動力電池連接器亦稱作動(dòng)力電池接插件、插頭和插座,一般是指(zhǐ)連接兩(liǎng)個有源器件傳輸電流的器件。動力電池連接器(qì)的作用非常單純:在電路內被阻斷處或孤立不通的(de)電路之間,架起溝通的橋梁,從而使電流(liú)流通,使電路實現預定的功能。動力電池連接(jiē)器形(xíng)式和結構是千變萬(wàn)化的,隨著應用對象、功(gōng)率、應用環境等不同,有(yǒu)各(gè)種不同形式的連接器。
動(dòng)力電池連接器(qì)的安全、可靠運行是保證電動汽車動力係統正常運行的核心器件,動力電池(chí)連接器是電(diàn)動汽車動力係統上不可或缺的一部分,動力電池連接器安全性、可靠性、環保的是動力電池連接器設計的要點。
動力電池器連接器的基(jī)本結構件有接(jiē)觸件、絕緣體、外殼(ké)(視品(pǐn)種而定)、附件,而接觸件是連接器完成電連接功能的核心零件。一般由陽性接(jiē)觸件和陰性接(jiē)觸件組成接觸對(duì),通過陰、陽接觸件的插(chā)合完成電連接(jiē)。陽性接觸件為(wéi)剛(gāng)性零件,其形狀為圓柱形(圓(yuán)插針)、方柱形(方插針(zhēn))或扁平形(插片),陽性接觸件一般由黃銅(tóng)、磷青銅製成。
動力電池連接器(qì)至關重要
陰性接觸件是接觸對的關鍵零件,它依靠彈性結構在與插針插合時發生彈性變形而產生彈性力與陽性接觸件形(xíng)成緊密接觸,完成連接。陰(yīn)性接觸件(jiàn)的結構(gòu)種類很多,有圓筒型(劈槽、縮口)、音叉型、懸臂梁型(xíng)(縱向開槽)、折迭型(xíng)(縱向(xiàng)開槽,9字形)、盒形(方插孔)以及雙曲麵線簧插孔等。
動力電池連接器接觸的(de)可靠性與連接器接觸對間的接觸電阻大(dà)小有關,一般要求接觸電阻越(yuè)小越好,這(zhè)樣(yàng)可減少接觸電阻造(zào)成的功能損耗。並且也可減少接點發熱,接點發熱太高(gāo)反而增加了接觸電阻值。另外,過高的熱量如散發不好就會使金(jīn)屬軟化(huà),加快了金屬表麵的氧化和磨(mó)損,使連接器的品質下(xià)降,嚴重的會使連接器塑殼軟化變(biàn)形,老化等。
2、動力電池連接器(qì)的基(jī)本(běn)性(xìng)能
(1)機械性能
機械(xiè)性能(néng)就連接(jiē)功能而言,插拔力是重要地機械性能(néng)。插拔力分為插入力和拔出力(拔出力亦稱分離力),兩者的要(yào)求是不同的。在有關標準中有最大插入力和最小分離力規定,這表明,從使(shǐ)用角度來(lái)看,插入力要小(xiǎo)(從而有低插(chā)入力LIF和無插入(rù)力ZIF的結構),而分離力若太小,則會影響接觸的可靠性。
連接器的機械壽命實(shí)際上是一種耐久性指標,在國標(biāo)GB5095中把(bǎ)它叫作機械操作。它是以一(yī)次插(chā)入和一次拔出為一個循環,以在規定的插拔循環後連接器能否正常完成其(qí)連接功能(如接觸電阻值)作為評判依據(jù)。連接器的插拔力和機械壽命與接觸件(jiàn)結構(正壓力大小)接觸部位鍍層質量(滑動摩擦係數)以及接觸件排(pái)列(liè)尺寸精度(對準度)有關。連接器接觸件的性能指標(biāo)有:
1)屈服強(qiáng)度又稱為降服強度,是材料屈服(fú)的臨界應(yīng)力值(zhí)。所謂屈服,是指達到一定的變形應力之後,金屬開始從彈(dàn)性狀態非均勻的向彈-塑性狀態過度,它標誌著宏(hóng)觀塑性變形的開始。屈服強度對連接器影響:選擇越高屈服(fú)強度的金屬材料,端(duān)子的正向力越大(dà)。
2)抗拉強度。當材料(liào)屈服到(dào)一定程度後,由於內部晶粒重新排列(liè),其抵(dǐ)抗變形能力又重新提高,此時變形雖然發展很快,但卻隻能隨著應力的提高而提高,直至應力達(dá)最大值。此後,材料抵抗變形的能力明(míng)顯降低,並在最薄(báo)弱處發生較大(dà)的塑性變形,此處試件截麵迅速縮小,出現頸縮現象,直(zhí)至(zhì)斷裂破壞。材(cái)料受拉斷裂前的(de)最大應(yīng)力值(zhí)(b點對應值)稱為強度極限或抗拉強度。
