動力電池連接器亦稱作動(dòng)力電池接插件、插頭和插座,一般是指連接兩個(gè)有源器件傳輸電流的器件(jiàn)。動力電池連接器的作用(yòng)非常單純:在電路內被阻斷處或孤立不通的電路之間,架起溝通的橋梁,從而使電流流通,使電路實現預定的功能。動力電池連接器形式和結構(gòu)是千變萬化的,隨著應用對(duì)象、功率、應用環境等不同,有各種不同形式的(de)連接器。
動(dòng)力電(diàn)池連(lián)接(jiē)器的安全、可靠運行是保證電動汽車動力係統正常運行的核(hé)心器件,動力電(diàn)池連(lián)接器(qì)是電動汽車動(dòng)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(dòng)力電池連(lián)接器設計的要點。
動力電池器連接器的基本結構件有接觸件、絕緣體、外殼(視品種(zhǒng)而定)、附件,而接觸件是連接器完成(chéng)電連接功能的核(hé)心零件。一般由陽性接觸件和(hé)陰性接觸件組成(chéng)接觸對,通過陰、陽接觸件的插合完成電連接。陽性接觸件為剛性零件,其形(xíng)狀為圓柱形(圓插針)、方柱形(方插針)或扁平形(插(chā)片),陽性接觸件一般由黃(huáng)銅、磷青銅製成。
動(dòng)力電(diàn)池連接器至關重要(yào)
陰性接觸(chù)件是接觸對的關鍵零件,它依靠彈性結構(gòu)在與插針插合時發生彈性變(biàn)形(xíng)而產生彈性力(lì)與陽性接觸件形成緊密(mì)接觸,完成連接。陰性接觸件的結構種類很多,有圓筒型(劈槽、縮口)、音叉型、懸臂梁型(縱向開槽)、折迭型(縱向開槽,9字形)、盒形(方(fāng)插孔(kǒng))以及雙(shuāng)曲麵線簧插孔等(děng)。
動力電池連接器接觸的可靠性與(yǔ)連接器接(jiē)觸對間的接觸電阻(zǔ)大小有關(guān),一般要求接觸電阻(zǔ)越(yuè)小越好,這樣可減少接觸電阻造成的功能損耗。並且也可減少(shǎo)接點發熱,接點發熱太高反而增加了接觸電阻值。另外,過高(gāo)的熱量(liàng)如散發不好就會使金屬軟化,加快了金屬表麵的氧化(huà)和磨(mó)損(sǔn),使連(lián)接器的品質下降,嚴(yán)重的會使連接器塑殼軟化變(biàn)形,老化等。
2、動力電池連接器的基本性能
(1)機械性能
機械性能就(jiù)連接功能(néng)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),兩者的要求是不同的。在有(yǒu)關標準中有最(zuì)大插入力和最小分離力規定,這表明,從(cóng)使用角度來看,插入力要小(從而有低插入力LIF和(hé)無插(chā)入力ZIF的結構),而分離力若太小,則(zé)會影(yǐng)響接觸的可靠性(xìng)。
連(lián)接器的機械(xiè)壽命實(shí)際上是一種耐久性指標,在國標GB5095中把它叫作(zuò)機械操作。它是(shì)以一(yī)次插入和一次拔(bá)出為一個循環,以在(zài)規定的插拔循環(huán)後連接器能否正常完成(chéng)其連接功能(如接觸電阻值)作為評判依據。連接器的(de)插拔力和機械壽命與接觸件結構(正壓力(lì)大小(xiǎo))接觸部位鍍層質量(liàng)(滑動摩擦係數)以及接觸件排列(liè)尺寸精度(對準度)有關(guān)。連接器接觸件的性能指(zhǐ)標有:
1)屈服強度又稱為降服強度,是材(cái)料屈服的臨(lín)界應力(lì)值。所(suǒ)謂屈服,是指達到一定的變形(xíng)應(yīng)力之後,金屬開始從彈性狀態非均勻(yún)的(de)向彈-塑性狀態過度,它標誌著宏觀(guān)塑性變形的開(kāi)始。屈(qū)服強度對連接器影響:選擇(zé)越(yuè)高屈服強度的金屬材料,端子(zǐ)的正向(xiàng)力越(yuè)大。
