新能源車(chē)高壓挑戰(zhàn)：連接器的安全性解讀

800V框架下，新能源汽車(chē)的安全性如何保證？新能源汽車(chē)的不斷高壓化將給連接器帶來(lái)何種技術(shù)挑戰(zhàn)？

近日，韓國(guó)仁川發(fā)生了一起重大事故。一輛梅賽德斯-奔馳EQE電動(dòng)汽車(chē)在地下停車(chē)場(chǎng)起火，致140余輛汽車(chē)受損，23人受傷。

今年4月，上海南浦大橋上一輛新能源車(chē)突發(fā)火災(zāi)被燒成空殼;6月一輛大眾ID.4型新能源汽車(chē)在杭州收費(fèi)站發(fā)生碰撞事故后起火，導(dǎo)致車(chē)上四名乘客遇難;......

然而，7月我國(guó)新能源乘用車(chē)正歷史性地以50.8%的滲透率首次超過(guò)燃油車(chē)，成為市場(chǎng)上真正的主流。

越來(lái)越高的普及率和諸多起令人悲痛的事故使我們不得不關(guān)注——在新能源汽車(chē)逐漸高壓化的平臺(tái)下，人的安全性該如何保障？

如何解決高壓平臺(tái)所帶來(lái)的電氣安全、熱管理和故障防護(hù)等安全問(wèn)題，成為行業(yè)發(fā)展的重要課題。

本文將從平臺(tái)高壓化趨勢(shì)及安全隱患、高壓連接器技術(shù)、高壓連接器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)三個(gè)方面進(jìn)行解讀。

一、新能源汽車(chē)“高壓心跳”下的安全挑戰(zhàn)

01 | 為何電動(dòng)汽車(chē)的升級(jí)要重點(diǎn)提升高壓平臺(tái)?

新能源汽車(chē)往高壓化趨勢(shì)發(fā)展主要是為了縮短充電時(shí)間、提升車(chē)輛能效，以及滿足消費(fèi)者對(duì)快速充電的需求?？斐浼夹g(shù)的核心在于提高整車(chē)充電功率，要提高整車(chē)充電功率，技術(shù)手段上要么加大充電流要么提高充電電壓。

而充電電流加大則意味著更粗更重的線束、更高的發(fā)熱量，容易面臨著熱失控的風(fēng)險(xiǎn)(熱失控風(fēng)險(xiǎn)是指由于化學(xué)反應(yīng)失控導(dǎo)致溫度和壓力急劇升高的潛在危險(xiǎn))，導(dǎo)致電池?fù)p壞、火災(zāi)甚至爆炸。

800V高壓平臺(tái)能通過(guò)提高電壓來(lái)增加充電功率，同時(shí)控制電流以減少熱量損失和熱失控風(fēng)險(xiǎn)。800V高壓平臺(tái)作為電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，不僅顯著提高了充電效率，還有助于減少能源消耗，代表著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

02 | 高壓平臺(tái)將帶來(lái)哪些安全問(wèn)題？

高電壓對(duì)車(chē)輛的電氣系統(tǒng)和安全性能提出了更高的要求。

前面所提到的梅塞德斯-奔馳EQE起火事件，韓國(guó)相關(guān)部門(mén)調(diào)查披露，該輛車(chē)搭載的動(dòng)力電池是鎳鈷錳 (NCM) 811電池。NCM811能量密度為190 mAh/g，具有高容量、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，但其燒結(jié)條件苛刻、容易吸潮。

不同于燃油車(chē)，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心能量源，電壓一般為300~600V，稍有不慎，就會(huì)引發(fā)電擊、火災(zāi)等嚴(yán)重電氣事故。故而動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)和性能對(duì)車(chē)輛的安全性、可靠性和效率有著深遠(yuǎn)的影響。

而除此之外，高壓平臺(tái)還存在著以下風(fēng)險(xiǎn)。

l 析鋰現(xiàn)象

在鋰離子電池充電過(guò)程中，容易形成固態(tài)金屬鋰，堆積生成鋰枝晶，從而降低電池的能量密度和充放電效率，引發(fā)危險(xiǎn)。

l 熱管理問(wèn)題

新能源汽車(chē)在高壓工作狀態(tài)下，電池、電機(jī)等關(guān)鍵部件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要有效的熱管理系統(tǒng)來(lái)確保這些熱量得到及時(shí)散發(fā)，避免過(guò)熱導(dǎo)致的性能下降或安全風(fēng)險(xiǎn)。

l 電磁兼容問(wèn)題

高壓平臺(tái)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可能對(duì)車(chē)輛其他電氣系統(tǒng)造成干擾，影響車(chē)輛正常運(yùn)行。

新能源電能變換技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜摇憬髮W(xué)胡長(zhǎng)生教授曾多次強(qiáng)調(diào)高壓平臺(tái)電磁兼容性的重要性。他提到，電壓提升導(dǎo)致干擾源強(qiáng)度增加，新器件的應(yīng)用也改變了電磁環(huán)境，這些因素可能惡化電磁兼容性，影響車(chē)輛安全和駕駛體驗(yàn)。

▲2024'中國(guó)電子熱點(diǎn)解決方案創(chuàng)新(華南)峰會(huì) 胡長(zhǎng)生教授

二、高壓連接器如何當(dāng)好安全“守門(mén)員”?

