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新能源汽車市場火爆,引發線束加工技術革命

2020-11-10 3405

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據悉,日前,在2017中國新能源汽車動力電池系統先進電連接技術論壇上,60+動力電池/pack企業、30+新能源汽車整車企業、150余名電連接技術專家;8個精選電連接主題以及一場6位行業電連接專家同臺對話沙龍,其中,安費諾的萬總給大家帶來 “新能源汽車高壓連接器的技術及未來趨勢” 主題分享。

以下是分享內容:

首先謝謝李總,我先自我介紹一下,我是來自廣州安費諾的萬夕武,因為安費諾有很多公司,我們是為數不多從事新能源產品到方案提供的廠家之一;我本人之前一直從事技術崗位工作后轉型作為業務人員,跟前面幾位大咖相比的話,我的內容沒有那么多,因為在市場上接觸得久了,我做了一些梳理了歸納。我的內容主要分為六個部分,第一個公司介紹放最后講,避免為了浪費大家時間,直接從第二點開始,包括標準測試、安全防護以及常見的一些問題和案例方面,包括我會聊一聊連接器的趨勢。高壓連接現在聊得很多就是三電,電池、電機、電控,但是其實我們要看到,我們其實還要重視一點,就是一個高壓系統。高壓系統有高壓線束和連接器構成。

這張圖大概講一下,這是我們Amphenol TPI對于整個車和電池可以提供的連接方案,包括高低壓的線速系統,還有連接器。當然這個盒子的話,商用車和乘用車不同,可能有一些BDU小盒子,可能也會有一個大的高壓箱。PACK也會有一些連接器,包括采集的一些線束,還有一些模組之間的連接,這邊就不展開講了。我梳理了一下,高壓連接器現在的標準,其實從外充電開始,它也可以歸納為連接器,但是這邊就不多說了,主要我加紅的這些標準,大多是設計連接器要去參考的一些標準。其中像TE Amphenol 等國內外一些同行做連接器的時候,就會提到符合LV215(或SR215)的等由歐洲AK工作組起草的標準,因為我們國家的國標目前還只有草案,同時新的國標里也未提及較細的內容,所以大多數現在還是按照行業的標準做引導結合實際工況環境需求進行設計,這個里面可以著重的看下LV和USCAR的標準 ,對應的我也加了一些對應的電纜標準,感興趣的朋友回頭可以自己看一下,有需要的可以聯系我,我提供這些標準給你。這邊的話,我想聊一下測試,因為乘用車是主流,大眾標準明確規定至少15年或300000公里,更多看的不是連接器,這個要求能不能滿足,其實我跟客戶更多要看的是你產品長時間工作的一個穩定性,這個很重要,因為我可能在選用連接器的時候,剛開始選用的時候沒有問題了,但是用了一段時間可能會出現這種那種的問題,你這種測試,比如說講防護是過的,但是為什么會出現問題,因為是一個關聯性的,因為車一直是在路上,有可能你的一個加速,你的一個剎車可能對靜態上的測試防護會有影響,所以這是一個比較復雜的點,所以更多的要去模擬,做各種綜合環境的模擬和仿真,其實更多是看穩定性,就是你這個連接性在各種場合,各種比較復雜的一些因素下是不是還能保持你一開始設定的技術要求,我覺得這是非常重要的,尤其是在像我們國家電動汽車未來是一個大趨勢,當市場的數量級堆到一定程度的時候,這個其實很重要,比如防護失效,可能導致一系列的故障問題,帶來的可能是大面積汽車的召回、維修。

