Übersicht über Hochspannungssteckverbinder
Hochvoltsteckverbinder, auch Hochvolt-Steckverbinder genannt, sind eine Art von Steckverbindern im Automobilbereich. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um Steckverbinder mit einer Betriebsspannung über 60V und sind vor allem für die Übertragung großer Ströme zuständig.
Hochvoltsteckverbinder werden hauptsächlich in Hochvolt- und Hochstromkreisen von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie arbeiten mit Leitungen, um die Energie des Batteriepacks durch verschiedene Stromkreise zu verschiedenen Komponenten im Fahrzeugsystem zu transportieren, wie z. B. Batteriepacks, Motorsteuerungen und DC/DC-Wandlern. Hochvoltkomponenten wie Wandler und Ladegeräte.
Derzeit gibt es drei Hauptstandardsysteme für Hochspannungssteckverbinder: LV-Standardsteckverbinder, USCAR-Standardsteckverbinder und japanische Standardsteckverbinder. Von diesen drei Steckverbindern ist LV derzeit auf dem heimischen Markt am weitesten verbreitet und verfügt über die umfassendsten Prozessstandards.
Prozessdiagramm zur Montage von Hochspannungssteckverbindern
Grundaufbau Hochvolt-Steckverbinder
Hochspannungssteckverbinder bestehen im Wesentlichen aus vier Grundstrukturen, nämlich Schützen, Isolatoren, Kunststoffgehäusen und Zubehör.
(1) Kontakte: Kernteile, die elektrische Verbindungen herstellen, nämlich Stecker- und Buchsenanschlüsse, Kontaktzungen usw.;
(2) Isolator: stützt die Kontakte und gewährleistet die Isolierung zwischen den Kontakten, d. h. die innere Kunststoffschale;
(3) Kunststoffgehäuse: Das Gehäuse des Steckverbinders gewährleistet die Ausrichtung des Steckverbinders und schützt den gesamten Steckverbinder, d. h. das äußere Kunststoffgehäuse.
(4) Zubehör: einschließlich Konstruktionszubehör und Installationszubehör, nämlich Positionierstifte, Führungsstifte, Verbindungsringe, Dichtungsringe, Drehhebel, Verriegelungsstrukturen usw.
Explosionsansicht des Hochspannungssteckers
Klassifizierung von Hochspannungssteckverbindern
Hochspannungssteckverbinder lassen sich auf verschiedene Weise unterscheiden. Ob der Steckverbinder eine Abschirmfunktion besitzt, die Anzahl der Anschlussstifte usw. können zur Klassifizierung des Steckverbinders herangezogen werden.
1.Ob eine Abschirmung vorhanden ist oder nicht
Hochspannungssteckverbinder werden je nachdem, ob sie über Abschirmfunktionen verfügen, in ungeschirmte Steckverbinder und geschirmte Steckverbinder unterteilt.
Ungeschirmte Steckverbinder haben eine relativ einfache Struktur, keine Abschirmfunktion und sind relativ kostengünstig. Sie werden an Stellen verwendet, an denen keine Abschirmung erforderlich ist, z. B. bei Elektrogeräten mit Metallgehäusen, wie z. B. Ladeschaltungen, Batteriepack-Innenräumen und Steuerungsinnenräumen.
Beispiele für Steckverbinder ohne Abschirmschicht und ohne Hochspannungsverriegelung
Geschirmte Steckverbinder weisen komplexe Strukturen, Abschirmungsanforderungen und relativ hohe Kosten auf. Sie eignen sich für Orte, an denen eine Abschirmfunktion erforderlich ist, beispielsweise dort, wo die Außenseite von Elektrogeräten an Hochspannungskabelbäume angeschlossen wird.
Steckverbinder mit Schirmung und HVIL-Design Beispiel
2. Anzahl der Stecker
Hochvolt-Steckverbinder werden nach der Anzahl ihrer Anschlussports (PIN) unterschieden. Die derzeit am häufigsten verwendeten sind 1P-Steckverbinder, 2P-Steckverbinder und 3P-Steckverbinder.