2)抗(kàng)拉強度。當材料屈服到一定程度後,由於內部晶粒重新排列,其抵抗變形能力又重新提高,此時變形雖然發展很快,但卻隻(zhī)能隨著應力的提高而提高,直至應力達最大值。此後,材料抵抗變形的能力(lì)明顯降低,並在最(zuì)薄弱處發生較大的塑性變形,此處試件(jiàn)截麵迅速縮小,出現頸縮現象,直至斷裂破壞(huài)。材料受拉斷裂前的最大應力值(b點(diǎn)對應值)稱為強度極限或抗拉強度。
3)伸(shēn)長率指金屬材料受外力(拉力)作用斷裂時,伸長的長度與原來長度的百分比。
4)硬度。材料(liào)局部抵抗(kàng)硬物(wù)壓入其表麵的能力稱為硬度。固(gù)體對外界物體入(rù)侵的(de)局部抵抗能力(lì),是比較各種材料軟硬(yìng)的指標。因連接(jiē)器所(suǒ)有金屬材(cái)料極薄,以維氏硬度(HV)測量(liàng)。維氏硬度(HV)以120kg以(yǐ)內的載荷和頂角(jiǎo)為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表麵,用材料壓痕(hén)凹坑(kēng)的表麵積除以載荷(hé)值,即為維(wéi)氏硬度值(HV)。硬度(dù)是連接器(qì)選材的一個重要參(cān)數。
5)R/T比。所謂R(radius)指折(shé)彎的內徑,T(thickness)指材料的厚度。如(rú)果想(xiǎng)要(yào)成型出來(lái)的產品內徑越(yuè)小,則必須選擇R/T比越小的材(cái)料。理論上(shàng)來說,如果R/T比等於(yú)零,即表示此材料的折彎表現極優,即使折彎的內R=0,也不會(huì)產生裂痕,但一(yī)般材料材質證明或(huò)特性表所顯示的都是90度折彎的數據,很少會顯示180度的折彎數(shù)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化還是個好處。
(2)電氣性能
1)接觸電阻高質量的電連接器應當具有低而穩定的接觸電阻,連接器的接觸電阻(zǔ)從(cóng)幾毫歐到數十毫歐不等。連(lián)接(jiē)器所用金屬材料一般為(wéi)合金材(cái)料,很少用到單一金屬材料,合金顧名思義就是(shì)有多種(zhǒng)金屬合成的物質,表(biǎo)明它有多種化學元素組成(chéng),比如:
①磷青銅:由銅Cu,錫Sn,磷(lín)P,鐵Fe,鉛Pb,鋅(xīn)Zn等組成,主要(yào)成分是銅。
②黃銅:由銅Cu,鐵Fe,鉛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,主要成分是鐵。
2)絕緣電阻衡量電連接器接(jiē)觸件之間和接觸件(jiàn)與外殼之間絕緣性能的指(zhǐ)標,其數量級為數百兆歐至數千兆歐不等。
3)抗電強度或稱(chēng)耐電壓、介質耐壓,是表征連接器接觸件之間(jiān)或接觸件與外殼之間耐(nài)受額定(dìng)試驗電壓的能(néng)力。
(3)環境(jìng)性能(néng)
1)耐溫(wēn)目前連(lián)接器的最高工作溫度為200℃(少數高溫特種連(lián)接器除(chú)外),最低溫度(dù)為-65℃。由於連接(jiē)器工作時,電流在接觸點處產生熱量(liàng),導致溫升(shēng),因此一般認為工作溫度應等於環境溫度與接點溫升之(zhī)和。在某些規範中,明確規定了連接器在額定工作電流下容(róng)許的最高升。
2)耐濕(shī)潮氣的侵入會影響連接h絕緣性能(néng),並(bìng)鏽(xiù)蝕金屬零件。恒(héng)定濕熱試驗條件為相對濕度90%~95%(依據產品規範,可達98%)、溫度+40±20℃,試(shì)驗時間按產品規定,最少為96小時。交變濕熱試驗則更嚴苛。
