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江苏连动电力王跃林:储能连接器簧片端子抗失效研究

2022-10-27 09:25来源:江苏连动电力有限公司作者:王跃林关键词:储能连接器储能系统连动电力收藏点赞

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引言

储能连接器储能系统内部PACK之间电力传输的的重要元器件之一,簧片端子作为连接器的核心部件,其接触性能的可靠性关乎PACK箱体乃至整个储能系统的安全和稳定运行。针对快插系列储能连接器簧片端子抗失效问题,江苏连动电力有限公司从簧片结构优化、簧片新材料探索等几个方面展开研究。同时公司积极将研究成果应用于新型连接器的开发,使得公司LD系列连接器的使用寿命有大幅提高。

1、储能连接器结构特点

江苏连动电力有限公司生产的快插系列储能连接器,主要包括:LD-CNZZ(F)、LD-CN 、LD-EV 三款,如下图所示:

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图1-1 LD-CNZZ-300A连接器

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图1-2 LD-CN-120A

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图1-3 LD-EV-200A

LD系列快插型储能专用连接器由插头(俗称公头)和插座(俗称母头)组成,插头内部有核心连接件簧片端子和压接线鼻组成,插座由插针组成。 其中:核心端子由翻转的扭簧(简称扭簧)固定在端子壳内 ,实际使用过程就是公头和母头互配,达到载流的目的 。

内部核心的端子结构如下:

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图1-4

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图1-5

翻簧端子在使用时,插针接触面为扭簧内表面(球面和圆柱形插针接触)为点面接触。由于在同等正压力、同等材料及结构下,点面接触形式比面面接触形式可以获得更低的压缩电阻与皮膜电阻,故扭簧结构的实际接触电阻比较低;同时扭簧利用弹性变形进行锁紧,对接触件有一定的精度要求,故插针具有插拔柔和、接触稳定可靠、抗振动冲击性好、插拔寿命高的优点,与线簧端子相比更利于规模化生产,且在大电流应用领域更具有优越性,克服了线簧端子载流能力差的缺点,而且成本低廉。

鉴于扭簧具有以上诸多优点,因此用扭簧装配的连接器被广泛用于军事工业、航空航天、铁道车辆、城轨地铁和电力储能、通信和各种控制信号的传输上。

2、储能连接器接触件失效原因分析

扭簧和与之相配的插针是电连接器关键组件,它直接影响着电连接器的可靠性。因此其接触可靠性是目前研究的重点,而接触失效的主要原因在于接触件的正压力没有达到设计要求,接触件之间太大的正压力会导致接触件发生塑性变形,影响其使用寿命,接触压力过小又会导致接触不可靠,接触电阻增大。扭簧结构使用性能的好坏不但取决于设计过程,还取决于插针的材料和加工工艺。通过上述分析可知,连接器失效的主要原因主要集中在以下三个方面:

(1)材料的研究。各种材料的性能都随时间变化,故应首先选择能长期保持可靠性的高性能材料(高传导性合金材料),然后在考虑使用环境,要具有在恶劣环境中使用的能力。

(2)加工工艺方面的研究。目前国内制造的连接器来自这方面的问题比较集中,由于加工精度和电镀能力不足,导致实际制造所得的连接器的性能和理想中的连接器的性能差异比较大,从而降低了产品的可靠性。

(3)环境方面的研究。当触点在大气环境中被腐蚀时,导致接触点表面的形状发生变化,与理想状态相比,各个参数不但随着时间变化,还会随着使用条件的变化而变化,从而影响电接触性能,最终造成电接触故障。

3、提高储能连接器内部扭簧端子使用寿命的措施

3.1、优化簧片结构

为提高连接器使用寿命,以江苏连动电力有限公司现有LD-CNZZ型储能专用连接器为例,建立结构优化模型,如图2-1所示。公司选取影响扭簧性能的4个主要尺寸作为优化变量,分别是参数喉圆直径R1、簧片圆弧半径R2、簧片倾角α、簧片槽宽H,将结构的最大应力、分离力定义为优化目标。

利用ANSYSWorkbench软件的Design Explorer 模块对现有扭簧进行多目标优化设计。优化结果表明:簧片倾角α= X°-- Y°之间时,连接器可靠性最高。目前公司已为优化设计后的冠簧结构申请了专利保护。(专利号;2018106177465)

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图2-1 冠簧结构优化参数

3.2、新型材料的应用

铍青铜虽然有“弹性材料之王”的称号,但其生产时存在毒粉尘问题,且其化合物毒性更大,铍的化合物被吸入人体,会产生一种能够使人体组织器官病变的物质,引发癌症等疾病;另外,铍青铜制造的元件出现的问题也日渐突出,如高温下抗应力松弛能力差、高温导电稳定性低和时效之后元件的变形度大等,已满足不了储能连接器的要求。

江苏连动电力有限公司针对铍青铜片弹簧存在的以上诸多缺陷,积极探索由高强高弹铜钛合金代替现有弹簧材料。首先选择Cu-Ti-Sn、Cu-Ti-Ni和Cu-Ti-Al等3个系列材料进行代替铍铜制造簧片。试验过程中,以导电率(≥20%IACS)和强度指标(HV硬度≥360)作为参考指标。试验数据表明:Cu-3Ti-5Ni的时效导电率达30%IACS,HV硬度接近210,非常接近现有铍青铜的材料性能。

目前,公司正在积极开发以Cu-3Ti-5Ni材料为主的端子内部核心簧片的试用和验证,并逐步批量投放市场。

4、总结

江苏连动电力有限公司通过冠簧结构优化,新型扭簧材料应用等方面展开研究,牢牢把握住储能连接器核心部件的关键技术,逐步缩小与国外连接器巨头公司的产品性能差距,为电力储能大规模发展和应用提供可靠的产品支撑。


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