车用电连接器选型研究

范文健，张 涛

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545000；2.武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430000）

1 引言

近年来，汽车行业的发展可谓是日新月异，新技术新方向不断涌出，随着汽车在安全性、环保性等方面的要求越来越高，汽车电气系统日渐多样化，导致电连接器的种类和数量也在不断增加。电连接器的安全性和稳定性是汽车系统安全和稳定的基础，所以，电连接器能否做到正确选型就显得尤为重要［1］。

目前，国内或国外对车用电连接器的选用研究多集中于理论分析阶段。文献［1］对航天电连接器选用时的可靠性进行了理论分析与展望；文献［2］基于民用飞机电气布线相关的适航条款要求及行业标准，探讨了飞机电连接器选用的基本原则；文献［3］阐述了地铁车辆设备各电连接器的性能与特点，对重型电连接器进行选型分析，保证其安全可靠连接；文献［4］对水下插拔连接器产品进行介绍和比较，并介绍了选用时需要考虑的因素；文献［5］对端子的几何结构、材料特性与导热系数之间的关系进行了研究，得到了有关端子载流能力的计算方法；文献［6］基于ANSYS软件实现了对电连接器的参数化建模，进行了热分析与振动影响分析；文献［7］针对电连接器进行了多种场的耦合模型，针对不同材料的电连接器材料进行了仿真分析，通过温升实验对仿真结果进行了验证。综上所述，国内外对电连接器的选型影响因素和特定场合下的选用原则有一定的研究基础，对电连接器的仿真分析也有一定的进展，但对于影响车用电连接器选型的因素分析以及电连接器端子的材料、结构参数对电连接器的温升特性的影响并据此来指导选型的研究较少。

对车用电连接器的选型影响因素进行分析，建立包含电连接器端子各参数的电流-温升计算模型，利用ABAQUS软件对电连接器的接触部分进行热电耦合有限元仿真分析，并结合温升实验结果，验证依据计算模型指导电连接器选型的可行性，为汽车电气系统选用电连接器提供新的思路与方法。

2 电连接器性能影响因素分析

车用电连接器种类型号繁多，在实际应用中，电连接器的选用要综合考虑机械参数、电数、环境参数等各方面的要求，例如电连接器的安装位置影响了其尺寸大小，电连接器所连接的电气设备种类决定了其防水、振动、温度等级要求等，同时，不同电连接器厂家的产品，质量与性能也参差不齐，造成工程师选用电连接器时没用可以依靠的规范、标准，更加难以抉择。

2.1 机械影响因素

在选择电连接器时，除了长、宽、高等电连接器的基本物理尺寸要求要做考虑外，还要充分考虑其安装位置和空间尺寸以及其他物理特性的限制：

（1）插拔力

电连接器的接插可靠性是其基础性能，主要取决于插拔力的大小，插拔力过大会导致电接插件不易插拔，甚至会造成严重的塑性变形［8］；插拔力过小则会导致使用过程中电接插件产生松脱，影响系统安全。

（2）机械寿命

又称插拔寿命或者使用寿命，一般以插拔的次数作为衡量依据，同时需要制定包括电连接器的接触电阻、绝缘电阻等在电连接器达到机械寿命时的取值范围等技术指标和检验要求，确保可靠使用。

（3）针脚数目和针孔排布

电连接器的针脚数目应该依照电连接器所处的电路需要进行选择，综合考虑外形尺寸、形状、装配可行性和插拔力的大小等。电连接器的针脚数目越多，相应的总插拔力就会越大，相应的会导致电连接器的体积也越大。插针和插孔的排布可以根据电路需求以及带电情况进行公母端的互换装配。

（4）振动与冲击

选用电连接器时，应根据预期频率和加速度的条件下的振动和冲击要求，选择能够保障接触对电连续性的电连接器。汽车电连接器在技术规定条件下不应发生超过标准规定的瞬间断点现象和瞬断时间［9］。

2.2 电气影响因素

电连接器是汽车电气系统的重要组成电气件之一，其电气性能是选用电连接器时需要重点考虑的问题。

（1）额定电压

与汽车上使用的许多其他电气元件相同，额定电压是选用电连接器时必须考虑的因素。

电连接器的额定电压的定义是电连接器生产厂家在设计时所规定的最高工作电压，电连接器原则上在不超过额定电压的工况条件下使用时可以保持良好的电气性能。汽车系统中各电路的额定电压都有具体的数值和相应的安全标准，选用电连接器时可以进行参照。

