動(dòng)力電(diàn)池連(lián)接器亦稱作動力電池接插件、插頭和(hé)插(chā)座,一般是(shì)指連接兩個有源器件傳輸電流(liú)的器件。動力電(diàn)池連接器的作用非常單純:在電路內被阻斷處或(huò)孤立不通的電路之間,架起溝通的橋梁,從而使電流流通,使(shǐ)電路實現預定的功(gōng)能。動力電池連接(jiē)器形式(shì)和結(jié)構是千變萬化的,隨著應用對象、功(gōng)率、應用環境等不同,有各種不同形式的連(lián)接器。
動力電(diàn)池連接器(qì)的安全、可靠運行是保證電動汽車動力係統(tǒng)正常運行(háng)的(de)核心器件,動力電池連接器是電動汽車動力係統上不可或(huò)缺的一部分(fèn),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本結構件有接觸(chù)件、絕緣體、外殼(視品種而定)、附件,而接觸件是連(lián)接器完成電連接功能的(de)核心零件。一(yī)般(bān)由陽性接觸件和陰性接觸件組成接觸對,通過陰、陽接觸(chù)件的插(chā)合完(wán)成電連接。陽性接觸(chù)件為剛性零件(jiàn),其形狀為圓柱形(圓插針)、方柱形(方插針)或扁平形(插片),陽性接觸(chù)件一般由黃銅、磷青銅製成。
動力電池連接器至關重要(yào)
陰性接觸件是(shì)接(jiē)觸(chù)對的關鍵零件,它依靠彈性結構在(zài)與插針插合時發生彈性變形而產生彈性(xìng)力與陽性接觸件形成緊密接觸,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(方插孔)以及雙(shuāng)曲麵線簧插孔等。
動力電池連接器接觸的可靠性(xìng)與連(lián)接器接觸對間的接觸電阻大小有關,一般要求接觸電阻越小越好,這樣(yàng)可減少接觸(chù)電阻造成(chéng)的功能損耗。並且也可減少接點發熱(rè),接點發熱太高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屬軟化,加快了金(jīn)屬表麵的氧化和磨損,使連接器(qì)的(de)品質下降(jiàng),嚴重的(de)會使連接(jiē)器塑殼軟化(huà)變形,老(lǎo)化等。
2、動力電池連接器(qì)的基本性能(néng)
(1)機械性能
機械性能就連接(jiē)功能而言,插拔力是重要地機械性(xìng)能。插拔力分為插入(rù)力和拔出力(拔出力亦稱分離力),兩者的要求是(shì)不同的。在有關標準中有最大插(chā)入力和最小分離力規定,這表明,從使用角度來看,插(chā)入力要小(xiǎo)(從而有低插入力LIF和無插入力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際上是(shì)一種耐久性指標,在國標GB5095中把它叫作(zuò)機械(xiè)操作。它是以一(yī)次插入和一次拔出為一個循環,以在規定的插拔循環後連接(jiē)器能否正(zhèng)常完成其連接功能(néng)(如(rú)接(jiē)觸電阻(zǔ)值)作為評判(pàn)依據。連接器的插拔力和機械壽(shòu)命與接觸件結(jié)構(正壓力大小)接觸部(bù)位鍍層質量(滑動(dòng)摩擦係數)以及接(jiē)觸件排列尺(chǐ)寸精度(對準度)有關。連接器接觸件的性能指標有:
1)屈服強度又稱為降服強度,是材料屈服的臨界應力值(zhí)。所謂(wèi)屈服,是指達到一(yī)定的變形應力之後,金屬(shǔ)開始從彈性(xìng)狀態非均勻的向彈-塑(sù)性狀(zhuàng)態過(guò)度,它標誌著宏觀塑性變(biàn)形的開始。屈服強度對連接器影響:選擇越高屈服強度的金屬材料,端子的正向力越大。
