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浅析动力电池连接器性能及接触电阻

时间:2018-11-06 10:22来源:动力电池网 作者:周志敏
点击: 次

        1.概述
 
        动力电池连接器亦称作动力电池接插件、插头和插座，一般是指连接两个有源器件传输电流的器件。动力电池连接器的作用非常单纯：在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间，架起沟通的桥梁，从而使电流流通，使电路实现预定的功能。动力电池连接器形式和结构是千变万化的，随着应用对象、功率、应用环境等不同，有各种不同形式的连接器。
 
        动力电池连接器的安全、可靠运行是保证电动汽车动力系统正常运行的核心器件，动力电池连接器是电动汽车动力系统上不可或缺的一部分，动力电池连接器安全性、可靠性、环保的是动力电池连接器设计的要点。
 
        动力电池器连接器的基本结构件有接触件、绝缘体、外壳（视品种而定）、附件，而接触件是连接器完成电连接功能的核心零件。一般由阳性接触件和阴性接触件组成接触对，通过阴、阳接触件的插合完成电连接。阳性接触件为刚性零件，其形状为圆柱形（圆插针）、方柱形（方插针）或扁平形（插片），阳性接触件一般由黄铜、磷青铜制成。
        动力电池连接器至关重要
 
        阴性接触件是接触对的关键零件，它依靠弹性结构在与插针插合时发生弹性变形而产生弹性力与阳性接触件形成紧密接触，完成连接。阴性接触件的结构种类很多，有圆筒型（劈槽、缩口）、音叉型、悬臂梁型（纵向开槽）、折迭型（纵向开槽，9字形）、盒形（方插孔）以及双曲面线簧插孔等。
 
        动力电池连接器接触的可靠性与连接器接触对间的接触电阻大小有关，一般要求接触电阻越小越好，这样可减少接触电阻造成的功能损耗。并且也可减少接点发热，接点发热太高反而增加了接触电阻值。另外，过高的热量如散发不好就会使金属软化，加快了金属表面的氧化和磨损，使连接器的品质下降，严重的会使连接器塑壳软化变形，老化等。
 
        2、动力电池连接器的基本性能
 
        （1）机械性能
 
        机械性能就连接功能而言，插拔力是重要地机械性能。插拔力分为插入力和拔出力（拔出力亦称分离力），两者的要求是不同的。在有关标准中有最大插入力和最小分离力规定，这表明，从使用角度来看，插入力要小（从而有低插入力LIF和无插入力ZIF的结构），而分离力若太小，则会影响接触的可靠性。
 
连接器的机械寿命实际上是一种耐久性指标，在国标GB5095中把它叫作机械操作。它是以一次插入和一次拔出为一个循环，以在规定的插拔循环后连接器能否正常完成其连接功能（如接触电阻值）作为评判依据。连接器的插拔力和机械寿命与接触件结构（正压力大小）接触部位镀层质量（滑动摩擦系数）以及接触件排列尺寸精度（对准度）有关。连接器接触件的性能指标有：
 
        1）屈服强度又称为降服强度，是材料屈服的临界应力值。所谓屈服，是指达到一定的变形应力之后，金属开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过度，它标志着宏观塑性变形的开始。屈服强度对连接器影响：选择越高屈服强度的金属材料，端子的正向力越大。
 
        2）抗拉强度。当材料屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，材料抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。材料受拉断裂前的最大应力值（b点对应值）称为强度极限或抗拉强度。
 
        3）伸长率指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，伸长的长度与原来长度的百分比。
 
        4）硬度。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。因连接器所有金属材料极薄，以维氏硬度（HV）测量。维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）。硬度是连接器选材的一个重要参数。
        品类繁多的电池连接器
 
        5）R/T比。所谓R（radius）指折弯的内径，T（thickness）指材料的厚度。如果想要成型出来的产品内径越小，则必须选择R/T比越小的材料。理论上来说，如果R/T比等于零，即表示此材料的折弯表现极优，即使折弯的内R=0，也不会产生裂痕，但一般材料材质证明或特性表所显示的都是90度折弯的数据，很少会显示180度的折弯数据。当然，我们是希望R/T比越小越好，这对电池组连接器产品的微型化还是个好处。
 