Der 1P-Steckverbinder ist relativ einfach aufgebaut und kostengünstig. Er erfüllt die Anforderungen an Abschirmung und Wasserdichtigkeit von Hochspannungssystemen, allerdings ist der Montageprozess etwas komplizierter und die Nacharbeitsmöglichkeit schlecht. Wird üblicherweise in Akkupacks und Motoren verwendet.
2P- und 3P-Steckverbinder weisen komplexe Strukturen und relativ hohe Kosten auf. Sie erfüllen die Anforderungen an Abschirmung und Wasserdichtigkeit von Hochspannungssystemen und sind gut wartungsfreundlich. Sie werden im Allgemeinen für Gleichstromein- und -ausgang verwendet, z. B. an Hochspannungsbatteriepacks, Controlleranschlüssen, Gleichstromausgangsanschlüssen von Ladegeräten usw.
Beispiel für einen 1P/2P/3P-Hochspannungsstecker
Allgemeine Anforderungen an Hochspannungssteckverbinder
Hochspannungssteckverbinder sollten den Anforderungen der SAE J1742 entsprechen und die folgenden technischen Anforderungen erfüllen:
Technische Anforderungen spezifiziert durch SAE J1742
Designelemente von Hochspannungssteckverbindern
Die Anforderungen an Hochspannungssteckverbinder in Hochspannungssystemen umfassen unter anderem: Hochspannungs- und Hochstromleistung; die Notwendigkeit, unter verschiedenen Arbeitsbedingungen (wie hohen Temperaturen, Vibrationen, Kollisionsstößen, Staub- und Wasserdichtigkeit usw.) ein höheres Schutzniveau zu erreichen; Installierbarkeit haben; gute elektromagnetische Abschirmleistung haben; die Kosten sollten so gering wie möglich sein und die Verbindung sollte langlebig sein.
Entsprechend den oben genannten Eigenschaften und Anforderungen, die Hochspannungssteckverbinder erfüllen sollten, müssen zu Beginn der Konstruktion von Hochspannungssteckverbindern die folgenden Konstruktionselemente berücksichtigt und gezielte Konstruktions- und Testüberprüfungen durchgeführt werden.
Vergleichsliste der Designelemente, der entsprechenden Leistung und der Verifizierungstests von Hochspannungssteckverbindern
Fehleranalyse und entsprechende Maßnahmen an Hochvolt-Steckverbindern
Um die Zuverlässigkeit des Steckverbinderdesigns zu verbessern, sollte zunächst dessen Ausfallmodus analysiert werden, damit entsprechende vorbeugende Designarbeiten durchgeführt werden können.
Bei Steckverbindern treten üblicherweise drei Hauptfehlerarten auf: schlechter Kontakt, schlechte Isolierung und lockere Befestigung.
(1) Bei schlechtem Kontakt können Indikatoren wie statischer Kontaktwiderstand, dynamischer Kontaktwiderstand, Einzellochtrennkraft, Verbindungspunkte und Vibrationsfestigkeit von Komponenten zur Beurteilung herangezogen werden.
(2) Bei schlechter Isolierung können der Isolationswiderstand des Isolators, die zeitliche Degradationsrate des Isolators, die Größenindikatoren des Isolators, Kontakte und andere Teile zur Beurteilung ermittelt werden.
(3) Zur Beurteilung der Zuverlässigkeit des festen und des abnehmbaren Typs können die Montagetoleranz, das Dauermoment, die Verbindungsstifthaltekraft, die Verbindungsstifteinsteckkraft, die Haltekraft unter Umgebungsbelastungsbedingungen und andere Indikatoren des Anschlusses und des Verbinders getestet werden.
Nach der Analyse der wichtigsten Ausfallarten und Ausfallformen des Steckverbinders können die folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um die Zuverlässigkeit des Steckverbinderdesigns zu verbessern:
(1) Wählen Sie den entsprechenden Anschlussstecker aus.