（2）额定电流

即电连接器的端子所允许通过的最大连续电流。额定电流实际上限制的是电连接器端子温升的大小，当电流通过端子时，由于接触电阻的存在端子会不可避免的产生温升，而温升过高会破坏电连接器的绝缘层和端子的表面镀层，导致电连接器失效。实际应用中，常把导致30℃温升的许用电流作为端子的额定电流［10］。

（3）接触电阻

电连接器的接触电阻实际是由接触对的接触电阻和导体电阻两部分组成，由于导体电阻相对较小所以常将其忽略［11］。

2.3 环境影响因素

电连接器在整车的各个部位均有使用，根据其布置位置不同，电连接器所处的环境也有着较大的区别。在选用电连接器时，环境因素也是不可忽略的影响因素之一。

（1）环境温度

过高的环境温度会使电连接器的绝缘材料遭到破坏，甚至会造成塑料壳体的融化，加速金属壳体的镀层氧化过程；过低的环境温度可能会使绝缘体冻裂，从而影响使用安全。

（2）水分

对于处在有渗水可能性环境下的电连接器，应尽量提高其密封防水等级。对于暴露在外部环境下的电连接器，要考虑到空气的湿度对电连接器的影响。

（3）腐蚀

某些车用电连接器可能会处在有腐蚀性的油液环境中，根据不同的腐蚀性环境，选择相对应的电镀连接器作为应对［12］。

3 电连接器电流-温升计算模型

由以上分析可知，额定电流是选用电连接器时必须要考虑的因素，而当电流流过电连接器时，由于电连接器接触部分存在金属本身的电阻以及接触对之间的接触电阻，将会产生热量，当产生的热量导致连接器的内部温度上升到超过正常范围时，会导致电连接器的接触部分产生变形［13］，母端子簧片弹性降低，公端子与母端子间的接触压力降低，进而导致电连接器接触不良，影响正常使用。本节将给出根据理论推导出的电连接器电流与温升的计算模型，为电连接器选型时电流-温升曲线的获取提供依据。

电连接器处于稳定连接状态时，端子的正向力计算公式为：

式中：FN—端子正向力，单位N；

E—端子材料弹性系数，单位N/mm2；

W—端子弹性结构宽度，单位mm；

H1—插座端子空腔高度，单位mm；

t0—初始状态插座端子弹片顶点到接触面的距离，单位mm；

t1—公端子厚度，单位mm；

t2—端子材料厚度，单位mm；

N0—初始状态插座端子弹片顶点到固定点的水平距离，单位mm；

N1—完全插入状态插座端子弹片顶点到固定点的水平距离，单位mm。

电连接器正常工作时端子的接触电阻计算公式为：

式中：R—端子接触电阻，单位Ω；

ρ—端子材料电阻率，单位Ω*mm；

l—端子电接触部分长度，单位mm；

KC—与接触材料、表面情况、接触形式等有关的系数，通常由实验得出；

m—与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5、0.7、1。

当端子的温升为ΔT时，许用电流的计算公式为：

式中：I—温升为ΔT时的许用电流，单位mm；

L'—对接后端子总长度，单位mm；

λ—端子热传导系数，单位W/（mm·K）；

A—端子电接触部分截面积，单位mm2，计算公式：

由式（1）～式（4）可知，在对某一汽车功能模块进行电连接件的选型时，可以根据电连接器的端子材料与结构参数直接计算出电流与温升之间的关系，再结合其失效前所能承受的最大温升，可以计算出此款电连接器在不同电流工况下是否可以满足要求。

4 应用案例

4.1 电连接器电流与温升关系的理论计算

在工程实践中，电连接器的选型是汽车各电气系统中电气设备选型的组成部分，一般情况下会有多个型号的电连接器符合技术要求，那么怎么选择一个最恰当的电连接器来满足电气系统的功能就是工程师们所面临的问题。