        （2）电气性能
 
        1）接触电阻高质量的电连接器应当具有低而稳定的接触电阻，连接器的接触电阻从几毫欧到数十毫欧不等。连接器所用金属材料一般为合金材料，很少用到单一金属材料，合金顾名思义就是有多种金属合成的物质，表明它有多种化学元素组成，比如：
 
        ①磷青铜：由铜Cu，锡Sn，磷P，铁Fe，铅Pb，锌Zn等组成，主要成分是铜。
 
        ②黄铜：由铜Cu，铁Fe，铅Pb，锌Zn等组成，主要成分是铜。
 
        ③不锈钢：由铁Fe，铬Cr，镍Ni，碳C，硅Si，锰Mn，磷P，硫S，铝Al，钴Co，主要成分是铁。
 
        2）绝缘电阻衡量电连接器接触件之间和接触件与外壳之间绝缘性能的指标，其数量级为数百兆欧至数千兆欧不等。
 
        3）抗电强度或称耐电压、介质耐压，是表征连接器接触件之间或接触件与外壳之间耐受额定试验电压的能力。
 
        （3）环境性能
 
        1）耐温目前连接器的最高工作温度为200℃（少数高温特种连接器除外），最低温度为-65℃。由于连接器工作时，电流在接触点处产生热量，导致温升，因此一般认为工作温度应等于环境温度与接点温升之和。在某些规范中，明确规定了连接器在额定工作电流下容许的最高升。
 
        2）耐湿潮气的侵入会影响连接h绝缘性能，并锈蚀金属零件。恒定湿热试验条件为相对湿度90%～95%（依据产品规范，可达98%）、温度+40±20℃，试验时间按产品规定，最少为96小时。交变湿热试验则更严苛。
 
        3）耐盐雾连接器在含有潮气和盐分的环境中工作时，其金属结构件、接触件表面处理层有可能产生电化腐蚀，影响连接器的物理和电气性能。为了评价电连接器耐受这种环境的能力，规定了盐雾试验。 它是将连接器悬挂在温度受控的试验箱内，用规定浓度的氯化钠溶液用压缩空气喷出，形成盐雾大气，其暴露时间由产品规范规定，至少为48小时。
 
        4）振动和冲击耐振动和冲击是电连接器的重要性能，在特殊的应用环境中如航空和航天、铁路和公路运输中尤为重要，它是检验电连接器机械结构的坚固性和电接触可靠性的重要指标。在有关的试验方法中都有明确的规定。冲击试验中应规定峰值加速度、持续时间和冲击脉冲波形，以及电气连续性中断的时间。
 
        5）其它环境性能根据使用要求，电连接器的其它环境性能还有密封性（空气泄漏、液体压力）、液体浸渍（对特定液体的耐恶习化能力）、低气压等。
 
        3、连接器接触对的接触电阻
 
        连接器接触对是指连接器的阳性接触件和阴性接触件相互接触实现电连接的金属元件，阳性接触件和阴性接触件在接触区形成一个电阻，称之为接触电阻。接触电阻有以下几部分组成：
 
        1）集中电阻Rc。清洁的金属表面通过施加一定的压力（弹力）互相接触在一起时形成的电阻Rc称之为集中电阻，由于接触区的接触面积很小，电流一到接触区相互被压缩在一起，使电流密度增加，此对产生的电阻称之为集中电阻。
        接触电阻测试仪器
 
        当两种金属在弹性压力下相互接触时，由于金属表面并非理想的光滑表面，其表面粗糙度使得接触区并非是面接触，往往是一点或几点接触，在一定压力作用下，高的波峰处首先被压平，使得原来不接触的较低波峰处也产生接触，亦即是说，压力越大，参与接触的点越多。
 
        2）膜层电阻Rt。金属表面由于吸附气体或表面产生氧化或磁化或受到吸附的氧化物的污染而在表面形成一层薄膜，这种薄膜往往是电的不良导体，从而造成接触电阻很高。这种薄膜在一定的压力，摩擦以及一定电压作用下碎裂，使得底层金属互相接触，产生隧道效应，故电阻Rt称为隧道电阻（或称膜层电阻）。
 