3)伸(shēn)長率指金屬(shǔ)材料受外力(拉力)作用(yòng)斷裂時,伸長的長(zhǎng)度與(yǔ)原來長度(dù)的百分比(bǐ)。
4)硬度。材料局部抵抗硬物壓入(rù)其表麵的能力稱(chēng)為硬度。固體對外(wài)界物體入侵的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬的指(zhǐ)標。因連接器所有金屬材料極薄,以維(wéi)氏硬度(HV)測量。維氏硬度(HV)以120kg以內的載荷和頂(dǐng)角(jiǎo)為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材(cái)料表麵,用(yòng)材料壓(yā)痕凹坑的表麵積(jī)除以載荷值,即為維氏硬度值(HV)。硬度是連接(jiē)器選材(cái)的一個重要(yào)參數(shù)。
5)R/T比。所謂R(radius)指折彎的內徑,T(thickness)指材料的厚度。如(rú)果想要成型出來的產品內徑越小,則必須選(xuǎn)擇R/T比越小的材料。理(lǐ)論上來說,如果R/T比等於零,即表(biǎo)示此材料的折彎(wān)表現極優,即使折彎的內R=0,也不會(huì)產生裂痕,但一般材料材質證明(míng)或特性表所顯示的都是90度折(shé)彎的數據,很少會顯示(shì)180度的折彎數據。當然,我們是希望R/T比越小越好,這對電池組連接器產品的微型(xíng)化還是個好處。
(2)電(diàn)氣性能
1)接(jiē)觸電阻高質量的電連接器應當具有低而穩定的接觸電阻,連(lián)接器的接觸電阻從幾毫歐到數十毫歐不等。連接器所用金屬材料一(yī)般(bān)為合金材料,很少用到單一金屬(shǔ)材料,合金顧名思義就是有多(duō)種金屬合成的物質,表明它有多種化學元素組成,比如:
①磷青銅(tóng):由銅Cu,錫Sn,磷P,鐵Fe,鉛Pb,鋅(xīn)Zn等組成,主要(yào)成分是銅(tóng)。
②黃銅:由銅Cu,鐵Fe,鉛(qiān)Pb,鋅Zn等組成,主要成分是銅。
③不鏽鋼:由鐵Fe,鉻Cr,鎳Ni,碳C,矽Si,錳Mn,磷P,硫S,鋁Al,鈷Co,主要成分(fèn)是鐵。
2)絕緣電阻衡量(liàng)電連接器接觸件(jiàn)之間和接觸件與外殼(ké)之間絕緣性能的指標,其數量級為數百兆歐至數千兆歐不等。
3)抗電強度或稱耐電壓、介質耐壓,是表征連(lián)接(jiē)器接觸件之間或接(jiē)觸件(jiàn)與外殼之間耐受額定試驗電壓的能力。
(3)環境性能
1)耐溫目前連接器的最高工作溫度為200℃(少(shǎo)數高溫特種連接器除外),最低溫度為-65℃。由於連接器工作時,電流在接觸點處產生熱量,導致溫升,因此一般認為工作溫度應等於環境溫度與接點溫升之和。在某些(xiē)規範中,明確規定了連接器在額定工作(zuò)電流下容許的最高升(shēng)。
2)耐濕潮氣的侵(qīn)入(rù)會影響連接h絕緣性能,並鏽蝕金屬零件(jiàn)。恒定濕熱試驗條件為相對濕度90%~95%(依據產品規範,可達(dá)98%)、溫度+40±20℃,試驗時(shí)間按產品規定,最少為96小時。交變濕熱試驗(yàn)則更嚴苛。
3)耐鹽霧(wù)連接(jiē)器在(zài)含有潮氣(qì)和(hé)鹽分的環境中工作時,其金屬結構件、接觸件表麵處理層有可能(néng)產生電化腐蝕(shí),影響連接器的物(wù)理和電氣性(xìng)能。為了評價電連接器耐受這種環境的能力,規定了鹽霧試(shì)驗(yàn)。 它是將連接器懸掛(guà)在溫度受控的試驗箱內,用規(guī)定濃度的氯化鈉溶液用壓縮空氣(qì)噴出,形成鹽霧大氣,其暴(bào)露時間由產品(pǐn)規範規定,至少(shǎo)為48小時(shí)。
