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对话:新技术趋势下的新能源汽车三电及连接器
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对话:新技术趋势下的新能源汽车三电及连接器

2022-02-10 15:05:34 来源: 作者:国际线缆与连接 点击:5556

【哔哥哔特导读】本期《对话》栏目邀请了新能源汽车三电企业、连接器及材料企业共同探讨新能源汽车三电及其连接器、材料的技术难点及发展方向。

编者按

尽管遭遇全球经济“寒冬”和芯片“缺货涨价”,中国新能源汽车产业依旧马力十足。而新能源汽车相较传统汽车所使用的电气设备更多,每辆汽车所使用的连接器数量也将呈现上升趋势,未来随着新能源汽车产销量的快速增长,新能源汽车连接器行业到2024年行业市场规模将突破100亿元。

新能源汽车增加了“三电”(电池、电机、电控)系统零组件,那么三电作为新能源汽车的核心部件,其未来技术发展方向是什么?连接器作为其中能量与信号传输的载体,应如何顺应其发展趋势?连接器及材料厂商又将如何面对三电系统中常出现的问题?800V平台架构下,对连接器及材料有何挑战及要求?本期《对话》栏目邀请了新能源汽车三电企业、连接器及材料企业共同探讨以上问题。

连接器

以下是问题导览:

1、目前新能源汽车三电的技术主要往什么方向在发展?在设计上有什么变化?还面临着哪些挑战?

2、应用在新能源汽车三电系统中的连接器及材料需要满足什么样的要求?存在着哪些技术难点?

3、在新能源汽车三电的实际应用中,连接器最常出现的问题是什么?

4、上述企业中所提到的在实际应用中,部分连接器会出现因接触电阻过大发热烧毁,以及人工接插不规范引起的连接器失效等问题,针对以上问题应如何解决?

5、新能源汽车三电往集成化、轻量化、模块化发展下,连接器应如何顺应这一趋势的发展?其中,“以铝代铜”是目前连接器常见的减重方案,其有何优势和劣势?

6、新能源汽车三电系统在往集成化方向发展的同时也会产生更高的温升、噪音振动、电磁干扰等问题。贵司有何相应的解决方案?

7、在800V的平台架构下,对三电系统、元器件及材料有何新的要求,应如何做出改变?

8、降本是车厂永恒的话题,贵司在降本方面有何对策?

新能源汽车三电

1、目前新能源汽车三电的技术主要往什么方向在发展?在设计上有什么变化?还面临着哪些挑战?

比亚迪杨永峰:针对三电中的电池部分,我觉得终极目标就是解决安全性和能量密度这两个问题。电机部分目前大部分车企用的都是永磁同步电机,其退磁的问题尚未解决得很完美;控制器主要进一步提高效率、降低损耗。

此外还有一个方向就是“集成化”,这样可增大消费者可乘坐和储物的空间,提升用户体验感。以往的分布式各个部件需要靠电缆连接在一起,集成之后就可以将电缆、壳体节省掉。但是,集成之后各个部件之间的温度和噪声可能会互相影响,会产生电磁干扰。因此要将性能达到最优点还是很考验设计的,现在很多车企都设计了自己的集成化平台,例如比亚迪的e平台3.0,这一平台的通用性较好,可节省其他车型开发的成本。

上海电驱动赵国举:据了解,目前大部分的开发方向都是想形成BMS平台化,能够从低压一直兼容到800V。因为它的适用性可能会更高,A级到B级等不同的车型都能够去兼容。对于整车来讲,我觉得成本开发应该会大大地降低。

时代电机梁泊山:三电未来的趋势就是集成化、小型化、高速化(未来的转速可能要达15000以上),将对冷却系统及关键原材料、结构件进行调整。但目前元器件缺货和材料价格不稳定对整个新能源汽车行业的影响还是挺大的,所以我们也在思考一些替代材料。

大洋电机黄振强:新能源汽车主要分为乘用车和商用车,乘用车面对的是大众消费者,对整车布局的紧凑性要求较高,所以目前主要是在乘用车上集成(三合一),即集成变速器+电机+电机控制器。集成化之后会减少三相连接的连接器。

新能源汽车三电

2、应用在新能源汽车三电系统中的连接器及材料需要满足什么样的要求?存在着哪些难点?