3)耐鹽霧連(lián)接器在含有潮氣和鹽分(fèn)的環境中工作時,其金屬結構件、接(jiē)觸(chù)件表麵處理層有(yǒu)可能產生電化腐蝕,影響連接器的物理和電氣性能。為了評(píng)價電連接器(qì)耐(nài)受這種環境的能力(lì),規(guī)定了鹽霧試驗。 它是將連接器(qì)懸掛在溫度受控的試驗箱內,用(yòng)規定濃度的(de)氯化鈉溶液用壓縮空(kōng)氣(qì)噴出,形成鹽(yán)霧大氣,其暴露時間由產品規範規定,至(zhì)少為48小時。
4)振動和衝擊耐振動(dòng)和(hé)衝擊是電(diàn)連接器的重要性能,在特殊的應用環境中如(rú)航空(kōng)和航天(tiān)、鐵路和公路運輸中尤為重要,它是檢驗電連接器機械結構的堅固性和電接(jiē)觸可靠性的重要指標(biāo)。在有關的(de)試驗方法中都有明(míng)確的規定。衝擊試驗中(zhōng)應(yīng)規(guī)定峰值加速(sù)度、持續時間和衝擊脈衝波形(xíng),以及電氣連(lián)續性中斷的時間。
5)其它環境性能根據使用(yòng)要求,電連接器的其它環(huán)境性能還有密封性(空氣泄漏(lòu)、液體壓力)、液體浸漬(對特定(dìng)液(yè)體的(de)耐惡習化能力)、低氣壓等。
3、連接器接觸對(duì)的接觸電(diàn)阻
連接器接觸對是指連接器的陽性接觸件和陰性接觸件相互接觸實現電連接的金屬(shǔ)元件,陽性接觸件和陰性接觸件在接觸區形成一(yī)個電阻,稱之為接觸電阻。接觸電(diàn)阻有以下(xià)幾部分組成:
1)集中電阻Rc。清潔的金屬表麵通過施(shī)加一定(dìng)的壓(yā)力(彈力)互相接觸在一起時(shí)形成的電阻Rc稱之為集中電阻,由於(yú)接觸區的接觸麵積很小,電流一到(dào)接觸(chù)區相互被壓縮在一起,使電流密度增加,此對產生(shēng)的電阻稱之為集(jí)中(zhōng)電阻。
當兩種金屬在彈性壓力下相互接觸時,由於金屬表麵並非理想的光滑表麵,其表麵粗糙度使得接(jiē)觸區並非是麵接觸,往往是一點或幾點接觸,在一定壓力作用下,高的波峰處首先被壓平,使得原來不接(jiē)觸的較低波峰處也(yě)產生接觸,亦即是說,壓力(lì)越大,參與接觸的點越多。
2)膜層電阻Rt。金(jīn)屬表麵由於吸附氣體或表麵產生氧化或磁(cí)化或受到吸附的氧化物的汙染而在(zài)表麵形成一層(céng)薄膜,這種薄膜(mó)往往是電的(de)不(bú)良導體,從而造成接觸電阻很高。這種薄膜在一定的壓力(lì),摩擦以(yǐ)及一定電(diàn)壓作用下碎裂,使(shǐ)得底層金屬互相接觸,產生隧道效應(yīng),故電阻Rt稱為隧道電阻(或稱膜層電阻)。
膜層電阻是影響接(jiē)觸電阻變大的主要因素,Rt一般占總接觸電阻的70%~80%,所以應給Rt以充分重視。為了降低膜層電阻的影響,接(jiē)觸元件(jiàn)表麵一般都要鍍複抗氧化性能強,化學穩定性好的貴金屬鍍層,以(yǐ)提高金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,但抗氧化和硫化性能很差,為此,幾采用鍍銀工藝的,表麵最好用觸點保護劑處理一下,以提高抗氧化和硫化性能。
3)金屬導體本(běn)身(shēn)的體積電阻Rb。不同材料(liào)的(de)體積(jī)電阻不同,體積電阻的(de)大小取決於合金的金相組織結構。當材料上附加一個電場時,其自由移(yí)動的電子雲在電場的作用下,加速向正極移動,移動越快,材料的導電率就越好(即電阻(zǔ)率越低(dī))而合金中的“雜質”或微量元素的存在,又引起電場的不均勻度。從而擴(kuò)大了電子運動的偏轉和反射量的增加。並增大了偏移量和反射量,這對材料的導電率產生了不利的影響(xiǎng)。不同合金材料,電阻率變化(huà)很大。
4、影響接觸電阻(zǔ)的因素
從使用的角度考(kǎo)慮,就接觸電阻本身而(ér)言,要(yào)求接觸電阻在較小的範圍內為(wéi)好。雖然說明了(le)接觸電(diàn)阻小一(yī)點為好,但也不(bú)是絕對的,因影響接觸對的接觸電阻(zǔ)大小的因素很多,其主要受接觸件材料、正壓力、表麵狀(zhuàng)態、使用電壓和電流等因素影響。