所以一些企業產品開發都會去做一些檢測項目,確保在連接器使用過程中的安全性,這張表我只是大概列了一下,基本上就是四類,你像外觀就是說你的一些損傷或者怎么樣,這些測試的話都是要去做一些機械測試,這些地方我不去展開講。我們很多的主機廠朋友,大多數會問連接器有什么樣的測試報告,我們都會分成兩類,我的理解就是說,這就像一個孩子的出生證明一樣,我出生的時候自帶了所有的實驗,我可能要做一系列的全套的測試,出廠檢測的話就不會這么多,可能就是說對一些必檢項做一些檢查,否則可能會損傷產品,你沒辦法頻繁地檢,可能會損害長期的性能,也可能只是抽檢,其實在選連接器的時候,這兩項的實驗最好都要去看,但是我們要根據我們選的連接器在車上某一些部位不同,它的一些特殊性能,比如我們使用位置在這個底盤上面的,可能外部裸露的環境比較惡劣,就要去看你的實驗,你當初做的程度,包括有沒有第三方的實驗,看到這以后,你可能還要去做一些內部的測試,可能就是說匹配你的一些設備去做這樣的測試,其實考慮的時候,我們也要局部去考慮,可能有一些標貼的性能是否牢靠等等。

這張圖是我之前做過的一個自主方案,以此為例我們來看看連接器的一些設計要素,連可能我講的不是很多,因為連接器對于一個真正從事連接器人員來講,可能考量的點比較多。其實這些細節點,我們看到的時候有必要看一看,因為不是所有的廠家都能考慮到這一點,產品設計的時候也會參差不齊,這個也很正常。第二個,我們先從這邊看,剛才李總也順帶講了一部分,我這邊的話再重復一遍。對于連接器來講,其實它是要看整個的高壓系統來講,其實高壓設計通過電氣信號來確定。一般來說,高壓先斷開,后斷開載流pin反之插入的時候更好是相反的,大多數廠家會把高壓設計放在內部,其實也有一部分廠家會把高壓互鎖放在內部,上面會加一個高壓互鎖的方式,相當于外部的一個小接觸一樣,重要的是你要確保高壓互鎖的穩定性,如果說你的高壓互鎖不連續,可能帶來的影響會很惡劣,因為容易失效,所以說針對這種內置設施,其實就是要考量有沒有這種CPA的結構,進行一個保護來確保它在這些不確定的環境下很牢靠地去接觸,我們可以在選型時候,其實都可以問一問連接器的廠家的人員,你們對這點是怎么做保護的,或者如果說電池再選用的時候出現了問題,你們去解決方案的。另外一個點,我覺得要關注組合,其實就像我剛才講的,公共復雜,所以連接器的穩定性非常重要,對于這種二次鎖的結構很重要。其實我這個地方要強調一點,我理解真正的二次鎖不是有一個二次的保護作用,要有效地對其保護,什么意思呢?你這個鎖是鎖上的,但是你鎖上的話,你在使用的過程中,這個鎖脫落了,或者沒有查核到位,二次鎖就是確保當你這個鎖鎖好以后,對第一次鎖進行保護,這應該是一個很主要的作用,我在加一道鎖好不好,這個其實不是這么一個意思了,這是二次鎖我的一些理解,其實我們看這個搖臂機構,雖然我這邊沒有細查它有沒有標準要求,但是它是跟插板力有關,其實所謂的機械省力氣結構要有一種類似于搖臂機構的形式,能夠很輕松地把連接器插到位,對于搖臂的要求,USCAR25里面講到了更多的搖臂的人工立學的可操作性,包括材料的選擇。其實大家可以看看這樣的標準,很多連接器廠家大多會看uscar37的標準,因為uscar25的標準其實不是作為一個技術性標準,怎么能夠讓用戶用得很舒服,包括怎么牢固,它是從這個點去考慮,人機力的角度,所以這個挺有意思,大家感興趣的話可以看一下。這是我們大家常見的連接器的出線方式,這個地方的方式其實也都是兩三種,要么是壓接杯,要么是銅排連接等方式,很多公司也會根據客戶的要求進行定制化。另外一個點,我可以講一下它的防誤插鍵位,在整車上面,你比如說像高壓箱或者集成控制器,會用到很多的連接器,有可能會有很多的單芯、雙芯,經常會出現強插插座等誤操作,所以為了避免此,這種設計非常重要,通常一個系列會有顏色和機械結構兩種對應防誤差,當然在產品型號體現上也是有所不同,其實在LV215的標準上,有一個最低的機械誤差結構耐受力的判定測試,最小的差和力是300,你設計的結構一定要符合這個標準,感興趣的朋友可以去看看。

