Übersicht über Hochspannungssteckverbinder
Hochvoltsteckverbinder, auch Hochvolt-Steckverbinder genannt, sind eine Art von Kfz-Steckverbindern. Sie beziehen sich im Allgemeinen auf Steckverbinder mit einer Betriebsspannung über 60 V und sind hauptsächlich für die Übertragung großer Ströme verantwortlich.
Hochvoltsteckverbinder werden hauptsächlich in Hochvolt- und Hochstromkreisen von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie arbeiten mit Kabeln, um die Energie des Batteriepacks durch verschiedene Stromkreise zu verschiedenen Komponenten im Fahrzeugsystem zu transportieren, wie z. B. Batteriepacks, Motorsteuerungen und DCDC-Wandlern. Hochvoltkomponenten wie Konverter und Ladegeräte.
Derzeit gibt es drei Hauptstandardsysteme für Hochspannungssteckverbinder: LV-Standardsteckverbinder, USCAR-Standardsteckverbinder und japanische Standardsteckverbinder. Von diesen drei Steckverbindern ist der LV-Standard derzeit auf dem heimischen Markt am weitesten verbreitet und verfügt über die umfassendsten Prozessstandards.
Prozessdiagramm zur Montage von Hochspannungssteckverbindern
Grundaufbau Hochvolt-Steckverbinder
Hochspannungssteckverbinder bestehen hauptsächlich aus vier Grundstrukturen, nämlich Schützen, Isolatoren, Kunststoffgehäusen und Zubehör.
(1) Kontakte: Kernteile, die elektrische Verbindungen herstellen, nämlich Stecker- und Buchsenanschlüsse, Zungen 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 hat, die Anzahl der Steckerstifte usw. können zur Definition der Steckverbinderklassifizierung verwendet werden.
1.Ob eine Abschirmung vorhanden ist oder nicht
Hochspannungssteckverbinder werden je nach ihrer Abschirmfunktion in ungeschirmte 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 Steuereinheiten.
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
Hochspannungssteckverbinder werden nach der Anzahl der Anschlussports (PIN) unterteilt. Derzeit werden am häufigsten 1P-, 2P- und 3P-Steckverbinder verwendet.
Der 1P-Steckverbinder ist relativ einfach aufgebaut und kostengünstig. Er erfüllt die Anforderungen an Abschirmung und Wasserdichtigkeit von Hochspannungssystemen, der Montageprozess ist jedoch etwas kompliziert und die Nacharbeitsmöglichkeit schlecht. Wird im Allgemeinen in Akkupacks und Motoren verwendet.
2P- und 3P-Steckverbinder haben komplexe Strukturen und relativ hohe Kosten. Sie erfüllen die Abschirmungs- und Wasserdichtigkeitsanforderungen 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, sind aber nicht beschränkt auf: Hochspannungs- und Hochstromleistung; die Notwendigkeit, unter verschiedenen Arbeitsbedingungen (wie hohen Temperaturen, Vibrationen, Kollisionsstößen, Staub- und Wasserdichtigkeit usw.) ein höheres Schutzniveau erreichen zu können; Installierbarkeit haben; gute elektromagnetische Abschirmleistung haben; die Kosten sollten so gering wie möglich sein und die Haltbarkeit sollte gewährleistet 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 Haltekraft des Verbindungsstifts, die Einsteckkraft des Verbindungsstifts, die Haltekraft unter Umgebungsbelastungsbedingungen und andere Indikatoren des Anschlusses und des Steckverbinders 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 Anschluss 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 von klimatischen und mechanischen Faktoren betroffen als Rechtecksteckverbinder, weisen weniger mechanischen Verschleiß auf und sind zuverlässig mit den Drahtenden verbunden. Daher sollten möglichst Rundsteckverbinder ausgewählt werden.
(2) Je größer die Anzahl der Kontakte in einem Steckverbinder ist, desto geringer ist die Zuverlässigkeit des Systems. Wählen Sie daher, wenn Platz und Gewicht es zulassen, einen Steckverbinder mit einer geringeren Anzahl von Kontakten.
(3) Bei der Auswahl eines Steckverbinders sollten die Arbeitsbedingungen des Geräts berücksichtigt werden.
Dies liegt daran, dass der Gesamtlaststrom und der maximale Betriebsstrom des Steckverbinders häufig anhand der zulässigen Wärme beim Betrieb unter den höchsten Umgebungstemperaturbedingungen bestimmt werden. Um die Betriebstemperatur des Steckverbinders zu senken, sollten die Wärmeableitungsbedingungen des Steckverbinders umfassend berücksichtigt werden. Beispielsweise können Kontakte, die weiter von der Mitte 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 bei der Installation horizontal von der Seite aus installiert werden kann. Wenn die Bedingungen eine vertikale Installation erfordern, 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
Die Kontaktverbindungstechnik untersucht hauptsächlich die Kontaktfläche und Kontaktkraft, einschließlich der Kontaktverbindung zwischen Anschlüssen und Drähten sowie der Kontaktverbindung zwischen Anschlüssen.
Die Zuverlässigkeit der Kontakte ist ein wichtiger Faktor für die Systemzuverlässigkeit und auch ein wichtiger Bestandteil der gesamten Hochvolt-Kabelbaummontage.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 bei der Zuverlässigkeitskonstruktion des Hochspannungs-Bordnetzes des Fahrzeugs der Zuverlässigkeitskonstruktion der Kontakte volle Aufmerksamkeit gewidmet werden.
1. Kontaktverbindung zwischen Anschlussklemme und Leitung
Die Verbindung zwischen Anschlüssen und Drähten erfolgt durch Crimpen oder Ultraschallschweißen. Derzeit werden Crimp- und Ultraschallschweißverfahren häufig in Hochspannungskabelbäumen eingesetzt, wobei jedes Verfahren seine eigenen Vor- und Nachteile hat.
(1) Crimpvorgang
Das Prinzip des Crimpvorgangs besteht darin, den Leiterdraht mithilfe äußerer Kraft einfach physisch in den gecrimpten Teil des Anschlusses zu drücken. Höhe, Breite, Querschnittszustand und Zugkraft beim Crimpen des Anschlusses sind die Kerninhalte der Crimpqualität des Anschlusses, die die Qualität des Crimpens bestimmen.
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 dafür ist, dass der Kontaktwiderstand des Crimpvorgangs hoch ist.
Mechanisches Crimpen wird stark durch den Crimpprozess beeinflusst, wie z. B. Druck, Crimphöhe usw. Die Produktionskontrolle muss durch Mittel wie Crimphöhe und Profilanalyse/metallografische Analyse durchgeführt werden. Daher ist die Crimpkonsistenz des Crimpprozesses durchschnittlich und der Werkzeugverschleiß ist groß. Die Auswirkung ist 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 Leiterkontaktprofile im Crimpverfahren
（2) Ultraschallschweißverfahren
Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente Schwingungswellen auf die Oberflächen zweier zu verschweißender Objekte übertragen. Unter Druck reiben die Oberflächen der beiden Objekte aneinander und es kommt zu einer Verschmelzung der Molekülschichten.
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 zu schweißende Verbindung des Werkstücks. In diesem Bereich 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. Nachdem das Kabel mit dem Stecker verbunden wurde, sollte die Abzugskraft nicht geringer sein als die Mindestabzugskraft.
Veröffentlichungszeit: 06.12.2023