道路上的电动汽车

白皮书:
BCON+ 高压连接系统

用于动力电池的触摸安全的螺栓端接。

作者:

Alexander Ginsburg, TE Connectivity
Frank Kaehny, TE Connectivity
Uwe Hauck, TE Connectivity

我们新推出的 BCON+ 高压连接系统 是一款多功能、紧凑、坚固且触摸安全的解决方案,用于连接动力电池内部的电池模块和电池外部的高压连接点。BCON+ 连接系统结合了实心钢对钢螺栓端子与接触电阻极低的铜接触元件的优势。该系统在未插接和插接状态下是触摸安全的。它可与大量可用的导体和截面灵活互连。 

 

最新网络研讨会:

触摸安全的高压电池连接解决方案

TE 的 Alexander Ginsburg 在与 SAE 进行的一小时网络研讨会中讨论了电池组连接解决方案。立即观看录制的视频。

  1. 连动未来出行:高压连接解决方案(英文版)

从充电接口、电池到电机,TE Connectivity 为未来出行提供端到端高压连接解决方案。

减少碳排放的压力不断加大,这推动了在车辆内引入电气化推进系统的需求。电能的主要来源是电池,而在氢燃料电池车辆中,电池作为峰值负荷缓冲器发挥作用。因此,电池是动力系统电气化的核心。这些应用中使用的电池由许多单独的电池组成,这些电池分组到模块中。在所有车辆操作模式下,能量必须安全地进出电池。因此,模块连接系统必须能够在一个高功率充电周期内传输高达 600 安培的电流数分钟,但在动态驱动模式下传输更高的电流只能持续几秒钟。

 

电池模块连接还构成电池保护(超温关闭)、电池管理(电荷态,例如充电状态 (SoC))和电池平衡(不同 SoC 级别的电池之间的充电电压均衡)的物理层。为了确保这些操作,每个单独的传输电池模块都必须具有防故障电气连接。这需要高度集成的接触系统,该系统不仅能够在车辆的整个使用寿命(通常在 10 年内行驶 300,000 公里/186,500 英里)中支持全部功能,而且还必须足够坚固,能够防止振动和温度应力过度影响触点的机械和电气性能。触点还必须完全接触安全,以消除私人和商用车辆中潜在的高压和高功率危险,并确保客户和服务人员的安全以及遵守法规。

 

在插接和未插接状态下,连接系统的全触摸保护使客户和服务人员能够在装配电池期间安全地处理电池模块。特别是,在车辆使用寿命内的定期检查或维修过程中,电池模块可以由训练有素的电工轻松安全地处理,而无需昂贵的特殊工具或复杂的安全程序。

 

TE Connectivity 借鉴了铜和铝连接技术中丰富的汽车接触物理专业知识,为动力电池开发创新互连解决方案。这款全新的 BCON+ 螺栓端接系统可满足此严苛应用的所有要求。BCON+ 高压连接系统通过螺栓实现端接,可轻松分离(用于诊断或回收),同时遵循 ISO 20653 的 IPxxB 防护等级,可实现完全触摸安全。螺栓端接的机械路径和电气路径(低阻抗铜对铜连接)在功能上彼此分离,以确保制造条件下触点的坚固性和易于处理。

 

BCON+ 螺栓端接系统旨在为电气性能架构中各种互连应用中的模块连接和其他电源端接提供最大灵活性。图 1.

 

图 1:电池模块连接示意图
图 1:电池模块连接示意图。

开发目标

电动车辆中的电池模块触点必须满足非常高的要求。因此,我们的目标是设计所有导线和连接元件,以处理 400 安培(加上高达 1,200 安培的短时峰值)的恒定电流以及高达 1,000 V 的电压,并在 -40 °C 至 +80 °C 的典型电池环境温度下可靠运行。最终选择的连接器材料将能够可靠运行,甚至在高达 140 °C 的环境温度下亦如此。我们面临的主要挑战是在单个触点以最小的功率损失实现极低的接触电阻,接近商用电池的接触电阻。BCON+ 触点在整套互连系统上每侧的
接触电阻小于 10 μΩ。


