1、电动汽车斜圈环簧直流充电接口的性能分析 陈俊明 夏建华 秦刚 芦娜 北京邮电大学自动化学院 四川瑞可达连接系统有限公司 摘 要： 电动汽车近年来发展迅速, 其配套的充电桩和充电接口的设计要求越来越高。连接器接触形式多种多样, 市面上常见的电动汽车充电接口是斜圈环簧接触形式, 它有较小的接触电阻。电动汽车斜圈环簧直流充电接口在大电流工况下, 要求温升不能过高, 而接触件之间的接触正压力对接触电阻的作用效果是最明显的。本文主要从理论分析、有限元分析与试验测试等方面着手, 对该结构的接触性能及热电性能进行深入的研究。最后通过数据分析, 对斜圈环簧充电接口结构进行评估。关键词： 斜圈环簧; 充电接口;
2、 接触力; 有限元; 温升; 收稿日期：2017-10-20The Property Analysis of Annular Canted Spring Used in DC Charging Coupler of Electric VehicleChen Junming Xia Jianhua Qin Gang Lu Na Beijing University of Posts and Telecommunications; Sichuan Ruikeda Connection System Co.Ltd.; Abstract： The design requirements of char
3、ge pile and charge coupler are needed higher while electric vehicles have developed rapidly in recent years. Annularcanted spring isused prevalently in electric vehicle charge couplerwith connector contact forms, which has smaller contact resistance. The DC charge coupler of annularcanted spring in
4、electric vehicle requires that the temperature rise is not too high under large current condition, and the effect of contact force on contact resistance is the most obvious. In this paper, the contact property and thermal-electric property of the structure is deeply studied through the aspects of th
5、eoretical analysis, Finite Element Analysis and experimentation. Finally, annular canted spring charge coupleris evaluated with the analysis of the data.Keyword： annular canted spring; charging coupler; contact force; FEA; temperaturerise; Received： 2017-10-201 引言由于能源和环保的压力, 电动汽车的发展成为了汽车工业发展的必然趋势1。电
6、动汽车能源供给系统是目前企业研发的重点, 国内外企业都致力于供电充电技术的研究2,3。我国在电动汽车领域具有一定的优势, 但是与发达国家相比存在许多不足4, 表现为缺乏相关规范研究, 集成技术也有待突破。电动汽车的供电配件若要跟上发展的脚步, 其充电接口技术是尤为关键5。电动汽车充电接口的主要问题之一是电流通过导体自身的体积电阻和接触部的接触电阻而产生的焦耳热积聚使充电接口产生温升6。过高的温升会使弹簧的弹性下降, 引起接触对的接触不良, 同时, 高温也会使得绝缘材料软化或加速物理、化学变化的过程, 使得其绝缘性能下降, 甚至可能产生电击穿或短路的现象7。为了避免过高温升带来的不良后果, 必须
7、准确预计出电连接器的温升, 以保证在最严酷的使用环境下不会产生电性能失效的现象。目前, 电动汽车传导式充电主要采用两种方式:直流充电 (DC) 和交流充电 (AC) 8。电动汽车充电标准中指出:直流充电接口在正常工作时的电流为 125/250A, 充电插头和充电插座端子的温升不超过 50K;对于直流充电接口, 供电插头插入和拔出供电插座、车辆插头插入和拔出车辆插座的插拔力均应小于 140N9。电动汽车充电接口的温升不能过高, 其就要有足够小的接触电阻。由电接触理论可知, 较小的接触电阻需要较大的接触力, 但过大的接触力会导致接触材料的塑性变形或蠕变, 也会使插拔力过大, 影响充电接口的使用寿命