罗森伯格邓必盛、周同昌:1)连接器的根本在于确保传输链路的安全可靠,同时需要兼顾小型化,高载流要求和高屏蔽抗干扰性能等的一系列挑战。

2)目前主要的挑战是如何更好地满足各类具有差异化的本土客户需求,从系统层面,提供专业的、可量化的、具备优秀性价比的解决方案,譬如客户可以要求几十种运行工况,需要我们针对连接器本身是否可以满足这些工况进行大量仿真,如下图所示:

连接器

3)我们选择原材料供应商时,主要从国际知名的合作伙伴中进行选择,他们的品控已经非常成熟,并且可以提供很全面的材料分析数据,从而可以让我们的设计仿真更精准。

博威合金陈永力:新能源汽车互连设备的数量成倍增加,功率要求也在上升。然而,设计空间在很大程度上仍然是有限的和不变的。因此,高压、大电流和小型化是目前阶段主要的行业趋势。小型化使得铜材需要更高的弹性模量和强度来保障连接的可靠性。此外,伴随连接器的小型化,零部件加工成型条件变得更加严苛,在具备高强度的同时需要更好的成型性能,比如车削和折弯。而电压和电流的增大则需要进一步提高铜材的导电率以降低连接器使用过程中产生的温升。因此,同时兼顾强度、导电和加工性能的平衡型合金将是重要的需求方向。博威的铜镍磷合金-EValloy60,具有>600MPa的强度、~60%IACS的导电率,以及~80%的切削加工效率,是平衡型合金的理想候选材料之一。

良速电子潘泽铭:我们在三电系统中主要提供线对线、线对板连接器,应用在三电中的连接器要满足耐高温、高电流、高抗震以及省空间的要求。为了达到这些要求,选材很关键,在铜材的选择上主要使用磷青铜,由于铜合金里使用的磷青铜的比例不一样,性能差别就会很大,所以目前只选用国外的知名厂商。

其次,设计也同样很关键,不光是尺寸上的设计,还有内部结构上的端子设计,我们通过使用双杆叶片端子来提高连接器的抗震性能。

精益达达永恒:我们在新能源汽车三电中主要提供大电流连接器,对选材以及表面处理工艺要求十分严格。

在一些结构件上可以通过铝来减轻重量降低成本,在主体导电传输大电流的导体仍以铜为主。但是这其中涉及着一个降温的问题,如何让导体在工作中尽量少的产生热量,避免对其他部件造成损坏,这要充分考虑连接器主体的过流能力及散热处理的便利性(即小体积)。

瑞可达黄世彬:就高压连接器而言,①满足高可靠和高安全性,这也是关系到人身安全的问题。②满足防尘、防水、耐候性等要求,例如耐低温可达-40度,最高温可承受125度或150度。③更长的使用寿命。

新能源行业是一个新兴产业,如何“通过一个加速老化的寿命测试模型,来评估一个产品的真正的生命周期”是目前新能源高压连接器行业最急需攻克的一个问题,它需要整个行业共同的努力。

3、在新能源汽车三电的实际应用中,连接器最常出现的问题是?

时代电机梁泊山:高压线接触的触头因为时间长了接触电阻变大,然后部件被烧毁的在实际应用中出现最多。低压线束问题更多的是出现在插针或者插座上,长时间接触或者人为因素导致的插拔不均匀以及用力过猛使得插片变形等,到再次插拔时就会产生安全隐患。

大洋电机黄振强:实际应用中连接器出现最多的问题就是端子烧坏,因为连接器都是接触性的,接触不好就容易烧坏。

新能源汽车三电

4、上述企业中所提到的在实际应用中,部分连接器会出现因接触电阻过大发热烧毁,以及人工接插不规范引起的连接器失效等问题,针对以上问题贵司有何解决方案?

