)尺寸與溫升的關(guān)系：

(1)載流的高壓直流接觸器內(nèi)部接觸電阻值隨著溫度的升高而緩緩降低并趨于穩(wěn)定；銅排材質(zhì)對(duì)接觸器本身的溫度變化略有影響，相對(duì)于紫銅排，鍍銀軟銅排更有利于降低接觸器本身的溫度。

(2)通過(guò)紅外熱成像儀可以看出，螺栓連接下的高壓直流接觸器和銅排，兩者表面最高溫度存在差異，接觸器自身的表面溫度值明顯低于銅排，說(shuō)明載流銅排是主要的發(fā)熱元件。

(3)接觸器與銅排連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇材質(zhì)與工藝優(yōu)良的銅排，增大銅排橫截面，設(shè)計(jì)尺寸緊湊的圓形連接孔均有助于減少銅排的發(fā)熱，降低銅排表面最高溫度。