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摘要：某型号电连接器设计要求在室温环境通流80A的温升小于30oC，在设计初期对电连接器进行了温升仿真计算，温升为56.63oC。基于电连接器的温升影响因素和控制途经，对电连接器进行优化后，仿真计算得到温升可降低至23.28oC。测试结果表明，电连接器的温升为24.70oC，验证了低电阻率和高导热系数的接触件材料以及增加散热面积对于降低温升的有效性。

关键词：电连接器；温升；仿真；优化

The design requirement of electrical connector temperature rise with 80A current is less than 30oC in room temperature. In the early design stage，the electrical connector temperature rise of 56.27oC was analyzed by temperature field simulation. The temperature rise can be reduced to 25.28oC after optimization based on influence factors and control methods. The experimental results show that electrical connector temperature rise is 27.32oC，which verifies using the high conductivity material and increasing contacts cross section and heat convection area can reduce the temperature rise effectively.

Keywords：Electric Connector；Temperature Rise；Simulation；Optimization

1引言

在连续通电情况下，由接触件体电阻和接触电阻产生的焦耳热会使电连接器温度升高，温度过高会降低电连接器的工作可靠性和使用寿命。此外，温升已成为电连接器设计的一项关键技术指标，例如，行业规范要求电源连接器的温升一般控制在30℃以内。尤其对于一些大电流连接器，如果在接触件选材、结构设计等方面控制不合理，极易造成接触电阻过大，导致温升不满足设计规范要求。高温严重的甚至会导致设备发生火灾、爆炸，危及客户的财产和人身安全。

由于大部分电连接器的接触件结构多样、复杂，往往无法直接通过经验公式获取精度较高的温升计算结果。为缩短电连接器的研制周期，降低质量问题的改进成本，本文对设计初期的电连接器进行温升仿真计算和优化，使电连接器温升满足设计要求。

2温升影响因素及控制途经

2.1 温升影响因素

温升源于电阻产生的焦耳热与散热的平衡，故电阻与散热能力成为影响电连接器温升的主要因素。电连接器在设计时一般规定了额定电流，电流对温升的影响不仅体现在接触件体电阻产生的焦耳热，还主要体现在电流造成接触电阻增大，进一步造成温升增大，电流对温升的影响过程见图1。

2.2 温升控制途经

由上述电连接器温升的影响因素可知，降低电连接器温升的有效措施主要包括减小电阻和提高散热能力。

2.2.1减小电阻

（1）减小体电阻

接触件的体电阻与材料的电阻率、长度和截面积相关[1]，见式（1）。因此，在条件允许的情况下，接触件应选用低电阻率的材料。此外，还可对接触件做大截面、短路径的结构设计，从而实现减小体电阻的目的。

（2）减小接触电阻

减小接触电阻的措施包括选用低电阻率材料、采用面接触形式、增加接触压力、减小接触温度、降低接触面粗糙度等。值得注意的是，单纯增加接触压力虽然能够降低接触电阻，但会造成插拔寿命降低，所以结构设计时需寻求合理的接触压力。

2.2.2提高散热能力

（1）使用高导热材料

对于额定电流较高的电连接器，选择接触件材料时，不仅要考虑材料的高导热性，还要保证材料能够达到一定的机械性能需求，选择材料时一般遵循以下原则。

（a）低电流，高机械性能：可选择铅黄铜和磷青铜，如HPb59-1和C5210；

（b）高电流，高机械性能：可选择铬锆铜，如C18400；

（c）高电流，低机械性能：可选择普通紫铜，如T2。

（2）增加散热面积

在电连接器结构设计时，除了应将接触件与塑胶结构保持连续性、较大面积的接触外，还可以在壳体外表面做挖槽、加筋、开孔等处理，以达到增加散热面积的目的。

（3）减小壳体壁厚

在塑胶结构满足强度设计要求的前提下，可在接触区域产生高温的位置做壁厚减小处理，利用自然对流将热量快速散发出去。

3电连接器温升设计与优化

3.1建立热平衡方程

根据传热学理论可知，电连接器传热包括热传导、热对流和热辐射三种方式[2]。由于电连接器在使用时为额定电流，当生热功率与散热功率达到动态平衡后，达到热稳定状态[3]。根据传热学相关定律与能量守恒定律，可建立电连接器的热功率平衡方程：

式中，n—接触件个数，无量纲；I—额定电流，A；R—总电阻，包括接触件的体电阻和接触电阻，Ω；λ—导热系数，W/（m·K）；T—电连接器的温度，K；x、y和z—电连接器空间三维坐标，m；h—空气自然对流换热系数，W/（m2·K）；A—散热面积，m2；Tamb—环境温度，K；ɛ—热辐射率，取值为0～1，无量纲；σ—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/（m2·K4）。

3.2电连接器结构设计

电连接器的结构设计模型见图2，由插头和插座两部分组成。接触件材料为铅黄铜HPb59-1 H02，电阻率为6.1×10-8Ω˙m，导热系数104.7W/（m˙K）；基座和壳体材料为工程塑料PBT RG301，导热系数0.28W/（m˙K）。

3.3电连接器温升仿真

对电连接器进行温升仿真计算，最高温度为78.63oC，发生在接触件的接触部位；温升达到了56.63oC，需进行温升设计优化。结合电连接器的温升影响因素和控制途经，经查询相关资料，对比分析接触件常用材料在室温下的电阻率和导热系数，见表1[4-8]。铬锆铜合金C18400的相对电导率达到86%，导热系数为320W/（m·K），属于HPb59-1 H02的理想代替材料。因此，将接触件材料由HPb59-1 H02替换为C18400 R540，保持其余材料参数和边界条件设置不变，再次进行仿真计算。电连接器的最高温度为49.52oC，温升为27.52oC，可满足设计要求。

为进一步降低温升，对插头的塑胶件增加了孔特征，以达到增加散热面积的目的。仿真计算得到电连接器的最高温度为45.28oC，温升为23.28oC，温升降低较为明显。

4电连接器温升测试

根据优化结果设计电源连接器并进行温升测试。首先，在接触件的温度测点位置安装固定热电偶；然后，通过锡焊使两个接触件串联，并焊接测试线缆；最后，将待测电连接器放置在充电桩温升试验仪器的非封闭空间测试台上，接通80A电流后，使用多通道数据采集器记录温度，测试过程见图3。

电连接器在室温下的测试结果为24.70oC，温升仿真结果比测试结果高1.42oC，这是因为考虑到为了方便仿真建模，简化了测试线缆和铜排，实际测试时线缆和铜排会通过热传导和热对流散失一部分热量。

5结论

本文对电连接器进行温升设计和优化，使温升满足了设计要求，并得到以下结论：

（a）总结和分析了电连接器温升的影响因素和控制途经，可用于电连接器的温升设计指导。

（b）设计初期的电连接器温升为56.63oC，不满足设计要求。基于电连接温升的影响因素和控制途经，将接触件材料由HPb59-1 H02替换为C18400 R540，并增加散热孔，仿真计算得到温升降低至23.28oC。

（c）电连接器的温升测试结果为24.70oC，验证了温升仿真分析方法的准确性，采用低电阻率、高导热系数的接触件材料以及增加散热面积，可有效降低温升。

参考文献：

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