罗森伯格邓必盛、周同昌:上述失效,主要源自于载流端子设计不够完善,且试验验证标准不够严格。我们的端子设计会从原材料选择、结构仿真、电镀处理、塑壳支撑和导向几大方面进行考虑。举个例子,我们的HVS240端子曾设计了近50种结构,并进行了仿真计算,选择了结果最好的3种,再进行实际载流测试和耐久测试以最终定型,现已量产供货给宝马和戴姆勒。

良速电子潘泽铭:在设计的时候我们可以用接触面较大的那一面来接触,这样接触电阻就会很小。第二,双杆叶片端子独特的设计可以在震动的时候保持其接触面的接触。另外,为了保证汽车里面产品的一致性,基本上都是采用全自动化生产。

精益达达永恒:第一,在前期设计时要有充分的考虑,同时也要借鉴别人的经验。第二,健全验证方法,按照各类行业标准将产品验证到位。

博威合金陈永力:连接器材料的强度、弹性模量等力学性能决定了接触正向力的大小。正向力保障了连接的可靠性,同时也是影响接触电阻的主要因素。如果选择的连接器材料的力学性能不足,或者设计的安全冗余度过低,则会在使用过程中出现正向力降低导致的接触电阻过大,进而出现发热烧毁等严重的失效问题。

此外,汽车用连接器要适应寒冷天气和炎热的气候,还有行驶过程中的高频震动等等,因此材料的热应力松弛和疲劳性能也是影响接触正向力的重要因素。在连接器的设计过程中,需要综合评估这些性能的影响,选择具有更高性能余量的合金材料。

5、新能源汽车三电往集成化、轻量化、模块化发展之后,连接器应如何顺应这一趋势的发展?其中,“以铝代铜”是目前连接器常见的减重方案,其有何优势和劣势呢?

瑞可达黄世彬:连接器的发展技术和工艺路线发展越来越快,连接器可能要在1-2年内进行迭代升级来跟上市场的变化。而高压大电流连接器也正朝着更大的电流和电压、更小的温升、小型化、轻量化、集成化、模块化的方向发展。

四川华丰胡盛:目前连接器的减重方案主要是“以铝代铜”,铝导线比铜导线重量更轻且成本更低,但导电率和延展性不如铜。车内的线材需要弯曲,铜导线可以直接用手弯曲,但铝导线相对铜更粗,弯曲难度较大。集成化则更多的是将保护回路的熔断器和继电器集成在连接器中。

精益达达永恒:轻量化主要还是从材料上去突破,使用一些既耐高温又比较轻的材料,例如SPS、玻璃纤维、碳纤维。将这些材料应用在连接器上,会对连接器整体的结构和轻量化起到很好的作用。

博威合金陈永力:新能源汽车三电系统的集成化和模块化,使得原来杂乱无章的多种连接器通过平台的顶层设计而实现一体化的面板集成,出现了较多的端口定制化的一体式的连接器。集成化和一体化的设计使得大尺寸的铜排,包括定制形状的异形铜排需求量不断增大。

近年来,我们接到了较多的异形铜材的定制需求。我们利用先进的数字化研发平台,结合先进的数字化模拟仿真技术进行多层次仿真迭代优化,快速地设计工装模具设计和生产工艺开发,大大缩短了产品开发周期,能够快速满足客户定制化的异形产品需求,有力地支撑连接器厂商的集成化、模块化的设计需求。

6、新能源汽车三电系统在往集成化方向发展的同时也会产生更高的温升、噪音振动、电磁干扰等问题。贵司有何相应的解决方案?