4)振動和衝擊耐振動和(hé)衝擊是電連接器的重(chóng)要性能(néng),在特殊的應用(yòng)環境中如航空和航天、鐵路和公路運輸中尤為重要,它是檢驗電連接器機(jī)械結構的堅固性和電接(jiē)觸可靠性的重要指標。在有(yǒu)關的試驗方法中都有明確的規定(dìng)。衝擊試驗中應(yīng)規定峰值加速度、持續時間和衝擊脈衝波(bō)形,以及電氣連續性中斷的時間。
5)其它環境性能根據(jù)使用要求,電連接器的其它環境(jìng)性能還有密封性(空氣泄漏、液(yè)體壓力(lì))、液體浸漬(對特定液體的耐惡習化能力)、低氣壓等。
3、連接器(qì)接觸對的接觸電阻
連(lián)接器(qì)接觸(chù)對是指(zhǐ)連接器的陽(yáng)性接觸件和陰性接觸件相互接觸(chù)實現電連接的金屬元件(jiàn),陽性接觸件和陰性接觸件在接(jiē)觸區(qū)形成一(yī)個電阻,稱之(zhī)為接觸(chù)電(diàn)阻。接(jiē)觸電阻有以下幾部分組成(chéng):
1)集中電(diàn)阻Rc。清潔的金屬表麵通過施加一定的壓力(彈力)互相接觸(chù)在一起時形成的(de)電阻Rc稱之(zhī)為集中電阻,由於(yú)接觸區(qū)的接觸麵積很(hěn)小,電流一到接(jiē)觸區相互被壓縮在一起,使電流(liú)密度增加,此對產生的電阻稱之為(wéi)集中電阻。
當兩種(zhǒng)金屬在彈性壓力下相互接觸時(shí),由於金屬表麵並非理(lǐ)想(xiǎng)的光滑表麵,其表(biǎo)麵粗糙度使得接(jiē)觸區並非是麵接觸,往(wǎng)往是(shì)一點或幾點接觸,在一定壓力作用(yòng)下,高的波(bō)峰處首先被壓平,使得原來不接觸的較低波峰處也產生接觸,亦即是說,壓力越大,參與接觸的點(diǎn)越多。
2)膜層電阻Rt。金屬表麵由於吸附氣體或表麵產(chǎn)生氧化或磁化或受到吸附的氧化(huà)物的汙染而在表麵(miàn)形成一層薄膜,這種薄膜往往是電的不良導體,從而造成接觸電阻很高。這種薄膜在一定的壓力,摩擦以及一定電壓作用(yòng)下碎裂,使得底層金屬(shǔ)互相接觸,產生隧道效應,故電阻Rt稱(chēng)為隧道電阻(zǔ)(或稱(chēng)膜層電阻)。
膜層電阻是影響接觸電阻變大的主要因素,Rt一般占(zhàn)總接觸電阻的70%~80%,所以應(yīng)給Rt以充分重視。為(wéi)了(le)降低(dī)膜層(céng)電阻的影響,接觸元件表麵一(yī)般都要鍍複抗氧化性能強,化學(xué)穩定性好的貴金屬鍍層,以(yǐ)提高金(jīn)屬元件的抗氧化性能。但有的貴金屬,如銀,其導(dǎo)電性能很好,但抗(kàng)氧化和硫化性能很差,為此(cǐ),幾采用(yòng)鍍銀工藝的,表麵最好用觸(chù)點保護劑處理一下,以提高抗氧化和硫化(huà)性能。
3)金屬(shǔ)導體本身的體積電阻Rb。不同材料的體積電阻(zǔ)不同,體積電阻的大小(xiǎo)取決於合金的金相組織結構。當材(cái)料上(shàng)附加一個電場時,其自由移動的電子雲在電(diàn)場的作用下,加速向正極(jí)移動(dòng),移動越(yuè)快,材料的導電率就越好(即電阻率(lǜ)越低)而合金中的“雜質”或微(wēi)量(liàng)元素的存在,又引起電場的不(bú)均(jun1)勻度。從而擴大了電子運動的偏轉和反射量的增(zēng)加。並增大了偏移量和反射量,這對材料的導電率產(chǎn)生了不利(lì)的影響。不同合金材料,電阻率變化很大(dà)。
4、影響接觸電阻的因素
從使用的角度考慮,就接觸電阻本身而言,要求接觸電阻在較小的範圍內(nèi)為好。雖然說明了(le)接觸電阻小一點(diǎn)為好,但也不是(shì)絕對的,因影響接觸對的接觸電阻大小的因素很多,其(qí)主要受(shòu)接觸件材(cái)料、正壓力、表麵狀態、使用電(diàn)壓和電流等因素影響。
