电动汽车高压连接器EMC性能研究_胡国民.pdf

电气与自动化胡国民，等电动汽车高压连接器 EMC 性能研究第一作者简介:胡国民(1973)，男，重庆人，高级工程师，硕士，从事新能源汽车产业研究、高压零部件产品研发及企业经营。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301056电动汽车高压连接器 EMC 性能研究胡国民，付志斌(南京康尼新能源汽车零部件有限公司，江苏 南京 210046)摘要:针对电动汽车高压连接器中对屏蔽连接电阻、屏蔽转移阻抗和屏蔽效能的严苛要求，开展屏蔽材料、镀层、孔缝结构对高压连接器屏蔽性能影响的研究和验证。由测试结果可知:为满足行业标准中屏蔽连接电阻和转移阻抗的要求，屏蔽件的材料应选择导电率高的铜合金，推荐导电率大于 40%;屏蔽件的镀层需选择镀银;冲压弹臂推荐设计成刺破形式，减小孔、缝的尺寸，以获得符合要求的屏蔽性能。关键词:电动汽车;高压连接器;电磁兼容;屏蔽连接电阻;转移阻抗;屏蔽效能中图分类号:U46972文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0230-04Study on EMC Performancefor High Voltage Connector of Electric VehicleHU Guomin，FU Zhibin(Nanjing Kangni New Energy Auto PartsCo，Ltd，Nanjing 210046，China)Abstract:To meet the strict requirements of shielding connection resistance，shielding transfer impedance and shielding efficiencyof highvoltage connectors in electric vehicle，the analysis and verification on the effects of the connector shielding performance withdifferent shield materials，coatings and shielding part structures are carried out From the test results，it is concluded that，to satisfythe requirements of shielding connection resistance and transfer impedance in industrial standard，copper or copper alloy with highconductivity more than 40%is a must selection for shielding material;the coating should be silver plated;and the ribs pierced withscarce seam is recommended for ideal shielding performanceKeywords:electric vehicle;HV connector;electromagnetic compatibility;shielding connection resistance;transfer impedance;shielding efficiency0引言新能源电动汽车已进入行业发展期，越来越多的汽车将投放市场，终端客户对汽车科技感、交互性和可操作性的要求也越来越高，物联和网联技术的发展对车内信号的抗干扰要求也越高。电动汽车区别于传统汽车的主要特点就是动力的输入和输出方式不同。传统汽车的动力来源是汽油和发动机，对整车多媒体、传感器信号传输的干扰程度较低。