四川华丰胡盛:在解决电磁干扰的问题上我们目前最常用的还是屏蔽罩,后续我们可能还会采用电镀的方式,例如在塑料上镀一层金属。电镀金属这种方式具有减轻重量、更小型化等方面的优点,但是目前价格偏贵。

此外,汽车中不同部位所需的电流和电压都是不一样的,我们会根据高压连接器的应用场景所通电流量来选择材料,主要选用一些导电性能更好的材质,保证温升的合理性。还可以通过铜牌的排布等方法来解决温升过高的问题。

瑞可达黄世彬:连接器要想实现更低的温升,首先从连接器最重要的接触部件——插针插孔的接触技术出发,用扁平插槽的接触方式实现更大的接触面积和更大的散热,来降低接触电阻。同时在基础研究方面,不断的探寻新的高导电的合金材料。

而电磁屏蔽主要靠高压连接器的结构设计,需要在插头插座连接处以及电缆与连接器的连接处形成一个360°全方位的屏蔽层,防止电磁泄露,其次要选择导电率比较高的材料。

罗森伯格邓必盛、周同昌:我们在连接器开发时,就考虑了系统的各种工况,进行了大量的仿真计算,且EMC设计本身就是罗森伯格引以为傲的技术优势领域。举例,罗森伯格的HPK系列,可以满足行业当前最高标准的EMC要求,如下图所示

连接器

7、在800V的平台架构下,对新能源汽车三电系统及其中的元器件、材料有何新的要求,应如何做出改变?

博威合金陈永力:高压系统电压从400V转变为800V的出发点,是传统利用提高电压的方式。如果维持电流不变,则可以同时增加充放电的功率,从而实现超级快充;如果维持相同的充放电功率,则可以利用更小的电流来传输,达到更低的线损,从而提高能量利用效率。但带来的问题是包括连接器在内的整套电气部件,都需要更高的电气绝缘强度来保证操作时的安全。同时,高压带来的连接部位的局部电弧放电问题,电压、频率提升导致的其它敏感零部件的EMC电磁干扰问题。这些因素将推动连接器的可靠性、体积和电气性能的要求增加,连接器的设计和品质升级是必然的发展趋势。

800V平台架构对于高压直流继电器/接触器的影响最为显著。高压直流继电器/接触器起到高压电路控制和安全保护作用。800V平台的电压电流更高,通断电弧更严重,对高压直流继电器/接触器的耐压等级、载流能力、灭弧、使用寿命等性能要求提高,产品需要在触点材料、灭弧技术等多个方面进行改进。相关研究表明碲铜合金在高压、大电流的通断过程中,可以显著降低配对触点材料产生电弧和粘连的概率,是一种理想的触点材料。博威合金生产的碲铜合金EValloy91,可以提供棒、线、排,具有优异的导电性能、车削性能、冷镦变形性能,以及优异的耐电弧烧蚀和粘连性能,可以有效助力高压直流继电器/接触器的品质和性能升级。

电驱系统是800V平台架构面临的另一个挑战。电机电压的升高会带来电流的提升和温度的提高,更高的散热效率要求导致800V电机普遍采用油冷技术。电机的冷却油普遍存在对轴承的腐蚀问题。此外,电机转速的提升进一步影响到轴承的磨损寿命。博威合金开发的高强耐磨耐腐蚀的铜镍锡合金BearMet350,专为复杂恶劣的服役工况而开发,其耐腐蚀性能可媲美镍基合金,同时还具有极低的摩擦系数和超高的强度,能够在极端的负载和腐蚀工况下提供足够的强度、耐用性和稳定性。

上海电驱动赵国举:第一方面是提高功率密度,这对800V电驱动系统的电机和电控应该都会有要求,我个人认为是一个综合性的问题。第二方面是体积要变小,集成化程度更高。另外还会涉及充电的一些模块和技术,比如OBC、DC-DC等整个系统的配套都要相应地做出改善。