這邊的話,我會講一下我自己的一些看法,對于高壓連接器的幾個比較重要的安全防護點。

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第一個,我們會講一下密封,大家可以看這張圖比較直觀。連接器的防護主要分在三個布置,一個分別是板端,另外一個就是還有一個線端,線端連接器跟電纜之間的防護密封,對于電動汽車的高壓連接器,其實防護的性能不斷地提高,我兩三年前再做設計的時候,其實IPI67的要求已經很高了,但是隨著現在我們的電動汽車數量的上升,包括要求逐步的提高,包括這種趨向,其實現在看來,IP67的要求不能滿足正常的使用要求,當然這也不是絕對的,還要去看連接器在你車上使用的位置。因為根據高壓線一般來講,其實都會懸掛在底盤下面,高壓不得進艙內這也是一個原則,所以說大多數高壓連接器都是會在底盤靠近地面,或者靠近輪轂的位置,當一些天氣惡劣的時候,比如說嚴酷的天氣很大的暴雨或者說一些嚴寒的天氣,你的輪胎帶起來的水其實會沖擊這些連接器,如果大家熟悉測試的話,國內標準沒有IP6K9K一說,你會發現如果IP67的話,高壓水槍的沖擊的壓力,其實沒有6k9k大,你可以看一下,你的汽車高度行使的時候,可能壓力會很大,所以說67有的時候是很難滿足實際的使用要求。這一點的話,我是截著國標的一個草案稿,其實將密封等級分了兩個,他在S2等級的話,明確規定適用的場合是底盤的位置較低,他推薦的就是6K和9K,所以未來連接的話,防護的話一定是6K和9K,可能你在高于底盤的位置,往艙內走一點的位置,或者在一些設備內部的位置,其實還是沒有問題了。

另一個我們聊聊EMC EMI,其實電動汽車有很多的電子器件,而且高壓和大電流會產生磁場,所以整車零部件要有抗干擾的能力,而且就是說未來像無人駕駛會像雷達、或者5G的通訊,尤其是電動汽車現在作為一個基礎,因為無人駕駛會在這個基礎上更多地開發,所以是非常重要的一個點,對于高壓系統而言,屏蔽可能連接器、電纜是非常重要的,但是其實我們更多的是要優先考慮系統級的布置,你要去看一個高壓電纜和高壓連接器的要求,因為這是一個前提條件,如果你的OBC,你布置的位置,包括你的DCDC,是不是本身可能會有一些先天性的問題,其實你的連接器做得再好,也會出現這種干擾的問題,所以說你首先先考慮系統型的,其次考慮零部件級的,這邊有一張圖,我們可以看到,等于說把設備到設備之間的連接的環節全部打包,全部做好屏蔽,其實集中也是存在3個位置。電纜的話其實我不多說了,做電纜的朋友下次可以來講講,其實目前電纜的屏蔽效能基本可以滿足要求,要做再好的話,短時間是很難的。因為你之前全部做好的話,你連接器之間的屏蔽也很關鍵。對于連接器屏蔽的話,我們一般會采用三個方式。我們在一些塑料連接器上,經常會看到,里面會有金屬殼子屏蔽罩,你的電纜屏蔽層會跟金屬殼的屏蔽層相連,形成一個這么有效的360度的屏蔽層。另外一個,其實這是一種方式,我們會經常發現,大多數的高壓小電流的連接,都不會有二次的連接,會采用跟電纜的屏蔽層相接,這種方式的話,也是現在有廠家常用的方式,包括國內一些比較知名的主機廠,他們也在考慮這種方式,其實我們講叫spring contact(英文),其實就是一個彈簧的連接。這種的話,好處也是很多的,因為尺寸、空間會更小,它的接觸點也會更多,甚至像章羅森勃格也把這種方式作為一個高壓;連接器的接觸載體,主要代表的公司像瑞士的寶馬彈簧、美國的巴塞爾等,他們在這塊也是做了很多的案例,包括他們在國外做了很多應用。大多數我們會用金屬壓金環比較牢靠,用一個鋁箔纏繞,所以對于連接器來講,人家都說連接器很貴,所以這些點累計起來之后,會導致成本上升。你要想這個行業未來大幅降本的時候,其實你要處理材料上考慮問題以外,供應鏈說優化選擇以外,可能更多還要從設計的角度去考量,怎么樣尋找一個平衡點,這個很重要。我們在這邊也有一種屏蔽方式,我們Amphenol TPI 自己的一種方式,它通過一種類似于波形彈簧一樣的形式,可能做一個屏蔽,這種方式我們也在很多的電控廠家做過測試,包括國外的項目我們也做過。實事求是講,我們拿出來比較新,相對傳統來講還是不錯,至今為止還可以。