正如前文所提到新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)電路系統(tǒng)的不同，高壓架構(gòu)下的高壓連接器在環(huán)境溫度、載流能力、防護(hù)等級(jí)、抗振等級(jí)等規(guī)格參數(shù)方面，都有著更為嚴(yán)苛的要求。

整車(chē)上高壓連接器主要應(yīng)用于DC、水暖PTC 充電機(jī)、風(fēng)暖PTC、直流充電口、動(dòng)力電機(jī)、高壓線束、開(kāi)關(guān)、逆變器動(dòng)力電池等系統(tǒng)。

在800V架構(gòu)中，連接器需滿足更嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)，包括高壓互鎖HVIL、IP67/68防水防塵、IP6K9K抗機(jī)械沖擊和化學(xué)侵蝕、V0級(jí)阻燃以及電磁兼容性EMC。

01 | 高壓互鎖

▲泰科HVA HD400連接器集成HVIL功能 ?泰科官網(wǎng)

高壓互鎖(HVIL)是一種安全設(shè)計(jì)，通過(guò)低壓信號(hào)檢測(cè)高壓電路的完整性，確保在高壓回路出現(xiàn)斷開(kāi)或連接不穩(wěn)定時(shí)，如蓋板未正確覆蓋或連接器松動(dòng)脫落，能夠及時(shí)切斷電源，防止?jié)撛诘陌踩L(fēng)險(xiǎn)。

高壓互鎖在檢測(cè)到異常時(shí)，會(huì)根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)和故障嚴(yán)重性采取相應(yīng)控制措施。比如車(chē)輛停止時(shí)，高壓互鎖會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào)以切斷高壓電源，并發(fā)出故障警告。若車(chē)輛在行駛中，高壓互鎖會(huì)先發(fā)出警告，然后逐步降低電機(jī)功率，平穩(wěn)減速，以避免突然斷電可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)，確保安全。

高壓互鎖功能確保高壓連接系統(tǒng)的安全操作，要求在連接時(shí)功率端子先接通隨后互鎖端子接通，斷開(kāi)時(shí)則相反。

帶有高壓互鎖的連接器在解鎖時(shí)遵循邏輯時(shí)序，其斷開(kāi)時(shí)間取決于接觸長(zhǎng)度差值和斷開(kāi)速度。系統(tǒng)通常在10~100ms內(nèi)響應(yīng)互鎖端子回路，二次解鎖機(jī)制可延長(zhǎng)斷開(kāi)時(shí)間至1秒以上，防止帶電插拔產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。

在國(guó)產(chǎn)高壓連接器市場(chǎng)上，中航光電的高壓連接器產(chǎn)品占有率很高，其EVH2系列高壓互鎖連接器具備高壓互鎖、360°屏蔽、二次鎖緊及二級(jí)解鎖等功能。

▲中航光電 高壓互鎖連接器

02 | 電磁屏蔽

由于電動(dòng)汽車(chē)中的電子器件在高頻率下產(chǎn)生磁場(chǎng)，整車(chē)零部件必須具備抗電磁干擾能力，特別是高壓系統(tǒng)的屏蔽連接器和電纜，對(duì)于防止EMC問(wèn)題至關(guān)重要。為了有效管理電磁干擾，車(chē)規(guī)級(jí)高壓連接器及線束通常會(huì)配備電磁屏蔽層，將電動(dòng)車(chē)電磁輻射水平限制在低水平。

例如，君灝新能源的過(guò)孔連接器符合USCAR，連接器產(chǎn)品具有360°屏蔽、高防護(hù)等級(jí)、高耐鹽霧等級(jí)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)線束防退和防轉(zhuǎn)功能，連接器適用于配電盒、電機(jī)、電機(jī)控制器、PDU等設(shè)備的強(qiáng)電的出線連接。

03 | 絕緣監(jiān)測(cè)

根據(jù)big-bit產(chǎn)業(yè)研究室的調(diào)研，在高電壓大電流的情況下，高壓連接器的溫度升高不能超過(guò)額定值。在選擇外殼材料時(shí)要考慮重量、強(qiáng)度和是否易于加工，而且在不同溫度下連接器端子的材料性能如何保持穩(wěn)定性、如何保證必要的導(dǎo)電率等都需要考量。

在標(biāo)準(zhǔn)QC/T-1067下，連接器的絕緣性能通過(guò)兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)確保：連接器絕緣電阻和連接器絕緣介電強(qiáng)度。