电动汽车的动力来自高压线束和动力电池、电机，这些高压组件与传统的 12V 低电压平台不同，其电压较高。高电压平台具有很多好处，但也带来很多挑战，其中稳定电磁兼容(EMC)技术是至关重要的一环，而高压连接器线束作为电能的传导路径，对 EMC 的要求也将越来越严苛。1高压连接器的 EMC 要求连接器经历了多次迭代的发展和应用，尤其是军转民的应用，如汽车连接器的大量应用，给人们生活带来了很大的便利性。但随着人们生活品质的提高，对汽车电器 EMC的要求也相应提高。目前，高压连接器行业内遵循的标准主要有 QC/T 106712017、USCA37 和 LV 215，分别代表中国、美国和德国主要产品的开发规范，其中由大众、戴姆勒、宝马、保时捷等德国主要主机厂联合发布的 LV 215受众较广，认可度较高。其中 LV 2151 对高压连接器的EMC 性能要求也相对严苛。LV 215 中屏蔽连接电阻由原来的单个 1、2、3 最大的4M 降低到 1+2+32M，转移阻抗由原来的 2MHz 10M/m、30MHz 50M/m 降低到 2MHz25M/m、30MHz5M/m，如表 1 和表 2 所示。从 LV 215 对 EMC 性能要求的演变可知，EMC 性能的提高对连接器产品屏蔽的材料、镀层、结构也有更高的要求。表 1LV 2151/201302 屏蔽转移阻抗技术要求项目测量位置技术要求直流连接电阻/M电缆屏蔽插头屏蔽 13插头屏蔽插座屏蔽 24插座屏蔽车辆单元 33转移阻抗/(M/m)连接器转移阻抗 2 MHz10连接器转移阻抗 30 MHz50032电气与自动化胡国民，等电动汽车高压连接器 EMC 性能研究表 2LV 215/201708 屏蔽转移阻抗技术要求项目测量位置技术要求直流连接电阻/(M/m)电缆屏蔽插头屏蔽 1插头屏蔽插座屏蔽 2插座屏蔽车辆单元 3 总=1+2+32转移阻抗/(M/m)连接器转移阻抗 2 MHz25连接器转移阻抗 30 MHz52屏蔽材料和结构设计21屏蔽材料屏蔽是解决电磁兼容问题的关键技术。电磁屏蔽的方法就是利用屏蔽材料将电磁干扰信号的能流进行反射、吸收和引导，将所包覆承载高压的主芯件及电缆，在大电流和高电压通载时产生的电磁信号隔离在屏蔽件区域内，防止干扰其他信号模块的正常工作。通常表征电磁屏蔽效果的主要参数是屏蔽效能，其表示电磁通过屏蔽件之后衰减的程度，常用 SE来表示屏蔽效能24，SE=20log(E1/E2)，或者 SE=20log(H1/H2)，单位为 dB，其中 E1、E2 为电场变化前后的强度，H1 和 H2 为磁场变化前后的强度。由此可知，用于屏蔽件的材料需具备导电、导磁性。屏蔽的材料主要有铜、铝、金、银、钢等金属，其相对磁导率和相对电导率数值如表 3 所示。表 3常用金属相对磁导率和相对电导率材料相对磁导率 u相对电导率 银1105铜1100金1070铝1061黄铜1025不锈钢1 000002电磁屏蔽效能主要是由屏蔽件的反射损耗和吸收损耗组成，吸收损耗可以表示为 SEA，经验公式为SEA=kdsqrt(fu)式中:k 为常数;d 为屏蔽件厚度;f 为频率;u 为相对磁导率;为相对电导率。因此可知，相对磁导率和相对电导率越高，屏蔽件的吸收损耗越大，屏蔽性能越好。反射损耗可以表示为SE，经验公式为SE=ablog(fu/)式中:a、b 为常数;f 为频率;u 为相对磁导率;为相对电导率。当其他因素(电导率、厚度)一定时，随着电磁波频率的升高，屏蔽体反射损耗下降而吸收损耗提高。因而对于低频电磁波来说，屏蔽体的屏蔽作用主要依靠反射损耗。随着频率的升高，屏蔽体的反射损耗下降，但是其吸收损耗提高，且提高的速度大于反射损耗的下降速度，总体结果是屏蔽效能提高。屏蔽与承载高压电流的芯件在工作时，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加，这一现象称为趋肤效应。