        膜层电阻是影响接触电阻变大的主要因素，Rt一般占总接触电阻的70%～80%，所以应给Rt以充分重视。为了降低膜层电阻的影响，接触元件表面一般都要镀复抗氧化性能强，化学稳定性好的贵金属镀层，以提高金属元件的抗氧化性能。但有的贵金属，如银，其导电性能很好，但抗氧化和硫化性能很差，为此，几采用镀银工艺的，表面最好用触点保护剂处理一下，以提高抗氧化和硫化性能。
 
        3）金属导体本身的体积电阻Rb。不同材料的体积电阻不同，体积电阻的大小取决于合金的金相组织结构。当材料上附加一个电场时，其自由移动的电子云在电场的作用下，加速向正极移动，移动越快，材料的导电率就越好（即电阻率越低）而合金中的“杂质”或微量元素的存在，又引起电场的不均匀度。从而扩大了电子运动的偏转和反射量的增加。并增大了偏移量和反射量，这对材料的导电率产生了不利的影响。不同合金材料，电阻率变化很大。
 
        4、影响接触电阻的因素
 
        从使用的角度考虑，就接触电阻本身而言，要求接触电阻在较小的范围内为好。虽然说明了接触电阻小一点为好，但也不是绝对的，因影响接触对的接触电阻大小的因素很多，其主要受接触件材料、正压力、表面状态、使用电压和电流等因素影响。
 
        1）接触件材料。电连接器技术条件对不同材质制作的同规格插配接触件，规定了不同的接触电阻考核指标。如小圆形快速分离耐环境电连接器总规范GJB101-86规定，直径为1mm的插配接触件接触电阻，铜合金≤5mΩ,铁合金≤15mΩ。材料的硬度及弹性性能同样也影响到接触电阻值。
 
        一种弹性较差的金属材料，其强度极限较低，当它产生弹性变形时，储存的变形能较小，因而产生的接触压力较小。但长时间使用后，容易产生机械变形，应力逐渐释放，从而造成接触对间的正压力降低，使接触性能变坏，因此要选择弹性性能好的材料作为接触件的弹性元件为宜。
 
        2）正压力。接触件的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随正压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料性能。但事物往往是矛盾的对立统一，一对接触对的接触正压力增加，在一定范围内其接触电阻会随之降低，它基本呈二次曲线的关系。
 
        当接触压力很小时，接触电阻会急剧增大；当压力大到一定程度时，接触电阻减小值很不明显。如此时再继续增加接触压力，接触电阻几乎不减少。这时可能造成接触表面磨损严重，既破坏了表面镀层，又由于磨损使表面变得粗糙起来，反而减少了表面接触面积。同表面更易起化学反应，使接触电阻增大，逐步发展下去，就可能造成接触失效。
 
        3）表面状态。接触件表面一是由于尘埃、松香、油污等在接点表面机械附着沉积形成的较松散的表膜，这层表膜由于带有微粒物质极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处，使接触面积缩小，接触电阻增大，且极不稳定。二是由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜，对金属表面主要是化学吸附，它是在物理吸附后伴随电子迁移而产生的。
 
        故对一些高可靠性要求的产品，如航天用电连接器必须要有洁净的装配生产环境条件，完善的清洗工艺及必要的结构密封措施，使用单位必须要有良好的贮存和使用操作环境条件。如受环境影响也是一个重要因素，如H2S和SO2等气体对金属导体的影响，会使接触表面很快生成硫化物和氧化物。如镀银件表面生成黑色的硫化银的不导电物质，将极大地增大接触电阻值。
 
        4）使用电压。使用电压达到一定阈值，会使接触件膜层被击穿，而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了膜层附近区域的化学反应，对膜层有一定的修复作用。于是阻值呈现非线性。在阈值电压附近，电压降的微小波动会引起电流可能二十倍或几十倍范围内变化。使接触电阻发生很大变化，不了解这种非线性变化，就会在测试和使用接触件时产生错误。
 
        5）电流。当电流超过一定值时，接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热作用而使金属软化或熔化，会对集中电阻产生影响，随之降低接触电阻。

 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 动力电池 新能源车
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