1)接觸件材料。電(diàn)連接器技術(shù)條件對不同材質製作的同規格插配接觸件,規定了(le)不同的接觸電(diàn)阻考核指標。如小圓形快速分離耐環境電(diàn)連接器總(zǒng)規範(fàn)GJB101-86規(guī)定,直徑為1mm的插配接觸件(jiàn)接觸電阻,銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。材料(liào)的硬度及彈(dàn)性性能同樣也(yě)影(yǐng)響(xiǎng)到接觸電(diàn)阻值。
一(yī)種彈(dàn)性較差的金屬(shǔ)材料,其強度極限較低,當它產生彈(dàn)性變(biàn)形時,儲存的變形能較小,因而產生的(de)接觸壓力較小。但(dàn)長(zhǎng)時間使用後,容易產生機械變(biàn)形(xíng),應力逐漸釋放,從(cóng)而造成接觸對間的正壓力降低,使(shǐ)接觸性能變壞(huài),因此要選擇(zé)彈(dàn)性性能好的材料作為接觸(chù)件的彈性元件為宜。
2)正壓力。接觸件的正壓力是指彼此接觸的表麵產生並垂直於(yú)接觸表麵的力。隨正壓力增加,接觸微點數量及麵積也逐漸增加,同時接觸微點從彈性變形過渡到塑(sù)性變形。由於集(jí)中電阻逐漸減小,而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決於(yú)接觸件的幾何形狀和(hé)材料性能。但事物往往是矛盾的對立統一,一對接觸對的接觸正壓(yā)力增加,在一定範圍內其接觸電阻會隨之降低,它基本呈二次曲線的關係。
當接觸壓力很小(xiǎo)時,接觸(chù)電阻會急劇增(zēng)大;當壓力(lì)大到(dào)一定程度時,接觸電阻(zǔ)減(jiǎn)小值很不明顯。如此時再繼續增加接觸壓力,接觸電阻幾乎不減少。這時可能造成接觸表麵磨損嚴重,既破壞(huài)了表麵鍍層,又由於磨損使表麵變得粗糙起來,反而減少了(le)表麵接觸(chù)麵積。同表(biǎo)麵更易(yì)起化學反應,使接觸電阻增大,逐步發(fā)展下去,就可能造成接觸失效。
3)表麵狀態。接觸件表麵一是由(yóu)於塵埃(āi)、鬆香、油汙等在接點表麵機械附著沉積形成的較鬆散的表膜,這層表膜由於帶有微粒物質極易嵌藏在接觸表麵的微觀凹坑處,使接觸麵積(jī)縮小,接觸電阻增大,且極(jí)不穩定。二是由於物理吸附及化學吸附所形成的汙(wū)染(rǎn)膜,對金屬表(biǎo)麵主要(yào)是化學吸附,它(tā)是在物理吸附(fù)後伴隨電子遷移而產生的(de)。
故對(duì)一些高可靠性要(yào)求的產品,如航(háng)天(tiān)用(yòng)電(diàn)連(lián)接器必(bì)須要有潔淨的裝配生產(chǎn)環境條件,完(wán)善的清洗工藝(yì)及(jí)必要的結構(gòu)密封(fēng)措施,使用單位必須要有良好的貯(zhù)存和使(shǐ)用操作環境條件。如受環境影響也是一個重要因素,如H2S和SO2等氣體對金屬(shǔ)導體的影響,會使接(jiē)觸表麵很快生成硫化(huà)物和(hé)氧化物。如鍍銀件表麵生成黑(hēi)色的硫化(huà)銀的不導電物質,將極大地增大接觸電阻(zǔ)值。
4)使用電壓。使用電壓達到(dào)一(yī)定閾值,會使接觸件膜層被擊穿,而(ér)使接觸電阻迅(xùn)速下降。但由於熱效應加(jiā)速了膜層附近區域的化學反應,對膜層有一定的修複(fù)作用。於是阻值呈現非線性。在閾值電壓附近,電壓降的(de)微小波動會引起電流可能二十倍(bèi)或幾十倍範圍內變化。使接觸電阻發生很大變化,不(bú)了解這種非(fēi)線性變化,就(jiù)會在測試和使用接觸件時產生錯誤。
5)電流。當電流超(chāo)過一定值時,接觸件界麵微(wēi)小點處通電後產生的焦耳熱作用(yòng)而(ér)使金屬軟化或熔化,會對(duì)集中電阻(zǔ)產(chǎn)生(shēng)影(yǐng)響,隨(suí)之降低接觸電阻。
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