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          發布時間:2020-05-11

          從特斯拉Model3的高壓電氣系統探討高壓連接器的發展趨勢

            轉自 轉自線束世界微信公眾號平臺      特邀作者 劉凌虛  
          前言:近日,因應《線束世界》周總編之約,談談高壓連接器的發展趨勢。與此同時,不少業內朋友也相繼談起特斯拉Model3的高壓連接器,于是老邁決定就從特斯拉Model3談起。在此特別聲明,文中所有觀點僅為本人興趣所至,有感而發,不代表任何企業、任何部門、任何機構,旨在交流技術,探討趨勢。


          特斯拉,在各種爭議聲中獨占鰲頭,無可置疑的成為世界電動汽車的標桿。Model 3的問世,更是把令人望塵莫及的電動跑車推到了普通大眾面前。而Model3在上海臨港的投產并交付,則讓國人真切感受到特斯拉已經來到了我們的身邊。人們可以體驗到百公里3.4s瞬間加速產生的超強震撼,可以享受到智能召喚、自動變道、車道保持、自動泊車的安全便捷,還可以領略到到8個攝像頭、12個雷達和12個超聲波傳感器等硬件系統的保駕護航,以及隨時隨地OTA空中升級的Autopilot自動駕駛軟件系統的先進智能。業內各大整車廠更是全面拆解,精研細究,4416顆21700電芯組成了當今世界能量密度最高的動力電池用于提供超長續航里程,一體化的PCS系統(Power Conversion System)把高壓配電、車載充電、直流轉換等功能以及BMS電池管理系統等電子模塊高度集成,驅動電橋則把動力電機、控制器和減速器等傳動系統集成于前后車橋上……在這充斥全車內外的各種創新技術中,終于有越來越多的業內人士關注到了那最容易忽視、又最不容忽視的高壓連接器。近段時間以來,接連不斷的收到來自主機廠、三電供應商以及線束廠等業界同仁的相關議題,老邁特撰此文,跟大家一起分享觀點,交流看法,探究趨勢。

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          No.1

          上圖No.1是Model3的高壓系統簡圖,這是一個非常精煉的高壓系統,平鋪在底盤上的動力電池③,動力電池后上方的PCS電源轉換系統,后驅電橋⑤,充電線束總成⑥,以及位于前部的空調壓縮機①和用于取暖的加熱器②。

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          No.2

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          No.3
                
          動力電池-電驅動之高壓連接器—— HC Stak 25
          從底盤上卸下車輛后橋驅動系統,首先躍入眼簾的,便是這橙色的高壓線束。這套高壓線束承載著把動力電池350V的直流電輸送到驅動系統的光榮使命,一端連接動力電池,另一端連接驅動電橋,線束兩端選用的連接器均為同一款:HC Stak 25這款連接器看似普通,但稍加留意即可發現其不同尋常之處。

          首先,體現在外型尺寸上。跟市面上相同電流等級Class4的主流高壓連接器放在一起,你會驚訝的發現:尺寸竟然小了三分之一還多!事實的確如此,HC Stak在相同電流等級的連接器中以最嬌小的身軀為特斯拉高度集成的電氣系統的布局最大限度地節約了空間。

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          No.4

          我們不禁疑問,HC Stak這魔鬼的身材究竟是如何煉成的呢?經過進一步拆解之后便不難發現,關鍵因素在于連接器核心零件 - 端子的獨特設計。傳統連接器通常線束端是方形端子或圓形端子,插座端為片狀端子或者圓柱形端子,而這款HC Stak的線束端端子竟然是銅板,它的插座端更是令人匪夷所思!

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          No.5

          通過No.5的圖示,我們可以清楚的看到,插座端的兩組端子分別由20片叫做DEFCON的端子疊加而成,英文全稱Double-Ended Fork Contact,雙端刀叉型端子。沒錯,就是疊加,就是這么簡簡單單、整整齊齊的碼在一起,安裝在中間白色的塑殼當中(實際并非白色而是塑料粒子的本色)。這看似簡單的白色塑殼卻蘊藏了工程師的奇思妙想,既對端子起到固定作用,又在端子和金屬屏蔽之間起到絕緣作用,另外還有一層更重要的作用,那就是防止手指觸碰的安全保護作用。根據國際電工標準IEC60529/IP2XB,手指防護涉及生命安全,必須嚴格執行安全標準。