2)抗拉強度。當材料(liào)屈服到一定程度後,由於內部晶粒重新(xīn)排列,其抵抗變形能力(lì)又重新提高,此時變形雖然發展很快,但卻隻能隨著應力的(de)提高而提高,直至應力達最大值。此後,材料抵抗變形的能力明顯降低,並在最薄弱處發生較大(dà)的塑性變形,此處試件截麵迅(xùn)速縮小,出現頸縮現象,直至斷裂(liè)破壞。材料受拉斷裂前的最大應力值(b點對(duì)應值)稱為強度(dù)極限(xiàn)或抗拉強度。
3)伸長率指金屬材料受外力(拉力(lì))作用斷(duàn)裂時,伸長的長度(dù)與原來長度(dù)的百分比。
4)硬度。材料局部抵抗硬物壓入其表麵的能力(lì)稱為硬度。固體(tǐ)對外界物(wù)體入侵(qīn)的局部抵抗能力,是比較各種材料軟硬(yìng)的指標。因連接器所有金屬材料極薄,以維氏硬度(HV)測量。維氏硬(yìng)度(HV)以120kg以內(nèi)的載荷和(hé)頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表麵,用材料壓痕凹坑的表麵積除以載荷值,即為維氏硬(yìng)度(dù)值(zhí)(HV)。硬度是連接器選材(cái)的一個重要參數。
5)R/T比。所謂R(radius)指折彎的內徑,T(thickness)指材料的厚度。如果想(xiǎng)要成型出來的產品(pǐn)內徑越小,則必須選擇R/T比越小的材料。理論上來說,如果R/T比等於零,即表示此材料(liào)的折彎表現(xiàn)極優,即使折彎(wān)的內R=0,也不會產生裂(liè)痕,但(dàn)一般材料材質證明或特性表所顯示的都是90度折彎的數據,很少會顯示(shì)180度的折(shé)彎(wān)數據。當然,我們是希(xī)望R/T比(bǐ)越小越(yuè)好,這對(duì)電池組連接器產品的微型化還是(shì)個好處。
(2)電氣性能(néng)
1)接觸電阻高(gāo)質量的電連接器應當具有低而(ér)穩定的接觸電阻,連接器的接觸電阻從幾毫歐到數十毫歐不等(děng)。連接器所用金屬材料一般為合(hé)金材料,很少(shǎo)用到單一金屬材料,合金顧名思義就是有(yǒu)多種金屬(shǔ)合成的物質,表明它有(yǒu)多種化(huà)學元素組成,比如:
①磷青銅:由銅Cu,錫Sn,磷P,鐵Fe,鉛Pb,鋅Zn等組成,主(zhǔ)要成分(fèn)是銅。
②黃銅:由銅Cu,鐵Fe,鉛Pb,鋅Zn等組成,主要(yào)成分是銅。
③不鏽鋼:由鐵Fe,鉻Cr,鎳Ni,碳C,矽Si,錳Mn,磷(lín)P,硫S,鋁Al,鈷Co,主要成分是鐵。
2)絕緣電阻衡量電連(lián)接(jiē)器接觸件之間和接觸件與外殼之間絕緣性能的指標,其數量級為數百兆歐(ōu)至數千兆歐不等。
3)抗電強度(dù)或稱耐(nài)電壓、介質耐壓,是表征連接器接(jiē)觸件之間(jiān)或接觸件與外殼之間耐受額定試驗電壓的能力(lì)。
(3)環境性(xìng)能
1)耐溫目前連接器(qì)的最(zuì)高(gāo)工作溫度為200℃(少數高溫特種(zhǒng)連接器除外),最低溫度為-65℃。由於連接器工作時(shí),電流在接觸點處產生熱量,導致(zhì)溫升,因此一般認為工作溫度應(yīng)等於環境溫度與接點溫(wēn)升之和。在某些規範中,明確規定了連接器在額(é)定工作電流下容許的最高升。
2)耐濕潮氣的(de)侵入會影響連接(jiē)h絕緣性能,並鏽蝕金屬(shǔ)零件。恒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℃,試驗(yàn)時(shí)間按產品規定,最少為96小時。交變濕熱試驗則更(gèng)嚴苛。
3)耐鹽霧連接器在含有潮氣和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(kě)能(néng)產生電化腐蝕(shí),影(yǐng)響連接器的物理和電氣性能。為了評價電連接器耐受這種環境的能力,規(guī)定了鹽霧試驗。 它是將連接器懸(xuán)掛在溫度受控的試驗箱內,用規定濃度的氯化鈉溶液用壓縮空氣噴(pēn)出,形(xíng)成鹽霧大氣,其暴露時間由產品規範規定,至少為48小時。