8、。因此, 对于电动汽车斜圈环簧连接器的接触力以及端子温升的研究尤为重要。2 斜圈环簧连接器电动汽车常用的直流充电接口是斜圈弹簧结构, 其由插针、斜圈环簧、插孔体以及支架卡圈组成。斜圈环簧连接器参见图 1、图 2。斜圈环簧是该连接器中的关键部件, 它由直径为 0.3mm 的簧丝环绕 58 圈而成, 其倾角为 60 (见图 3) , 斜圈环簧内部的支架卡圈将其压紧于插孔体斜槽内。斜圈环簧连接器的优点:其采用有效圈数为 58 圈的结构, 插针插入插孔体时, 插针与每个环簧有 58 个接触点, 插针承受圆周 58 圈环簧的挤压, 接触牢靠;插孔体与每圈弹簧有 116 个接触点, 应力分散且电流通路较多
9、。图 1 斜圈弹簧连接器 下载原图图 2 斜圈环簧及装配图 下载原图图 3 斜圈环簧 下载原图斜圈环簧充电接口正常工作过程:插针插入前, 环簧外圈受到插孔体的径向挤压, 环簧沿径向向内压缩, 此时, 斜圈环簧存在一定的预应力, 同时插孔体的斜槽约束斜圈环簧的轴向位移;插针插入斜圈环簧和插孔体的装配体中, 环簧内圈被撑开并反作用于插针形成接触 (见图 4) 。斜圈弹簧的材料采用普遍使用的铍青铜 QBe2.0, 其在充分时效的状况下, 电导率最低为 22%IACS。该合金对升温过程中的应力松弛也具有一定的抵抗力, 比传统铜的密度低, 但其弹性模量比特定的铜合金高 10%20%。其最高抗拉强度可超过
10、 1400MPa, 硬度约为洛氏硬度 45HRC, 达到了铜基合金加工材的最高强度及硬度10。不错的强度、弹性等属性使该合金成为各工业应用领域、高可靠性仪表小型化所必不可少的独特材料。图 4 斜圈环簧充电接口预压缩及装配模型 下载原图表 1 T2 与 QBe2.0 的材料属性表 下载原表 插针和插孔体的材料采用紫铜 T2, 它是阴极重铸铜, 具有高的导电、导热性, 良好的耐腐蚀性和加工性能。QBe2.0 与 T2 的材料属性见表 1。3 斜圈环簧接口接触力的理论分析3.1 莫尔定理的接触力分析单圈弹簧的轴线方程如下其中, t 为与 x 轴夹角, d 为基圆直径, 为弹簧相对的基圆倾角, P 为
11、弹簧节距。图 5 单圈弹簧模型与受力分析示意图 下载原图如图 5 (b) 所示, O 为基圆圆心, A、C 为弹簧外圈两个端点, 内圈端点 B 受到一个工作时的压力 F, 弹簧外圈两个端面受到球铰约束, 产生支反力 F1和 F2, 对单圈弹簧做受力分析如下。竖直方向上平衡方程:A 点处的力矩平衡方程:联立方程组 1.1 与 1.2 得:由莫尔定理11, 可得:式中, S 是线位移, 即变形量, M (x) 、 分别是原始载荷与预加单位载荷作用下截面的弯矩, T (x) 、 分别是原始载荷与预加单位载荷作用下截面的扭矩, E 为弹性模量, G 为切线模量, I z惯性矩, I p为极惯性矩。因为
12、弹簧长度与簧丝半径的比值大于 4, 所以剪切力和拉压力产生的变形较小, 影响可忽略不计。将弹簧分为 AB 与 BC 两段进行分析, 分别将 A 点与 C 点受力通过基圆圆心和弹簧相对基圆转角 转移至簧丝横截面处, 得到横截面处剪力与扭矩方程, 设AB 段与 BC 段的变形分为 S 1和 S 2, 则弹簧变形值为 , 利用莫尔定理求变形 S:其中根据式 (1.6) 、 (1.7) 求出变形 S, 由柔度 c=S/F, 可以得到柔度 c, 柔度的倒数即为刚度 k, 从而求出弹簧的刚度。联立上列各式, 求得, 由柔度与刚度的关系式可以求出斜圈环簧的刚度, 设弹簧的径向变形量为 , 弹簧的受力与位移的
13、关系式:根据式 (1.11) , 当给出一个位移 , 可以求出对应的 F, 从而可以得到斜圈环簧的力与位移的变化曲线。斜圈环簧正常工作时的径向变形量为 0.27mm, 即=0.27mm 时, F=1.09N 为欲求的接触力。3.2 斜圈环簧的温升分析电连接器的温升是指在某一环境条件下, 在接触件施加额定电压或额定电流而发热并达到热平衡时, 其内部最热点温度与环境温度之差。电动汽车直流充电接口通电流后成为热源, 根据焦耳定律有:其中 是热流量, 单位是 W;I 是通过导体电流, 单位为 A;R 为导体电阻, 单位为 。连接器电阻包括导体自身的体积电阻和导体间的接触电阻, 由经验公式 2.2 和2