Bei der Auswahl der Steckverbinder sollten nicht nur Art und Anzahl der angeschlossenen Schaltkreise berücksichtigt werden, sondern auch die Zusammenstellung der Geräte erleichtert werden. Beispielsweise sind Rundsteckverbinder weniger klimatischen und mechanischen Einflüssen ausgesetzt als Rechtecksteckverbinder, weisen weniger mechanischen Verschleiß auf und sind zuverlässig mit den Drahtenden verbunden. Daher sollten möglichst Rundsteckverbinder ausgewählt werden.
(2) Je mehr Kontakte ein Steckverbinder hat, desto geringer ist die Zuverlässigkeit des Systems. Wählen Sie daher, sofern Platz und Gewicht es zulassen, einen Steckverbinder mit einer geringeren Kontaktzahl.
(3) Bei der Auswahl eines Steckverbinders sollten die Betriebsbedingungen des Geräts berücksichtigt werden.
Dies liegt daran, dass der Gesamtlaststrom und der maximale Betriebsstrom des Steckverbinders häufig anhand der zulässigen Wärmeentwicklung bei Betrieb unter den höchsten Umgebungstemperaturen bestimmt werden. Um die Betriebstemperatur des Steckverbinders zu senken, sollten dessen Wärmeableitungsbedingungen berücksichtigt werden. Beispielsweise können Kontakte, die weiter vom Zentrum des Steckverbinders entfernt sind, zum Anschluss der Stromversorgung verwendet werden, was die Wärmeableitung verbessert.
(4) Wasserdicht und korrosionsbeständig.
Wenn der Steckverbinder in einer Umgebung mit korrosiven Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt wird, sollte zur Vermeidung von Korrosion darauf geachtet werden, dass er horizontal von der Seite installiert werden kann. Bei einer vertikalen Installation sollte verhindert werden, dass Flüssigkeit entlang der Leitungen in den Steckverbinder gelangt. Verwenden Sie grundsätzlich wasserdichte Steckverbinder.
Wichtige Punkte bei der Gestaltung von Hochvolt-Steckverbinderkontakten
In der Kontaktverbindungstechnik werden vor allem die Kontaktfläche und die Kontaktkraft untersucht, darunter die Kontaktverbindung zwischen Klemmen und Drähten sowie die Kontaktverbindung zwischen Klemmen.
Die Zuverlässigkeit der Kontakte ist ein wichtiger Faktor für die Systemzuverlässigkeit und stellt auch einen wichtigen Teil der gesamten Hochvolt-Kabelbaummontage dar.. Aufgrund der rauen Arbeitsumgebung einiger Klemmen, Kabel und Steckverbinder sind die Verbindungen zwischen Klemmen und Kabeln sowie die Verbindungen zwischen Klemmen und Klemmen anfällig für verschiedene Fehler, wie Korrosion, Alterung und Lösen durch Vibration.
Da Ausfälle elektrischer Kabelbäume, die durch Beschädigung, Lockerung, Abfallen und Versagen von Kontakten verursacht werden, mehr als 50 % der Ausfälle im gesamten elektrischen System ausmachen, muss dem Zuverlässigkeitsdesign der Kontakte im Zuverlässigkeitsdesign des Hochspannungs-Bordnetzes des Fahrzeugs größte Aufmerksamkeit gewidmet werden.
1. Kontaktverbindung zwischen Anschlussklemme und Leitung
Die Verbindung zwischen Klemmen und Drähten erfolgt durch Crimpen oder Ultraschallschweißen. Crimpen und Ultraschallschweißen werden derzeit häufig in Hochspannungskabelbäumen eingesetzt und haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile.