时代电机梁泊山:现在电压提之后对连接器绝缘性能和抗电池干扰的性能也会相应提高,原来一般的标准就可以,现在要满足电磁兼容的标准,按照ISO标准。

大洋电机黄振强:往高电压切换主要就是提高续航,在元器件上主要是对功率器件的最大耐受电压提出了一个新的挑战。电压提高之后对连接器的耐压性能、绝缘材料的绝缘性能都有重要的要求,因为电压提高之后绝缘老化的速度会加快。

罗森伯格邓必盛、周同昌:800V平台将会是一个高压高频的平台,对于连接器的主要挑战是绝缘设计和EMC设计。罗森伯格积极参与各项国际标准的制定,目前在国外已经有2个800V项目量产供货,国内即将量产第1个800V平台。

精益达达永恒:大电流高电压的充电平台的确是未来的发展方向,而且目前也已经实际在应用了。所以连接器也需要根据客户和市场的要求去进行设计,在同等尺寸不变的情况下提高它的耐压强度。连接器要保证在高压的工作状态下保证足够的安全,否则就会产生电气隐患,容易起火烧毁。

四川华丰胡盛:电压提升后对连接器所需考虑的问题很多,例如材料的选择、结构的设计、电磁屏蔽等。目前常规的连接器的还可以通过屏蔽罩和电镀技术来屏蔽,但是一旦电压提高到1000V,电磁泄漏问题很难管控,甚至会导致汽车失控,产生严重的噪声。我们在这方面也有相应的解决措施,但是还是要看市场的导向,如果市场已经需要了我们也有能力可以跟进。

良速电子潘泽铭:目前我们也有几个800V的项目正在跟进,800V的趋势下,对高压连接器要求改变的比较多,信号传输的连接器目前看起来没有特别的要求。

新能源汽车三电

8、降本是车厂永恒的话题,贵司在降本方面有何对策?

瑞可达黄世彬:①从项目最开始的设计阶段就开始注重成本的把控,例如目标成本、对标成本、客户需求成本、工艺成本等方面来融入到我们的设计开发中。

②通过改变“结构设计工艺路线”实现高压连接器的降本。比如将大电流的圆形插针插口改成扁形的,再通过高速冲压的方式生产出来,一方面提高生产效率,另一方面也降低了材料损耗,这种形式也是高压连接器的发展趋势,未来会往超声波焊接改变,可以进一步的减少耗材、降低成本、结构更简单快捷。③规模化生产。

四川华丰胡盛:成本所涉及的因素非常多,例如车厂下的订单量、生产的管控、效率的提升、采购物料的成本等。从设计来控制成本的话,最常采取的一个方法就是提“工艺调整生产效率提高”来降低成本。比如现在开模,我们在保证质量的情况下在模具上增加很多位。以前一模一位的产品价格在20元,一模多位的产品价格可能会降到2元。一模多位提高生产效率,同时产品的品质和一致性也会提高。其次还可以通过提高自动化水平、将机加零件变冲压零件等来降低成本。

良速电子潘泽铭:①规模化生产,批量化生产下总体成本上都会降下来。②自动化生产,现在用工成本非常高,短期来讲要投资自动化设备的成本的确高,但长远来讲一定是降本方案。③优化设计,通过工艺的设计来改变它的成本。

结语

通过上述对话,我们可以了解到新能源汽车三电内部动力电流及信息电流错综复杂,同时又因汽车领域特殊的安全性要求,对连接器性能侧重点为高电压、大电流、抗干扰等电气性能,并且需要具备机械寿命长、抗振动冲击等长期处于动态工作环境中的良好机械性能。

此外,新能源汽车三电及其连接器都朝着小型化、轻量化、集成化、模块化的方向发展。同时,在800V的平台架构下,整个系统配套包括每一个连接部件都需做出改变。但带来的问题是包括连接器在内的整套电气部件,都需要更高的电气绝缘强度来保证操作时的安全。

这意味着新能源汽车对连接器产品需求量及质量要求都将大幅提高,更考验连接器企业的技术水平。另外,由于新能源汽车属于新兴产业,在老化测试上尚未有足够的时间认证,仍需全行业共同努力。

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