这款模块连接器在设计上达到严重性级别为 3(LV214,SG 3)的抗振能力,符合制造商测试规范 LV215 对未密封系统的环境法规的要求。

 

这种类型的端接系统必须提供简单和安全的装配流程。根据车辆和电池结构,它还必须提供结构灵活性。这适用于受几何约束的连接以及连接不同的导体类型。此外,模块互连必须满足 300,000 公里(186,500 英里)或 10 年的寿命要求,并可经受高达 25 次插接和栓接周期。在电动车辆中,永久充电压力进一步增加了对电池部件可靠性的要求,并且必须将充电时间添加到总运行时间中。

 

系统描述

BCON+ 电池模块端子由电池接口处的铝铜型材和钢对钢粘接侧的柔性导线类型组成。

 

实际的电池互连通常通过扁平的铝母线来实现,后者充当模块内互连的所有电池的触点(如图 2 所示)。每个模块均通过由实心铜(铜母线)制成的扁平螺栓连接,连接到高压电池系统。这些模块将电镀铜接口的底部与由精炼钢制成的螺纹插入件集成在一起。插入式插座的接口是集成在绞合铜线(高压电缆)端接中的插入螺栓,该电缆被转换为固体铜缆,或转换为圆形大导体(图 2 )。

 

图 2:BCON+ 模块连接器,可灵活用于各种几何体和结构
图 2:BCON+ 模块连接器,可灵活用于各种几何体和结构。

在 BCON+ 端接系统中,高压电缆触点与母铜接口插接在一起(图 3)。匹配编码(= 正确的互连)可释放预锁过程,将电缆锁定到母线,以便在后续栓接过程中轻松实现双手装配(即架空装配)。

图 3:BCON+ 端子的插件底座和接口经过插接、锁定,随后用螺栓固定
图 3:BCON+ 端子的插件底座和接口经过插接、锁定,随后用螺栓固定。

两个端子部件都封装在由玻璃纤维增强塑料制成的上下外壳中,以防止手指与带电部件意外接触(IPXXB = 与直径大于 12 mm 且最大长度为 80 mm 的物体无接触)。塑料部件的阻燃条件符合 HB 标准,可应要求提供 V0 保护。套管形状充分利用了可用的安装空间(图 4),即使在有限的安装空间中也能确保最大的安全性。所有带电部件都封装在护套中,并由硅涂层或耐高温玻璃纤维织物护套覆盖。

 

铝母线和实心铜接口之间的互连(即电缆侧的绞合导线和铜接口之间的互连)通过各种焊接或粘接技术实现。

 

 图 4:紧凑型 BCON+ 螺栓端接系统:左侧:螺栓端接;右侧:端子底部带有可见的圆形接口,中间为螺纹套筒
图 4:紧凑型 BCON+ 螺栓端接系统:左侧:螺栓端接;右侧:端子底部带有可见的圆形接口,中间为螺纹套筒。

用于拧紧圆形铜接口的固定 M5 螺栓由 TE Connectivity 从钢化材料中开发而成。螺栓头用塑料塑型而成,并用标准内六角螺钉拧紧。钢螺栓与平贴装表面的两个圆形接口相交,然后将螺纹套筒穿过 BCON+ 螺栓端接连接器的下部(图 5)。

 

图 5:BCON+ 螺栓端子连接的分解图
图 5:BCON+ 螺栓端子连接的分解图。

这种结构仅在钢对钢系统中应用机械张力,与以前由机械预紧力建立的铜对铜电流路径上的电气互连功能完全分离(图 6)。

 

为了应对不同的接触挑战,实心铜母线有多种外形规格可供选择,包括直线或弯角版本和可选偏移(= 不同的偏移高度)。

 