4)振動和衝擊耐振動和衝擊是電連接(jiē)器的重要性能,在特殊的應用環境中如航空和航天、鐵路和公路運輸(shū)中尤(yóu)為重要,它是檢驗電連(lián)接器機(jī)械結構(gòu)的堅固性和電接觸可靠性的重要指標。在有關的試驗(yàn)方法中都有明確的規(guī)定。衝擊試驗中(zhōng)應規定峰值加速度、持續時(shí)間和衝(chōng)擊(jī)脈衝(chōng)波形,以及(jí)電氣(qì)連續性中(zhōng)斷的時間。
5)其它環(huán)境(jìng)性能根據使用要求,電連接器的其它環境性能(néng)還有密封性(xìng)(空(kōng)氣泄漏、液體壓力)、液體浸(jìn)漬(對特定液體(tǐ)的耐惡習化能力)、低氣壓等。
3、連接器接觸對的(de)接觸電阻
連接(jiē)器接(jiē)觸對是指連接器的陽性接觸件和陰(yīn)性接觸件相互(hù)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個電阻,稱之為接觸電阻。接觸電阻有以下幾部分組成:
1)集中電(diàn)阻Rc。清潔(jié)的金屬表麵通過施加一定的壓力(lì)(彈力)互相接觸在一(yī)起時形成的電阻Rc稱之為集中電阻,由於接觸區的接觸麵積很小,電流一到接觸區相互被壓縮在一起,使(shǐ)電流密度增加,此對(duì)產生的電阻稱之為集中電阻。
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(xiǎng)的光滑表麵,其表麵粗(cū)糙度使得接觸區(qū)並非是麵接觸,往往是(shì)一點或幾點接觸,在一定壓(yā)力作用下,高的波峰處首先被壓平,使得原來不接觸的較(jiào)低波峰處也產生接觸,亦即是說,壓力越大,參與接(jiē)觸的(de)點越多。
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物(wù)的汙染而在表麵形成一層薄膜,這種薄膜往往是電的不良導(dǎo)體,從而造成接觸電阻很(hěn)高。這種薄膜在一定的壓力,摩擦以及一定電壓作用下碎裂,使得底層金屬互相接觸,產生隧道效應,故電阻Rt稱為隧道電阻(或稱膜層電阻)。
膜層電阻是(shì)影(yǐng)響接觸電阻變大(dà)的(de)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(yǐng)響,接觸元件表麵一般都要鍍(dù)複抗氧化性能強,化學穩定(dìng)性好的貴金屬鍍層,以提高金屬元件的抗(kàng)氧化性(xìng)能。但有的貴金屬,如銀(yín),其導電(diàn)性能很好,但抗氧化和硫化性能(néng)很差,為此,幾采(cǎi)用鍍銀工藝的,表麵最好用觸點保護劑處理(lǐ)一下,以提高抗氧化和硫化性能。
3)金屬導(dǎo)體本身的體積電阻Rb。不同材料的體積電阻不(bú)同,體(tǐ)積電阻(zǔ)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,其自由移動的電子雲在電場的作用下,加速向正(zhèng)極移動,移動越快,材料的導電率就越好(即電阻率越低)而合金中的“雜質”或微量元素的存在,又引(yǐn)起電場(chǎng)的(de)不均勻度。從而擴大了電子(zǐ)運動的偏轉和反射量的增加(jiā)。並增大了偏移量和反射量,這對材料的導電率產(chǎn)生(shēng)了不利的影響。不同合金材料,電(diàn)阻率變化很大。
4、影響接觸電阻(zǔ)的因素
從使(shǐ)用的角度考慮,就接觸電阻本(běn)身而言,要求接觸電阻在較小的範(fàn)圍內為好。雖然(rán)說明了接觸電阻小(xiǎo)一(yī)點為好(hǎo),但也不是絕對(duì)的,因影響接觸對的接觸電阻(zǔ)大(dà)小的因(yīn)素很多,其主要受接觸件材料、正壓力、表麵(miàn)狀態、使用電壓和電流(liú)等因素影響。