1)接觸件材料(liào)。電連接器技術條件對(duì)不同材質製作的同(tóng)規格插配接觸件,規定了不同的接觸電阻考核指標。如(rú)小圓形快(kuài)速分離耐環境電連接器總規範GJB101-86規定,直徑為1mm的插配接觸件(jiàn)接觸電阻,銅合(hé)金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。材料的(de)硬度及(jí)彈性性能同樣也影響到接觸電阻值。
一種彈性較差的金屬材料,其強度極限較(jiào)低,當它產生彈性(xìng)變形時,儲存的變形能較小,因而產生的接觸壓力較小。但長時間使用後,容易(yì)產生機械變形,應力逐漸釋放,從(cóng)而造成接觸(chù)對間的正壓(yā)力降低,使接觸性能變壞,因此要選擇彈性性能好(hǎo)的材料作為接觸件的彈(dàn)性元件為宜。
2)正壓力。接觸件的正壓力是指彼此接觸的(de)表麵產生並垂直於接(jiē)觸表麵的力(lì)。隨正壓力增加,接觸微(wēi)點數量及麵積也逐漸增加,同時接觸微點(diǎn)從彈性變形過(guò)渡到(dào)塑性變形。由於集中電阻(zǔ)逐漸減小,而使(shǐ)接(jiē)觸電阻降低。接觸正壓力主要取(qǔ)決於接觸件的幾何形狀(zhuàng)和材料性能。但事物(wù)往往是矛盾的對立統一,一對接觸對(duì)的(de)接觸正壓力增加,在一定範圍內其接觸(chù)電(diàn)阻會隨之降低,它基本呈二次曲(qǔ)線的關係。
當接觸壓力(lì)很小時,接觸電阻會急(jí)劇增大;當壓力大到一定程度時,接觸電阻減小值(zhí)很不明顯。如此時再繼續增加接(jiē)觸壓力,接觸電阻幾乎不減少。這時可能造(zào)成接觸表麵(miàn)磨損嚴重(chóng),既破壞了表麵鍍層,又由於磨損使表麵變得粗糙起來,反而減少了表麵接觸麵積(jī)。同表麵更易(yì)起化學反應,使接(jiē)觸電阻增大,逐步(bù)發展下去,就可能造成接觸失效。
3)表麵狀態(tài)。接觸件表麵一是由於塵埃、鬆(sōng)香、油汙等在接點表麵機械附著沉積形(xíng)成的較鬆散的表膜,這層表膜由於帶有微粒物(wù)質極易嵌藏在(zài)接觸表麵的微(wēi)觀凹坑處,使接觸麵積縮小,接觸電阻增大,且極不穩定。二(èr)是由於物理吸附及化學吸附所形(xíng)成的汙染膜(mó),對金屬表麵主要是化學吸附,它是在物理(lǐ)吸附後伴隨電子遷移而產生(shēng)的。
故對一些高可靠性要求的產品,如航天用電連接器必須要有潔淨的裝配生產環境條件(jiàn),完善(shàn)的清洗工藝及必要(yào)的結構密封措施,使(shǐ)用單(dān)位必須要(yào)有良(liáng)好的貯存和使用操作環境條(tiáo)件。如受環境影響也是一(yī)個重要因素,如H2S和SO2等氣體對金屬導體的影響,會使接觸表(biǎo)麵很(hěn)快生成硫化物和氧(yǎng)化物。如鍍銀件表麵生成黑色的硫化銀的不導電物質,將極大地增大接觸電阻值。
4)使用電(diàn)壓。使用電壓達到一定閾值,會使接觸件膜層被擊穿,而使接觸電阻迅速(sù)下降。但(dàn)由於熱效應加速了膜(mó)層附近區域的化學反應,對膜層有一定的(de)修複作用。於是阻值呈現非線性。在閾值電壓附(fù)近,電壓(yā)降的微小波(bō)動會引(yǐn)起電流可能二十倍或幾十倍範圍內變化。使接觸電阻發生很大變化,不了解這種非線性變化,就會在測試(shì)和使用接(jiē)觸件時產生錯誤。
5)電流。當電(diàn)流超過一定值時(shí),接觸件界麵(miàn)微小點處通電後產生的(de)焦耳熱作用而使金屬軟化或熔化,會對集(jí)中電阻產(chǎn)生影響,隨之(zhī)降低接觸電阻。
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