趋肤效应的大小通常用趋肤深度来表示，工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0368(即1/e)的厚度为趋肤深度或穿透深度。屏蔽件的趋肤深度越小，说明材料的屏蔽效能越好，图 1 所示为常见的高压连接器屏蔽材料的趋肤深度随频率变化的曲线。由图 1 可知，铜和银的屏蔽性能较优异。随着高压连接器对电磁屏蔽效能和转移阻抗的要求越来越严苛，通常选择导电率和导磁率较高的铜、铜合金和铝及铝合金作为插头、插座的屏蔽材料。图 1高压连接器常见金属屏蔽件的趋肤深度曲线22屏蔽结构屏蔽件的结构对高压连接器的屏蔽效能有很大的影响，尤其是屏蔽件上的孔、缝尺寸，不同孔、缝尺寸对屏蔽效能的影响不同。一般而言，孔、缝的尺寸越大，其屏蔽效能越差。同时，孔、缝的形状对屏蔽性能也影响较大，很多学者对此做过分析，刘力等5 认为圆形的孔比相等面积的矩形孔具有更好的屏蔽性能。根据电磁理论，SE=SEA+SE，有学者6 把圆孔和方孔的反射损耗和吸收损耗的经验公式表示如下。圆孔反射损耗 SE=20log(/(2)，其中:为波长;为圆孔半径。方孔反射损耗 SE=20log(/(2sqrt()a)，其中 a为方孔的边长。方孔或圆孔的吸收损耗 SEA=273ftcsqrt(fc/f)21，其中:f 为电磁波频率;fc为截止频率;C 为光的传播速度;t 为屏蔽体的厚度。由此可知，孔的数量越多，屏蔽效能越低;屏蔽件的厚度越大，屏蔽性能越好。高压连接器中屏蔽件由于需要与对配件配合，通常会在屏蔽件上设计一些弹性臂和定位孔，但这些孔的形状和尺寸需要合理的设计和验证。为了提高高压连接器的屏蔽效能，降低连接器的转移阻抗，孔的数量尽量少，尺寸尽量小。132电气与自动化胡国民，等电动汽车高压连接器 EMC 性能研究23屏蔽镀层高压连接器的屏蔽件根据产品的屏蔽电阻和转移阻抗的要求，一般会对屏蔽件的表面进行电镀处理，镀层的材料一般会选择镀银或镀镍。由于存在插拔，硬度较低的镀锡或电阻率较大的其他镀层是不推荐的。高压连接器中的屏蔽连接电阻包括电缆屏蔽与插头屏蔽的连接电阻为 1、插头与插座连接的电阻为 2、插座与车端的屏蔽连接电阻为 3，如图 2 所示。根据 LV 215/201708 中对屏蔽连接电阻的要求，其中 1+2+3 需不大于 2M，此要求值比较严苛，根据此要求值的大小可知，能够满足此要求的屏蔽件材料主要是铜及铜合金、铝，镀层主要是镀银或镀镍银，其他材料如不锈钢等不能满足连接电阻的要求，镀层也要求导电率较高的银镀层。图 2高压连接器屏蔽电阻测量示意图3高压连接器的 EMC 试验31试验材料试验材料为符合 LV 215/201708 的 class3 高压连接器，此连接器能够满足 90出线，屏蔽材料为铜合金，镀层为镀银。高压连接器的 3D 视图如图 3 所示，此连接器额定电压大于 1 000V，额定电流大于 120A，需要满足屏蔽连接电阻 1+2+32M，屏蔽效能大于 50%，转移阻抗要求 2MHz 时小于 25M/m，30MHz 时小于 5M/m。本次研究的高压连接器的屏蔽结构上共有 7mm2的圆孔 4 个，5mm2的圆孔 2 个，105mm2的方孔 4 个，8mm2的方孔 8 个，5mm2的方孔 2 个。屏蔽件镀层有镀银和镀镍两种。图 3高压连接器32高压连接器的测试方法针对本次研究的高压连接器，采用三同轴法进行 EMC测试，如图 4 所示，通过对屏蔽件上的孔、缝逐个填充和遮蔽的方式，测试不同形状的孔、缝对高压连接器转移阻抗的影响，并进行结构改善，对改善前后的样品进行屏蔽效能和转移阻抗测试，测试激励频率为100kHz300MHz。一般转移阻抗的结果需进行归一化处理7，单位为 M/m。图 4三同轴法4高压连接器的 EMC 试验结果41镀层对屏蔽连接和 EMC 的影响针对高压连接器确定结构状态的样品，两种不同镀层的屏蔽连接电阻和转移阻抗、屏蔽效能测试结果如表 4 所示，镀银屏蔽件的屏蔽连接电阻为 108 115M，符合LV 215 中(1+2+3)2M 的要求，