連接器絕緣電阻要求在500V電壓下，連接器內(nèi)部相鄰端子間的電阻達(dá)到2100MΩ，以保證足夠的電絕緣性。連接器絕緣介電強(qiáng)度測(cè)試則是在交流1000V或直流1600V的電壓下持續(xù)1分鐘，確保連接器相鄰端子之間以及端子與連接器塑料外殼之間不會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)斷裂或擊穿，同時(shí)電流泄露控制在1mA以下，從而驗(yàn)證連接器的電氣絕緣性能符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

04 | 防水防塵

新能源汽車(chē)涉水后，高壓動(dòng)力系統(tǒng)以及其他零部件可能因?yàn)樯嫠苯訐p壞或降低絕緣性能，存在漏電風(fēng)險(xiǎn)，具有非常大的安全隱患，因此高壓連接器的防水性能也至關(guān)重要。

汽車(chē)整車(chē)分為干區(qū)和濕區(qū)。干區(qū)的連接器可以不需要這種密封特性，但濕區(qū)使用的連接器通常需要具備密封特性，以防止水分侵入。國(guó)標(biāo)QC/T 29106-2014標(biāo)準(zhǔn)下，濕區(qū)的連接器至少要滿足IPX7防水等級(jí)。

三、高壓化趨勢(shì)下的連接器有何演進(jìn)與挑戰(zhàn)？

第四代高壓連接器是目前應(yīng)用最廣泛的800V高壓連接器，集成了塑料外殼+屏蔽功能+高壓互鎖+二級(jí)解鎖機(jī)制，市場(chǎng)中主流的產(chǎn)品主要為280系列高壓連接器。

泰科AMP+ HVA 280系列高壓連接器設(shè)計(jì)了多種鎖扣配置和內(nèi)置高壓互鎖(HVIL)功能，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的封裝尺寸。

被廣泛運(yùn)用于東風(fēng)系新能源汽車(chē)中的君灝新能源JHEVS280 2連接器，同樣集成屏蔽互鎖功能，滿足IP6K9K、IP67等防護(hù)等級(jí)以及IP2XB電氣保護(hù)等級(jí)。

琥正電子FHV 2芯16-35方非屏蔽高壓連接器，主要用于新能源汽車(chē)的車(chē)載充電機(jī)、電池包、高壓配電盒、電機(jī)控制器、PTC、電池等部件間的高壓連接。

未來(lái)第五代高壓連接器將在第四代技術(shù)基礎(chǔ)上，集成先進(jìn)的冷卻解決方案，如液冷或風(fēng)冷系統(tǒng)，以提升能量傳輸效率，減輕重量，并增強(qiáng)產(chǎn)品的整體性能。

胡長(zhǎng)生教授認(rèn)為，汽車(chē)的不斷高壓化對(duì)連接器技術(shù)人員提出了更高的要求，“一是因?yàn)閺?00V變到800V，甚至更高以后，以前車(chē)子上用的材料有很多的可能是不能用了；二是它的變換器的設(shè)計(jì)也會(huì)不一樣”。

那么，日漸高壓化的新能源汽車(chē)電壓平臺(tái)，將給連接器廠商帶來(lái)什么樣的挑戰(zhàn)?

精益達(dá)對(duì)此表示，高壓大電流對(duì)連接器需要高可靠性，同步取決于電池充放電數(shù)據(jù)。在固態(tài)電池技術(shù)不斷升級(jí)的情況下，進(jìn)一步加大工作電流，壓縮充電時(shí)間，這方面的連接器材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)需要進(jìn)行持續(xù)升級(jí)。

君灝新能源則覺(jué)得連接器產(chǎn)品的測(cè)試與連接器安規(guī)認(rèn)證十分重要，只有不斷提高連接器測(cè)試要求，完善連接器生產(chǎn)工藝，增強(qiáng)連接器質(zhì)量管控水平，才能保證連接器產(chǎn)品高壓連接方面的優(yōu)化。而在連接器材料運(yùn)用方面，君灝新能源正積極拓展鋁導(dǎo)線、鋁棒、銅鋁排產(chǎn)品的應(yīng)用。

四、小結(jié)

總之，在新能源汽車(chē)發(fā)展得如火如荼的當(dāng)下，我們必須更加重視車(chē)輛的安全性能。

正如胡長(zhǎng)生教授采訪中所說(shuō)的“從對(duì)人類(lèi)生命的尊重和崇高理念出發(fā)，人的生命是無(wú)價(jià)的”。新能源汽車(chē)在熱管理、電磁兼容性和環(huán)境耐受性測(cè)試等每一個(gè)環(huán)節(jié)，都需要通過(guò)最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。

而在新能源汽車(chē)行業(yè)推動(dòng)高壓連接器技術(shù)向輕量化、集成化發(fā)展的背景下，連接器廠商需不斷采用新材料、新工藝，并整合智能化技術(shù)，以提升連接器的安全性和性能，滿足行業(yè)對(duì)高壓連接器不斷增長(zhǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)需求，共同助力新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)發(fā)展。

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審核編輯 黃宇