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          No.6

          正是這2.5mm厚的銅板和這20片DEFCON端子,組成了端子世界中的最佳伴侶。

          正是這20片DEFCON端子的松散疊加和自由活動,把實際應用中可能發生的偏移或者扭轉以及振動所造成的影響降到了最低,確保了多達64個接觸點的最佳接觸性能,遠遠高于最多30個接觸點的同級別連接器。

          正是這獨具匠心的端子組合,接上50mm2的銅線,可以達到260A@85℃持續電流的載流能力,突破了Class4連接器200A@85℃左右的持續電流,跨越到Class5連接器的能力級別。

          正是這樣的端子組合,配上耐磨抗拉的塑料件,屏蔽效能高、接觸阻抗低的屏蔽環,以及壓變特性好、拉伸強度高、耐高溫抗老化的硅膠密封圈,再加上設計精巧的CPA、HVIL、Lever等等附屬零件,造就了這款卓爾不群的高壓連接器HC Stak 25,源源不斷地支持著特斯拉最大功率239kW的驅動電機強勁可靠的動力輸出。

          老邁忍不住驚嘆于這小小連接器竟然可以如此創新,忍不住向那些平凡之中見偉大、細微之處見品質的工程師們致以崇高的敬意!

          直流快充-動力電池之高壓連接器—— HC Stak 35
          讓我們把目光轉向車輛后部的充電線束吧。沿著充電插座,我們可以看到兩條又長又粗的橙色電纜一直延伸到動力電池,這是外部電網給動力電池充電的高壓線束和連接器。

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          No.7

          位于電池一端的高壓連接器,跟電驅動與電池之間的HC Stak 25同屬一個家族,但是略高一個電流等級Class5,型號HC Stak 35。這是DEFCON端子的又一大亮點:強大的擴展性——通過增加或減少刀叉型端子的片數便可輕而易舉的實現載流能力的提升或降低。HCStak 35的端子恰恰就是通過3.5mm厚的銅板結合32片刀叉型端子,同時匹配95平方的高壓屏蔽線,從而達到330A@85℃的載流能力,強力支持特斯拉Model3 充電30分鐘增加274公里的續航里程。

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          No.8

          高壓連接器匹配線纜 —— 鋁導線
          除了HC Stak 35連接器,引人注目的還有與之相連的兩根橙色大線。而隱藏在這耐溫超過180℃的塑膠表皮里面的,是被銅網和鋁箔屏蔽著的鋁導線。沒錯,就是鋁導線!HC Stak家族的高壓連接器既可以匹配銅導線,還可以匹配鋁導線,而相同線徑的導線所配接插件均可直接共用。提到鋁導線,大家并不陌生,因為近十年來鋁導線在傳統汽車上已經得到廣泛應用,但把鋁導線成功應用在電動汽車高壓系統的,卻是寥若晨星。這里要提到兩個基本常識:鋁的密度是銅的三分之一(2.7kg/m3 Vs 8.9 kg/m3),鋁導線代替銅導線可以大大減輕重量;鋁材比銅材便宜超過一半以上,鋁導線代替銅導線可以大大節約成本。面對這眾所周知的優勢和顯而易見的利益,為什么絕大多數電動車設計者都只是側目而視但卻躊躇不前呢?

          老邁經過進一步調查發現,鋁導線取代銅導線應用于電動汽車高壓系統,總結起來尚有如下六大疑團在人們心中揮之不去:

          首先是最核心的電氣性能,鋁的電導率只有銅的60%,直接影響到導線的載流能力。

          這里的電導率是兩種金屬的電氣特性,具體到我們實際應用的導線,大家都知道,橫截面積越大載流能力就越強。因此通過增加線徑即可提升鋁導線的載流能力,比如要求通過同樣大小的持續電流,50平方的銅線,可以使用70平方的鋁線等量替換,即便如此,重量依然可以減輕45%左右,成本可以節約一半以上。美國USCAR推薦了一份兩種導線等量替換的對照表,在此僅截取部分作為參考。

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          No.9

          第二是鋁的抗拉強度只有銅的64%,直接影響到實際應用中的機械性能。

          事實上,鋁的抗拉強度可以通過金屬熱處理工藝得到提升,在此基礎上還可以通過增加不同比例的鐵、硅、銅、鋅等成分來進一步加強,從而達到跟銅完全相同的抗拉強度。

          關于鋁導線(包括屏蔽和非屏蔽),行業標準機構早已制定出完善的相關標準,國際標準委員會發布的ISO6722-2和ISO19642-2,歐洲AK Group發布的LV112-2 和LV216-2等都是針對車用鋁導線的標準規范(參考下圖No.10部分標準)。Aptiv、General Cable、Leoni、Coroplast、Sumitomo、LS、和G&G等業內的線纜/線束供應商已經開發出了成熟量產的鋁導線產品,可以完全滿足電動汽車對電氣性能、機械性能以及環境性能的要求。