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這頁的話我會講一下耐溫,連接器因為溫升較高,我覺得是兩個方面,可能你的物質環境的因素,另外一個是物質環境加熱,其實說影響還是挺多的,比如說你在密封艙內,或者等等其他的一些地方,其實你的應用部位不同,包括一些國內外的標準不同,目前看到的最高要求是175℃,在選擇連接器的時候,首要條件還是要考慮工作范圍值,因為你比如這個連接器用在什么位置,你要看這個位置的環境溫度大概是多少,這個很重要。因為你長期處于一個高溫的環境,大家都知道連接器材料都是金屬、塑料、橡膠,它可能散熱沒有那么好,而且當你持續在一個內部溫度排不出來的話,內溫會持續升高,帶來的一些問題會很多。在我看來,你自身也歸結三個電,一個就是板端連接點的問題,你導向的壓接包括中間的接觸一個部件溫升的問題,無外乎這三個部件的一個問題,其實衡量指標的話,大家說接觸電阻越小越好。對于線端的話,往往大多數線束廠壓接的好壞直接影響電阻大小,我們也會看到國內的一些廠家,這個拉脫力是符合的,我的電阻也是OK的,沒有問題了,其實慘痛的教訓告訴我們,其實不一定是OK的,一定要去做很多的模擬測試,你要去看,你是否壓得很好,只有大眾體系或者你像安費諾都是有自己內部的壓機規范體系,這個其實很重要,而且每一家的體系都是自己摸索出來的,行業里面雖然也有對應的標準,但是那個標準像李總講的比較通用,其實真正拿到實際上來講,像電動汽車這樣的行業,更多是自己內部的經驗。

另外的話就是板端的連接,大多數跟開發商、設備內部以銅排的連接居多,前面幾位大咖都講過了,你的設計一定要用螺栓,或者你要用這么一個預防措施,防止供貨的時候松脫了,同時在螺栓連接時,一定要根據操作規范,我們碰到的問題很多,這個問題打火燒掉了,你一定要按照我的操作規范,你這樣的話一定要去保證規定的范圍內,因為超過的話可能問題會非常地多,對于中間差的話,大多數就是接觸鍵來實現。比如說典型的contact的插片,包括我們安費諾的RADSOK,還有扭簧式的,還有像MC的“表帶式”,所以說我們需要考慮插拔,包括插拔后的穩定性,才能綜合地來看用哪一種方式比較合適。比如說你的彈簧式,后面有機會的話,我可以單獨聊聊這些連接接觸端子,我自己也有這樣的搜集和整理,如果感興趣的話,我可以把這塊分享給各位。

安費諾TPI目前采用了安費諾最新一代RADSOK的技術,而且我們下一代產品會用到安費諾的更新的連接技術,其尺寸會更小,我們的產品也會通過跟客戶溝通,增加溫度傳感器等等一系列的方式,盡量地去避免耐高溫帶來的一些危害,能夠做一些提前預判,而且這種方式在國內應用得比較多。