例如，如表1所示。当为某一电气设备选择电连接器时，结合上文对电连接器影响因素的介绍，考虑影响电连接器选型的机械因素与环境因素，筛选出了满足条件的三个电连接器，分别命名为电连接器A、电连接器B和电连接器C。再结合电连接器许用电流的计算模型，将与许用电流相关的各个连接器参数代入计算模型，可以得到各个电连接器温升与电流的关系曲线，如图1所示。

图1 电连接器电流-温升曲线Fig.1 Current-Temperature Rise Curve of Electrical Connector

表1 电连接器参数表Tab.1 Electrical Connector Parameter Table

经过对比分析，在特定的温升条件下，电连接器A的许用电流可以满足该电气设备的电气要求，而电连接器B、C不能达到要求，暂时将电连接器A作为备选对象。后续对电连接器A进行基于ABAQUS 的有限元热电耦合仿真分析与实验验证，得到其电流-温升曲线，将仿真与实验结果与理论计算结果进行对比验证。

4.2 电连接器温升与电流关系的仿真分析

针对待选用的电连接器，建立由公端子和母端子组成的电连接器接触模型，为方便计算并得到可信的分析结果，将电连接器接触模型简化，使用Solidworks软件建立实体模型，如图2、图3所示。

图2 电连接器实体模型Fig.2 Physical Model of Electrical Connector

图3 电连接器装配模型Fig.3 Assembly Model of Electrical Connector

将建立好的模型导入ABAQUS软件，依据表1输入材料属性参数，并对模型进行网格划分，对于长期处在电、热双重作用下的电连接器接触部分［14］，选用DC3D8E（八结点线性热电耦合六面体单元）对公端子进行网格划分结果，如图4所示。由于网格划分越密，所需要的电脑配置与计算时间要求就越高，对于含有簧片结构的母端子，选用DC3D4E（四结点线性热电耦合四面体单元）进行划分，如图5所示。

图4 公端子网格划分Fig.4 Male Terminal Meshing

图5 母端子网格划分Fig.5 Female Terminal Meshing

设置电连接器的初始温度为25℃（室温），按照表1输入公端子上表面与母端子空腔的下表面和公端子下表面与簧片上表面两个接触对的热传导系数，材料导电系数设置为8.70×1031/Ω·mm，将母端子右端面的边界条件设置为25℃，将公端子左端面设置为零电势面，对母端子右端面加载数值大小为（2～10）A 的表面电流，会得到相应电流加载下的接触件温度场的分布情况，记录不同电流加载下的温升最大值。当加载的电流为8A时，得到的温度分布仿真结果，如图6所示。

图7 电连接器电流-温升实验Fig.7 Electric Connector Current-Temperature Rise Experiment

4.3 实验验证

为了验证电连接器电流与温升的仿真计算结果，需对电连接器进行电流-温升实验，以检验选型的可靠性。在实验时，每种电连接器五个为一组放入密封箱中，使用直流电源进行供电，将温度检测仪置于密封箱中的电连接器附近，测量电连接器工作时所处的环境温度，误差可忽略不计，使用电阻温度探测器测量电连接器内部的温度。

记录电连接器通过不同数值大小的电流时，稳定状态下的电阻温度探测器的读数，与计算结果和仿真结果进行对比，如图8所示。实验和仿真结果的变化趋势与理论计算结果的变化趋势相同，且数值误差在5%以内，验证了计算结果的准确性。后续需将该电连接器与汽车用电器一起进行功能验证与实车路试验证，若均满足相关要求，则可以最终确定该电气设备电连接器的选型。

图8 电流-温升曲线对比Fig.8 Current-Temperature Rise Curve Comparison

5 结论

（1）对电连接器选用时的机械参数要求、电气参数要求、环境参数要求进行了详细的分析，为确定电连接器选型的关键因素、建立电流-温升计算模型提供了依据。

（2）建立了电连接器电流与温升的计算模型，为电连接器选型时计算、评估电气性能提供量化依据。

（3）对电连接器接触部分进行有限元热电耦合仿真分析，得到不同大小电流通过时的温度分布云图，进而得到电流-温升曲线。

（4）由电流与温升的计算模型得到的电流-温升曲线与仿真和实验得到的结果吻合，验证了通过计算模型进行电连接器选型的准确性与可行性。