汪 洋，杨贵新，范建平，刘 伟，陶龙祖

（深圳市通茂电子有限公司，广东 深圳 518109）

0 引言

电连接器作为重要的机电元件之一，承担着电子与电气设备之间非常重要的桥梁作用，其可靠性以及安全性直接影响着整套设备及系统的安全性和可靠性。这些年来新能源汽车产业不断扩大，其中纯电动汽车的关注度和产量稳步上升，其内部电气系统的额定电压和额定电流也在不断增大，因此对其电子设备的性能要求越来越高，而汽车转接座作为实现汽车内部电子设备之间电连接的重要连接器之一，保持稳定的可靠性至关重要。根据标准EIA-364-70的规定，电连接器的温升应控制在30K以内。因此对于一些大电流连接器，如果设计不够合理，如接触件、绝缘体等选材不对、接触件形状设计不好、接触电阻及导体电阻控制不当等均可能造成温升超过30K，导致连接器或整个系统失效[1，2]。

综上所述，温升过高是引起电连接器失效的一个非常重要的因素，所以研究电连接器在正常工作时的温度变化对提高其可靠性是非常有必要的。因此本文针对某汽车转接座在正常通流350A情况下，温升摸底试验出现温升过高的问题，提出一种基于温升控制的某汽车转接座热设计研究方法，首先利用ANSYS Workbench热电耦合模块建立现有转接座的有限元模型，并对其进行温升分析，得到现有转接座温度分布情况。最后通过Design Exploration优化模块对现有模型进行目标优化分析。

1 现有转接座温升仿真分析

目前，针对连接器产品的热设计多通过相关经验公式或经验数据估算得到相关设计参数，最后通过实际测试以此确定该产品实际温升是否满足要求，该方法耗时耗力，一旦温升不合格，就得采取重新更改产品结构等方法降低温升以满足使用要求，极大增加了研发周期及成本。传统连接器热设计流程如图1所示。

如图2所示为现有该款转接座三维模型，转接座三维实体模型由Pro/Engineer建立。由接触件、外壳绝缘体、垫圈、密封圈4部分构成。相关材料属性如表1所示。

图1 传统连接器热设计流程Fig.1 Traditional connector thermal design process

图2 插针与冠簧接触简化模型Fig.2 Simplified contact model between pin and crown spring

表1 相关材料及属性Tab.1 Related materials and properties

1.1 有限元模型的建立

将建立好的三维模型导入Ansys Workbench中，由于是电流生热情况，因此选择Workbench中Thermal-Electric（热电耦合）模块进行温升仿真分析。前置处理通过ANSYS Mechnical来完成，定义相关材料属性，随之对其划分网格，由于接触件属于转接座的生热源头，因此网格要密一些，网格大小定义为0.5mm[3]。网格划分示意图如图3所示。

图3 网格划分示意图Fig.3 Schematic diagram of meshing

根据转接座实际使用情况，电流从转接座接触件上端面输入，接触件尾部端面输出，该转接座实际通流350A，因此接触件上端面施加电流350A，另外端面施加0V电压。转接座其他外表面与空气接触，因此设置为对流和热辐射边界条件，设置空气自然对流换热系数为4.86W/m2·℃，根据所选材料及颜色综合设置辐射率为0.9，环境温度为25℃。边界条件及载荷如图4所示。

1.2 有限元温升仿真分析结果

通过ANSYS Workbench自带的求解器进行求解，通过计算，其结果温度云图，如图5所示。

图4 边界条件及载荷施加Fig.4 Boundary conditions and load application

图5 温度云图Fig.5 Temperature cloud

由图5温度云图可以看出，温度较高处基本集中在接触件上，这是由于接触件本身作为热源，随之通过热传导传递到绝缘体，由于绝缘体下方与接触件接触处壁厚较薄，因此温度也较高。最高温度109.76℃，温升为84.76K，超出了标准规定的30K以内，因此该转接座在实际使用过程中极大可能会发生失效且可能威胁整个系统。综上所述，因此本文需对该转接座进行进一步的优化设计。