14、.3 求得其中 是电阻率;l 是导体长度;S 是导体面积。式中, R c为接触电阻, m;F 为接触压力, N;m 为与接触形式、压力范围和实际接触点的数目等因素有关的指数点接触取 m=0.5;kj为与接触材料、表面状况等有关的系数, 表面未氧化的 Cu-Cu 接触取值为 0.080.14。连接器端子表面与空气进行对流换热, 传热过程无风扇等外力推动, 是稳态自然对流换热。对流换热的基本计算公式是牛顿换热方程式中 h 为对流换热系数;A 为与流体接触的壁面积;t w为固体表面温度;t f为流体温度。将式 2.1、2.2、2.3 所得结果带入牛顿换热方程中, 环境温度为 20的情况下通过 250
15、A 的电流, 经过计算 tw=42.3, 则温升为 22.3。4 斜圈环簧的有限元仿真分析4.1 斜圈环簧的接触力分析斜圈环形弹簧的有限元模型如图 5 所示, 斜圈环形弹簧全模共 58 圈, 是中心对称结构, 且每圈的受力和变形量都相同。考虑到边界效应的情况, 对 6 圈弹簧进行有限元仿真分析 (见图 6a) 。斜圈环簧的簧丝扭转曲率较大, 网格划分时采用高级网格划分方法中的曲率类控制方法, 并采用四面体的网格划分方法, 其网格划分见图 6 (b) 。图 6 仿真分析模型与网格划分示意图 下载原图通过对斜圈弹簧变形过程进行分析后, 分别对弹簧内侧的各点施加位移约束, 插孔体施加固定约束。有限元
16、仿真结果中, 斜圈环簧的应力云图与应变云图分别如图 7 所示。图 7 斜圈环簧的应力与应变云图 下载原图由斜圈环簧的应力云图得到, 每圈弹簧的最大应力点均出现在短半圈弹簧的内侧根部, 其平均最大应力为 865.58MPa, 小于铍青铜的屈服强度, 环簧内圈与插针的单圈接触力为 1.05N, 所以单个斜圈环簧与插针之间的分离力为 7.31N。4.2 斜圈环簧的温升分析插孔与插针在进行配合通电时, 插针与插孔本身就会产生焦耳热。本论文使用ANSYS Workbench 中的热电仿真模块对电动汽车直流充电接口进行温升分析。由于 ANSYS 软件自身的三维建模功能相对于专业的三维建模软件较差, 有限元
17、分析模型使用 Pro/E 建立, 然后通过 ANSYS 自带的软件接口, 将三维模型导入进行有限元分析。仿真模型见图 8。图 8 热电仿真模型 下载原图图 9 网格划分示意图 下载原图模型所施加的载荷主要包括接触件的生热率、连接器表面的对流换热系数、热辐射以及 250A 的电流。由于对流换热系数的影响因素较多, 在本文中连接器表面对流换热系数按照空气自由对流换热系数取值。电动汽车斜圈环簧直流充电接口的温度分布云图见图 10。图 1 0 温度分布云图 下载原图环境温度为 22时, 整个结构的最低温升为 25.95, 最高温升为 26.40。5 斜圈环簧直流充电接口性能试验通常情况下, 接触件之间
18、的接触正压力对接触电阻的作用效果是最明显的, 接触压力是很难去通过试验得到的12, 一般会选取接触件之间的分离力来进行试验与测量。接触件之间的分离力是指插针在拔出插孔的过程中, 为了克服接触件之间的弹性接触所产生的阻力所需要的力。分离力即是接触件之间的摩擦力。插拔试验采用全自动插拔力试验机, 在温度为 25、湿度为 55%RH 的环境下进行插拔试验和静态温升试验, 试验图片如图 11 所示。本试验方案依据标准 US-CAR-2-2013。图 1 1 性能试验测试图片 下载原图试验时分别对接口插拔 2000、4000、6000、8000、10000 次后的分离力进行测试, 试验数据见表 2, 变
19、化趋势图见图 12, 静态稳升试验数据见表 3。表 2 斜圈环簧分离力试验数据表 下载原表 图 1 2 分离力与插拔次数关系图 下载原图表 3 斜圈环簧温升试验数据表 下载原表 由表 2、3 与图 12 得:随着插拔次数的增加, 斜圈环簧接口的分离力由于磨损等原因逐渐减小, 当插拔 10000 次之后, 分离力是插拔 0 次的 72.96%, 符合分离力与插拔次数的设计要求;温升值随通电时间的增长逐渐持平, 并小于设计值。6 分析通过理论分析、有限元仿真以及性能试验后, 得到的斜圈环簧单圈接触力以及整体温升的结果都相差不大, 具体数据见表 4。表 4 接触力与分离力数据汇总表 下载原表 理论分
20、析本身是经验值的数值表现, 并且本结构中莫尔公式所用到的角度在弹簧的变形过程中是不断变化的, 即弹簧在变形过程中的刚度会发生细微的变化, 需要不断修正。温升的理论计算是经验公式, 本身会存在一定的误差, 另外对流系数的选择也会影响理论计算与仿真分析的准确性。7 结束语本论文通过理论分析、仿真分析与试验测试等方法对电动汽车斜圈环簧直流充电接口的接触性能进行研究, 得到了斜圈环簧充电接口的应力分布与最大应力、接触力、仿真温升以及试验分离力和温升, 对其进行对比分析后满足电动汽车充电标准的要求, 也为模型较复杂的连接器分析提供了研究方法。参考文献1孙逢春.电动汽车发展现状及趋势:科学中国人, 201
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