這邊的話,我大概講了一下,可能不一定全面,也不一定對。我覺得塑料連接器跟金屬相比,塑料的連接器更有優勢,在我看來乘用車的主流趨勢肯定是以塑料連接器為主,但是我不認為這個車上所有的地方就一定要用塑料連接器,可能要根據在車上的應用部位和應用環境,包括你的載流,包括你的綜合因素去考慮,你選擇的是哪一種材料更為合適,大家會比較感興趣,當然也會有一些,我們在整個現場,原來我自己也做了很多塑料元件,其實從我的角度來講,我們會發現TE、安費諾也會有問題,但是我們要去看這個問題都是什么問題。溫度這塊的話,電動汽車的快沖和啟動的電流一般都很大,當你再爬坡,一個坡接一個坡,有點類似主機廠自己做的循環測試一樣,你一直不停地大電流地負載,所以說累計的高溫會破壞絕緣材料,這一點可能會根實驗室的測試有所不同,因為它的公共環境復雜,所以長期處于高溫、低溫,即使會做一些高低溫的沖擊實驗或者循環實驗,其實很多廠家包括我們在內,我們也做了這樣的實驗,但是現實你會發現依然有這樣的問題,他的環境很復雜,所以塑料材料的話,因為本身會有一個吸附性,所以才會隨著長時間的使用,它的吸濕性比較大,所以建議塑料連接器可能更適用于200A以內。你比如說可能你的一些對屏蔽要求高,對靠近內部的密倉的位置,可能更傾向于選一些金屬的連接器,隨著我們不斷地去搜集各種各樣的數據反饋,在國外的話,甚至連接器的廠家設置到很多整車的數據返回,他們會形成一個聯盟,他們更多的數據不斷的改良,達到一個最佳的方式,隨著我們量上去以后,包括很多連接器廠家在這方面走,拿到更實際的數據,不停地去模擬這種環境下,連接器是否穩定,包括我們新材料的研發和攻克,成本能夠商業化,在不久的將來,這些都不會是問題,都會被克服掉。

相比較而言,鋁合金也好,像我們是鋅合金,就算鋁合金的更輕,鋁合金的密度應該是二點幾,但是塑料是一點幾,無論是哪種方式,你的重量還是很大,但是金屬的連接器尺寸還是很小,而且強度確實會很高,因為在長期使用的時候我們會發現,我這個塑料強度很高,沒有問題了,你會發現,因為我以前也接觸過很多反饋,比如說你的車拉到北方長期用的時候,其實你看沒有問題了,但是突然有一天不經意小石子碰上去就開裂了,你維修中間的環節人員不一定都是那么專業,可能碰碰擦擦是很正常的,我們除了在爬電數據可能會考慮更多一點,其實是我們能夠逃掉的地方盡可能逃掉。但是人為操作的時候,不會考慮這種東西,我這個地方做得非常扎實,你的重量也上去了,這個不是大多數連接器廠家考慮的問題,一旦平衡點投放到市場以后,一些人為操作不會考慮這個東西,所以會有這樣的問題。所以講了這么多,我是覺得選連接器的時候,就像我之前跟主機廠朋友一樣,選電纜到底選哪種類型,其實選連接器也是一個道理,其實一定是要根據你的實際的使用環境,包括你在車上的布置位置,在綜合因素一起去考慮決定,因為市場上做聯系的廠家很多,可選的也非常多。

這邊的話,搜集了一個問題案例跟大家分享一下,這是一個端頭的放大,周邊的塑料已經全部融掉,是裝在一個MCU的集成里面,其實通過排查,我們確定這個三箱高壓插電,導致插頭局部高溫,而且我們最終發現,是因為這個銜接,就是我剛才講的螺栓的地方出了問題,我們認為螺栓的松動造成了會有一些縫隙,直接瞬間高溫把塑料全部融掉,有的時候我也做了一個分析,其實跟之前的分析是一樣的,就三個地方排查,包括接觸鍵的接觸不良,根據經驗,其實導致會比較多,因為大多數會去壓一些線,有一些線束廠家會買各種各樣的連接器,有一些測試的話,主機廠來說,做DVP會很煩。你丟給線束廠家做,他們也沒有那么專業,就像我之前講的沒有那么好,所以很容易造成內阻加大,一旦過流的話,接觸鍵溫度非常高。對于母端來講,更多的是螺栓的連接,這些地方可能會有一些問題。還有一個點,其實這地方沒有去洗,中間的一個接觸鍵,你的接觸不良也會造成大火,這個比較好判定,下次大家可以發現,這種方式可以通過融化的趨勢來判斷問題點發生在什么地方,如果你的接觸點很少,被瞬間地高壓擊穿,其實會發現公母端熔在一起,你一看其實是一個整體,如果像這種方式,一個端特別黑,另外一個端好像沒有特別大的事,肯定是這邊的問題。其實這個東西不太好談,因為大多數廠家發現了這個問題,做一些切面,做一些測試,包括通過一些視覺上看問題的主要原因點,這里面會有很多的不確定性因素在里面。現在大多數廠家出了問題以后,常規的手段會出一個報告,你可能解決的長短期的方式就是換貨等等一些問題,就我而言,對于連接器的把握,所以一定要從源頭上考慮,包括選型的廠家要從選型上考慮。另外一個地方,連接市場的話,你更多比如說你設計一個三芯的連接器,你可能用在電控上面,你可能更多地除了連接器本身以外,要從整車的思考角度去想,你用在這個地方的話會有一些什么問題,大概的工況是什么樣的?再去說你去設計一個產品,這是我們大概的情況,這塊是我們采用了一個內部的防護措施,這樣的話能有效密封不會出來。