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          No.10

          接下來的四個疑慮是鋁和銅的性能差異引發的鋁導線跟銅端子結合后的負面影響。
          第三,  關于膨脹系數,鋁的膨脹系數是23.5,銅是16.6。在反復熱循環之后,鋁導線和銅端子的結合界面將會產生空隙,導致阻抗增加,進而在實際工作中造成溫升過高。

          第四,  銅和鋁分屬兩種不同的活性金屬,一起結合會因原電池效應而發生化學腐蝕。

          第五,  隨著時間的推移,鋁線會有應力松弛和發生蠕變的風險。這種現象同樣會導致鋁導線跟銅端子之間接觸變差,導致阻抗增大,進而溫升過高。

          第六,  鋁導線表面極易形成氧化鋁薄膜,這層薄膜還有一定的絕緣作用,跟銅端子結合面的接觸性能可能會受到影響。

          鋁導線-銅端子之連接工藝—— 超聲波焊接
          解決以上四個問題,只需一臺qualified的超聲波焊接機。超聲波金屬焊接的原理是,利用超聲頻率(20-40kHz)的振動能量將振動波傳遞到兩個需要焊接的金屬物體表面,在靜壓力之下,使兩個金屬表面相互摩擦,從而形成分子層之間的融合。目前市面上比較優質的超聲波焊接機品牌有Sonobond、Telsonic和Branson(Emerson)等等。美國汽車工程師學會和美國汽車調查委員會聯合發布的最具權威的焊接標準SAE/USCAR-38,對汽車線纜和端子之間的超聲波焊接工藝進行了全面的定義,為行業規范提供了重要參考。

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          No.11
          這是一種沒有電流、不需加熱、母材不發生熔化的固態焊接。在0.5秒的極速時間之內,鋁導線和銅端子穿破表面,晶格重組,焊接之后幾乎等同于銅鋁合金。而在最外面,鋁導線的表面自然形成致密的氧化物保護膜,銅端子表面具有一定厚度的銀鍍層作為保護層,都不易受到腐蝕。下面的兩項基本測試足以證明其可靠性:
          1. 在高溫高濕的環境中(85℃@85%Rh),連續帶載測試1000小時,沒有任何腐蝕發生,且電氣性能保持正常。
          2. 老化測試結束時,從鋁導線經過焊接部位一直到板端銅排,全程接觸電阻小于等于LV215標準定義的0.24mΩ。
           
          行文至此,一套完整的高壓線束解決方案完美呈現!刀叉端子配以嬌小玲瓏的連接器,輕裝上陣又物美價廉的鋁導線,高頻高速又適合自動化生產的超聲波焊接機,以及精密可靠的焊接工藝,這一整套方案的每一個環節無不凝聚著工程師們的智慧和心血,再次致敬特斯拉、泰科電子以及致力于技術革新的那些工程師們,是他們的大膽嘗試,他們的開拓創新,他們的精益求精,在引領著科技進步,推動著行業發展,改變著人類體驗……

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          No.12
           
          高壓連接器的發展趨勢
          那么,特斯拉Model3的獨特應用是否正在引領著行業潮流、代表著未來趨勢呢?Not Really!放眼全球,且看眾多挑戰者爭相上市的電動車型,美系如通用Volt,福特Mustang Mach-E,日系如本田Urban EV,日產Leaf,歐系如寶馬i3s,戴姆勒F-Cell,奧迪Elaine,沃爾沃Polestar,以及捷豹I-PACE等等,這些電動汽車上的高壓連接器,有的繼續延用當前主流的AK Class4 360°全屏蔽、壓銅線,有的另辟蹊徑,開創性的采用非屏蔽、壓銅線,有的緊跟特斯拉采用全屏蔽、焊鋁線。因此,哪種高壓連接器將是未來的趨勢,當下還難以分辨,但可以確定的是,在百花齊放、百家爭鳴的全球化時代,電動汽車整車系統架構日新月異,應用的高壓連接器也在隨之不斷的更新換代,安全、可靠、尺寸小、成本少一定是行業所需,有利于線束的自動化組裝,有利于整車的自動化安裝,也將是大勢所趨,就讓我們拭目以待吧!



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