(1) Crimpvorgang
Das Prinzip des Crimpvorgangs besteht darin, den Leiterdraht mithilfe äußerer Kraft einfach physisch in den gecrimpten Teil der Klemme zu drücken. Höhe, Breite, Querschnitt und Zugkraft beim Crimpen der Klemme sind die Kernbestandteile der Crimpqualität und bestimmen die Qualität des Crimpens.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Mikrostruktur jeder fein bearbeiteten festen Oberfläche immer rau und uneben ist. Nach dem Crimpen der Anschlüsse und Drähte ist es nicht der Kontakt der gesamten Kontaktfläche, sondern der Kontakt einiger auf der Kontaktfläche verstreuter Punkte. Die tatsächliche Kontaktfläche muss kleiner sein als die theoretische Kontaktfläche, was auch der Grund für den hohen Kontaktwiderstand beim Crimpen ist.
Mechanisches Crimpen wird stark vom Crimpprozess beeinflusst, beispielsweise durch Druck und Crimphöhe. Die Produktionskontrolle muss mithilfe von Crimphöhen- und Profilanalysen/metallografischen Analysen erfolgen. Daher ist die Crimpkonsistenz des Crimpprozesses durchschnittlich, der Werkzeugverschleiß groß und die Zuverlässigkeit durchschnittlich.
Das Crimpverfahren des mechanischen Crimpens ist ausgereift und bietet vielfältige praktische Anwendungsmöglichkeiten. Es handelt sich um ein traditionelles Verfahren. Fast alle großen Zulieferer produzieren Kabelbäume nach diesem Verfahren.
Klemmen- und Aderkontaktprofile im Crimpverfahren
（2) Ultraschallschweißverfahren
Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente Schwingungswellen auf die Oberflächen zweier zu schweißender Objekte übertragen. Unter Druck reiben die Oberflächen der beiden Objekte aneinander, wodurch eine Verschmelzung der Molekülschichten entsteht.
Beim Ultraschallschweißen wandelt ein Ultraschallgenerator 50/60-Hz-Strom in elektrische Energie mit 15, 20, 30 oder 40 kHz um. Die umgewandelte hochfrequente elektrische Energie wird durch den Wandler wieder in mechanische Bewegung gleicher Frequenz umgewandelt. Anschließend wird die mechanische Bewegung über eine Reihe von Hupen, die die Amplitude verändern können, an den Schweißkopf übertragen. Der Schweißkopf überträgt die empfangene Schwingungsenergie auf die Schweißnaht des Werkstücks. Dort wird die Schwingungsenergie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch das Metall schmilzt.
In Bezug auf die Leistung weist das Ultraschallschweißverfahren einen geringen Kontaktwiderstand und eine geringe Überstromerwärmung über einen langen Zeitraum auf. In Bezug auf die Sicherheit ist es zuverlässig und löst sich bei längeren Vibrationen nicht so leicht und fällt nicht ab. Es kann zum Schweißen zwischen verschiedenen Materialien verwendet werden. Es wird durch Oberflächenoxidation oder -beschichtung beeinträchtigt. Als Nächstes kann die Schweißqualität durch Überwachung der relevanten Wellenformen des Crimpvorgangs beurteilt werden.
Obwohl die Gerätekosten des Ultraschallschweißverfahrens relativ hoch sind und die zu schweißenden Metallteile nicht zu dick sein dürfen (im Allgemeinen ≤ 5 mm), ist das Ultraschallschweißen ein mechanischer Prozess und während des gesamten Schweißvorgangs fließt kein Strom, sodass es keine Probleme mit der Wärmeleitung und dem spezifischen Widerstand gibt. Dies sind die zukünftigen Trends beim Hochspannungskabelbaumschweißen.
Ultraschallverschweißte Klemmen und Leiter und deren Kontaktquerschnitte
Unabhängig vom Crimp- oder Ultraschallschweißverfahren muss die Abzugskraft des Anschlusses nach dem Verbinden mit dem Kabel den Standardanforderungen entsprechen. Nach dem Verbinden des Kabels mit dem Stecker darf die Abzugskraft nicht geringer sein als die Mindestabzugskraft.
Veröffentlichungszeit: 06.12.2023