最后我講一下趨勢,其實講得比較淺,在我看來我也跟很多朋友討論過,現在隨著新能源車驅動電機性方面,往往會像電機、電控會進行三合一,四合。

現在這種集成的方式,已經全部再使用,所以我跟很多朋友討論說,這樣的話會直接減少連接點,意味著高壓連接器的使用數量也會減少,這個是沒錯的,甚至可能未來在一些很多其它連接環節,大多數去采取更有效的線連接的問題,所以說單車的話,可能確實會減少。但是隨著未來兩年乘用車市場的遞增,可能會場會有300萬的量,所以說我是覺得整體的使用量還是會呈現一個增長的態勢,所以大家不用擔心這個市場的量沒有了,其實更多的你要考慮把你的產品做得更好,性能更牢靠,極早地適應市場蓬勃發展的趨勢,因為你的產品做得更好的話,你的性能要求,你的成本能降下來,即使這個市場沒有那么多量的,不可能全部都不用。第二就是低成本和輕量化,大家都知道的話,其實我也不需要多說,因為隨著2018年的補貼退坡消息不斷的放出。其實市場未來的話,無論是商用車還是乘用車市場都是需要自負盈虧,所以連接器的成本也會隨著要求大幅下降,以滿足整車對成本的要求。考慮到公共復雜跟標準的逐步要求的提高,連接器其實就像我上面講的,你要做好,一定要提高性能的前提條件,還要降低成本,當然這個也很難,你不一定要把你的供應鏈能做死,這可能是其他非研發同事要去考慮的問題,我們更多要從產品自身的結構,材料的選擇,平衡點的把握上面去做文章,怎么降下來,因為我們內部會講一句話,不要讓你的供應商沒錢賺,這是不對的,你要讓他們有錢賺,這是很重要的,更多要從技術的角度入手,從技術點做文章,這樣的話你改革的話,可能省了大量的成本,這是很多廠家從我的角度應該要去考慮的地方。

最后,我聊一下平臺化和定制化,電動汽車這種類型也多,比如說乘用車、物流車,包括你像我們前段時間給沃爾沃做的電動卡車,要求會不所不同,或者說會提出一些特別特殊的要求,所以包括還有無人駕駛,物聯網車、新能源等等,我們連接器廠家,我是覺得是也可以考慮一下,這種電動汽車細分行業需求的定制化(整車端和電池端),我覺得或許會是一個選擇不錯的嘗試,因為總體來看,這些類型的車都會在不同的場合,都有應用,其實都是一個細分領域,雖然說我的量沒有那么大,但是那個市場就是屬于我的,我在這個市場就是做到頂尖,這也是一個不錯的選擇。第二個就是平臺化,未來電池和整車都會趨于平臺化,如何跟客戶保持深入的技術溝通,形成雙方平臺化的產品很重要,因為這種東西平臺化的化,國內主機廠比較多,大家平臺現在也不同,比如PACK特別多,每家自己的模組方案、電箱成組方案都不一樣,需要和會跟主機廠進行溝通、捆綁,作為連接器廠家需要思考怎么樣做這個一個東西,適合平臺化的應用。