2 温升优化设计研究

2.1 转接座热平衡方程的建立

传热的基本方式一般有热传导、热对流、热辐射这三种形式[4]。电连接器在通流情况下温度升高，是由于接触件导体电阻的存在产生焦耳热，热量沿着导体轴向上传导，径向上通过电连接器外壳、其他附件进行热传导，传导至电连接器外壳的热量进一步通过热对流、热辐射的方式向外进行热量交换，直至达到稳定状态。由于本文研究的是转接座长时间通稳定电流工作状态下的温升，所以为稳态热分析。该热分析模型满足能量守恒定律，即系统自身的发热功率等于对外散发的能量，因此根据能量守恒定律及传热学相关定律可建立如公式（1）的功率平衡方程：

式中：I—通过转接座导体的电流；R—转接座接触件导体电阻；dT/dx—导体沿着轴向方向的温度梯度；K—接触件材料的热导率；A1—接触件横截面积；Ts—转接座外表面温度；Tf—环境温度；h—对流换热系数；A2—对流散热面积；A3—辐射面积；σ—斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐射常数）；ε—物质的发射率 （黑度）；ρ—导体材料电阻率；l—导体长度；s—导体横截面积。

2.2 温升影响因素分析

由于该转接座由多个零件组成、内部结构也不规则，所以根据上述功率平衡方程来计算电连接器内外部的温度场分布是比较困难的，因此只能定性分析影响该转接座温升的影响因素。

根据式（1）可知，影响电连接器温升的因素很多，从等式左端来看，工作电流I、导体电阻R越大，热功率会越大，从而导致温升较高。要使温升降低，则自身发热功率需减小，由于额定电流不变，则需降低导体电阻R，由式（2）可知，可以通过增大导体横截面积S、减小接触件导体电阻率或者减小接触件长度，由于该产品外形尺寸已确定，因此只能通过减小电阻率ρ的方式减小自身发热功率。从等式右端分析，增大接触件的热导率K、增加对流换热系数h以及增大物质的发射率ε都可以使转接座温升降低。要想改变对流换热系数h则需要改变环境，或者加散热机构，由于该转接座实际工作环境为空气自然对流环境，没有强制对流发生，因此对流换热系数h也无法改变；对于该转接座绝缘体材料辐射率定义为0.9，辐射系数由产品材料决定，而且已经达到了一个较高的值，也无进一步增大的空间[5]。因此综上所述，要想降低该转接座整体温升可通过减小接触件材料电阻率，增大材料热导率的形式降低温升。

2.3 转接座优化数学模型的建立

根据上述转接座温升影响因素的分析，由于该转接座垫圈以及密封圈都不与接触件直接接触，且结构尺寸较小，热量均是通过外壳绝缘体传导再与空气对流换热，对温升影响可忽略不计，因此不考虑优化垫圈以及密封圈结构及材料。最终选取转接座接触件电阻率P1、接触件材料热导率P2、绝缘体材料热导率P3作为优化设计变量，分别将导电率100%IACS的纯铜电阻率1.72e-8、热导率为386.4 W/m·℃作为设计变量P1的下限和设计变量P2的上限，通过查阅资料一般绝缘体材料的热导率在（0.1～2.5）W/m·℃之间。随之将转接座最高温度定义为优化目标。相关优化参数如表2所示。

表2 优化参数Tab.2 Optimization parameters

根据标准EIA－364－70规定，电源连接器的温升应控制在30K以内，因此定义转接座整体最高温度P4-25℃（环境温度）≤30K，即 P4≤55℃。因此将 P4≤55℃定义为优化目标。得到转接座目标优化的数学模型如下：

2.4 转接座优化参数灵敏度分析

通过ANSYS Workbench Design Exploration优化模块对上面的分析结果建立设计参数与优化目标的响应面模型，通过二次拟合，得到了各优化目标随设计变量变化的敏感程度柱状图[6]，如图6所示。由图6可知，敏感度系数P1＞0，P2、P3＜0，即转接座整最高温度 P4 随着接触件电阻率P1的增大而增大，并随着P2、P3值减小而减小，且参数P1、P3对P4影响较为显著，P2对P4影响程度较弱，转接座最高温度P4随着接触件热导率变化曲线如图7所示。由图7可知，在P1和P3值恒定的情况下，P2对P4影响很小，因此可忽略参数P2对结果的影响。综上，通过灵敏度分析可得到优化目标实现最优化而需要的设计变量，因此灵敏度分析可用于最终优化设计点的挑选[7]。