1)接觸件材料。電連(lián)接器技術條件對不同材質製(zhì)作(zuò)的同規格插配接觸件,規定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如小圓形快速分離耐環境電(diàn)連接器總規範(fàn)GJB101-86規定,直徑為1mm的插配接觸件接觸電阻,銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。材料的硬度及(jí)彈性性能同樣也影響到接觸電阻值。
一種彈性較差的金(jīn)屬材料,其強度極限較低,當它產生彈性變形時,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,容易產(chǎn)生(shēng)機(jī)械變形,應力逐漸釋放,從而造成接觸(chù)對間的正壓(yā)力降低,使接觸性(xìng)能(néng)變壞,因此要選擇彈性性能好的材料作為接(jiē)觸件(jiàn)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接(jiē)觸表麵的(de)力。隨正壓力增加,接觸微點(diǎn)數量及麵積也逐漸增加(jiā),同時接(jiē)觸微點從彈性變形過渡到(dào)塑(sù)性變形。由於集(jí)中電阻逐漸(jiàn)減小(xiǎo),而使接觸電阻(zǔ)降低。接觸正壓力主要取決於接觸件的幾何形狀和材料性能。但事物往往是矛盾的對立統一,一對接觸對的接觸正壓力增加,在一(yī)定範圍內(nèi)其接觸電阻會隨之降低,它基本呈二次曲線的(de)關係。
當接觸壓力很小時,接觸電阻會急(jí)劇增大;當壓力大到一(yī)定程度時,接觸電阻減小值很不明顯。如(rú)此時(shí)再繼續增加接觸壓力(lì),接觸電(diàn)阻幾乎不減(jiǎn)少。這時可能造(zào)成接觸表麵磨損嚴重,既破壞了(le)表麵鍍層,又由於磨損使(shǐ)表麵變得粗糙起來,反(fǎn)而減少了表麵接觸麵積。同表麵更易起化學反應,使接觸電阻增大,逐步(bù)發展下去,就可能造成接觸失效。
3)表麵狀態。接觸件(jiàn)表麵一是由於塵埃、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(zhì)極易嵌藏在接觸表麵的(de)微觀凹坑處,使接觸麵積縮小,接觸電阻增大,且極不穩定。二是由(yóu)於物理吸附及化學(xué)吸附所形成(chéng)的汙染(rǎn)膜,對金屬表麵主要是化學吸附,它是在(zài)物理吸附後伴隨電子遷移而產生的。
故對一(yī)些高可靠性要求(qiú)的產品,如航天用電連接器必須(xū)要有潔(jié)淨的(de)裝配生(shēng)產環境條(tiáo)件,完善(shàn)的清洗工藝及(jí)必要的結構密封措施,使用單位必須要有良好的貯(zhù)存和使用操作環境條件。如受環境影響也是一個(gè)重要因素,如(rú)H2S和SO2等氣體對金屬導體的影響,會使接觸表麵很快生成硫化物和氧化物。如鍍(dù)銀件表麵生(shēng)成黑色的硫化銀的不導電(diàn)物質,將極大地增大接觸電阻值。
4)使用電壓。使用(yòng)電壓達到一定閾值(zhí),會(huì)使接觸件膜層被擊穿,而使接觸電阻迅速下降。但由於熱效應加速了膜層附近區域的化學反應,對膜層有一定的修複作用。於是阻值(zhí)呈現非線性。在閾值電壓附近,電壓降的微小波動會引起(qǐ)電流可能二十倍或幾(jǐ)十倍範(fàn)圍內變(biàn)化。使接觸電阻發生很大變化,不了解這種非(fēi)線性變化,就會在測試和使用接觸件時產(chǎn)生錯誤。
5)電流。當電流超過(guò)一定值時(shí),接觸件(jiàn)界麵微小點處通電後產生的焦耳熱作用(yòng)而使金屬軟化或熔化,會對集中電阻產生影響,隨(suí)之降低接觸電阻。
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