互连系统底部一侧的触点可以用不同的编码,并且可以以 90° 的增量旋转,以防止意外插接,即不正确地将外观相似的互连电缆编码到铜母线上。

端子详细信息

由于没有可分离接口提供足够低的接触电阻,因此选择了螺栓端接。这将在电流为 400 安培(需要小于 10 μΩ 的接触电阻)时,在振动情况下提供必要的电气连接性能。螺栓端接通过用所需扭矩拧紧的 M5 螺栓产生所需的高接触法向力。电气接触区域的顶部和底部由电镀铜 (Cu) 构成,环型表面平整。此几何体尽可能增大了电气接触接口的表面积。螺栓设计考虑了铜和钢的热膨胀系数的不同,在低温 (-40°C) 和高温 (+140°C) 环境下暴露后,扭矩损失最小。在环境测试中,根据 LV215,BCON+ 螺栓端接将指定的重新拧紧扭矩保持到端子使用寿命结束,从而证明了功能安全性。

 

连接点和可能的触点

可以在实心铜母线和单个电导体之间形成节省空间的对接接头,例如,通过硬焊接电阻对接焊。由于两个连接伙伴之间的硬焊材料具有更高的电阻,焊接电流可在焊料区域产生连接元件的局部熔化,随后接触伙伴将物质到物质的低电阻对接连接。在绞线中,电缆尾部通常在焊接前压实。或者,使用传统的焊接程序,也可以通过重叠进行连接。然而,为了充分利用可用空间,我们选择了对接连接。图 7 显示了几个几何选项。BCON+ 螺栓端接设计用于 16 mm2 至 100 mm2 的导体横截面。

图 7:BCON+ 连接系统的不同几何形状和不同的导体连接
图 7:BCON+ 连接系统的不同几何形状和不同的导体连接。

可以用圆形实心导体、绞线导体(圆形和扁平)和(直线和偏移)铜平面触点进行连接。紧固夹和可防止机械摩擦的保护盖构成该产品组合。

 

由于其极其紧凑的尺寸,所有系统元件都完美插接。这也适用于电气互连的两个环型触点。理想情况下,环型触点集成在铜平面触点中。但是,也可以将它们作为单独的零件焊接到铜平面触点上,或直接将其放到铜平面触点上。所需的接触电阻决定了可以使用哪种方法。与铜母线一样,接触环由实心铜制成。接触区域在镍 (Ni) 上电镀银 (Ag),镍作为扩散屏障,银起到防污作用,降低了接触电阻并确保元件在生产后长达一年内仍然有效。在生产过程中,铜平面触点在定义的负荷下固化。偏移铜平触点版本可跨越障碍物或补偿偏移。

实际接触电阻小于 10μΩ 是一项出色的成就。这主要是由铜的电阻造成的不可避免的物理损失(约 7 μΩ),以及两个环型触点之间的接触电阻
在较小程度上造成的损失(大约为 3 μΩ)。也可以采用同样的方式实施其他要求(例如飞溅水防护)。此外,BCON+ 螺栓端接可以针对更高或更低的电流进行缩放。

 

总结

TE Connectivity 推出的 BCON+ 连接系统是一种功能强大的低电阻螺栓端接系统,即使在空间有限的情况下也能实现可靠且完全接触安全的钢对钢栓接。机械张力和电气接口彼此完全分离。同时,低接触电阻与高耐用性和安全性相结合,使 BCON+ 螺栓端接成为电池模块和电池外部其他高功率应用的可靠、安全的高压连接系统。

互连选项的灵活性(各种铜平面触点形状、各种导体选项)仅支持一个系统,可实现不同的触点配置和不同的几何触点形式(偏移补偿、复杂线束布线)。不同的编码选项和 90° 增量旋转支持安全装配。在插接过程中预锁螺栓端子简化了生产处理过程。遵循 IPXXB 的触摸安全技术可确保用户在所有相关车辆生命周期阶段(生产、维护/维修 - 以及在非专用车库内 – 回收)不会接触带电部件。

触摸安全、紧凑的 BCON+ 螺栓端接系统是一种灵活、可扩展的连接解决方案,适用于能够批量生产的电池。在未插接和插接状态下的触摸安全处理技术以及低电阻电气连接使 BCON+ 连接系统适用于高压应用,从而将 BCON+ 模块互连产品定位为实现高压电池系统安全操作和安全处理的关键元件。