图6 灵敏度分析柱状图Fig.6 Sensitivity analysis histogram

图7 温升随接触件热导率变化曲线Fig.7 Variation of temperature rise with thermal conductivity of contact parts

3 优化结果分析

由上述灵敏度分析可知，转接座接触件热导率P2对最高温度影响甚微，因此在优化分析时，转接座接触件电阻率P1以及绝缘体材料热导率P3影响。通过Design Exploration优化模块进行优化计算，选择Screening（筛选法）优化方法，样本数输入10000，最可通过计算求解出3个最佳设计点[8]。相应最优参数如表3所示。

表3 优化设计候选点Tab.3 Optimization design candidates

由表3可看出，3个最佳候选点所对应的接触件电阻率基本在1.73e-8Ω·m左右，根据查阅相关材料资料，可选取紫铜T2作为接触件材料，其电阻率为1.72E-8Ω·m。绝缘体热导率变化较大，考虑到热导率越大的绝缘体材料，其成本和售价也越高，因此可在满足转接座性能要求和经济效益前提下选择热导率相对较低一点的绝缘体材料，因此综合考虑，绝缘体材料不予更换，最终转接座相关零件材料属性如表4所示。对优化后的转接座重新进行温升仿真分析，得到优化后的结果温升云图如图8所示。

表4 优化后转接座相关零件材料属性Tab.4 Optimize the material properties of the adapter part related after the optimization

图8 优化后转接座温度云图Fig.8 The adapter temperature cloud after the optimization

由上述图8温度云图可知，优化后的转接座温度分布分布与改进前一致，最高温度为45.674℃，温升20.674K。温升满足标准规定30K以内。表5所示为优化后的转接座与优化前转接座有限元温升仿真分析结果对比。

由表5可知，优化后的转接座最高温度相比优化前减小58.4%，温升在满足标准要求的前提下减小75.6%。综上分析可知，通过仿真优化后的转接座可靠性得到显著提高。继而证明该优化改进是合理有效的。后续将对该有限元分析结果进行进一步的试验验证。

表5 有限元分析结果对比Tab.5 Comparison of finite element analysis results

4 试验验证

选取最终优化后的转接座与优化前的转接座进行温升对比试验，试验按QC/T417.1-2001中4.14的规定进行。通以额定工作电流350A，当温度达到热平衡后，其接触件以及绝缘体温升不应超过30K。温升达到热平衡后采用新接触件（端子）转接座温升试验结果如图9所示。

由图9可知，转接座温度开始变化幅度较大，随着时间的推移温度慢慢趋于稳定，达到热平衡。改进前转接座稳定后的最高温度107.5℃，可得温升为82.5K。改进后的转接座最高温度45.9℃，温升 20.9K。分别对比改进前及改进后有限元温升仿真计算结果可知，误差均在5%以内。因此进一步验证了有限元分析结果的准确性。

图9 温升试验结果Fig.9 Temperature rise test results

5 结论

本文在现有某款汽车转接座的基础上，针对其实际工作过程中温升过高的问题，提出一种基于温升控制的热设计研究方法，结论如下：

（1）本文在现有转接座的基础上，建立了转接座有限元模型，通过有限元温升仿真分析，得出转接座最高温度109.76℃，温升为84.76K，超出了标准规定的30K以内，因此该转接座在实际使用过程中极大可能会发生失效且可能威胁整个系统。因此需对该转接座进行优化设计。

（2）通过 ANSYS Workbench Design Exploration 优化模块对转接座进行优化设计，选取转接座接触件电阻率P1、接触件及绝缘体材料热导率P2、P3作为优化设计变量，转接座最高温度为优化目标，得到了各优化目标随设计变量变化的敏感程度柱状图，结果表明，参数P2对优化目标影响微弱，因此可在后续优化设计分析中只考虑调整参数P1、P3。

（3）在满足相关温升标准的前提下，本文优化设计后的转接座相比优化前温升减小75.6%。转接座可靠性得到显著的提高。最后通过试验进一步验证了有限元分析结果的准确性。本文的研究成果为后续相关产品热设计提供了一定的指导意义。