CN114184860B - 一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考核铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，包括试验方法步骤、试验结果判定和推导出耐电流能力和温升之间的函数关系三部分内容。其中试验方法步骤包括：搭建试验台架，连接被测试铜开启试验，试验过程中的数据采集记录，判断进入热平衡后结束试验。其中对试验结果分析判定包括：制定铜排热点最高温度标准，对照标准进行判定试验结果合格与不合格；其中推导耐电流能力和温升之间的函数关系包括：根据试验过程中电流和热点温升，计算铆接端子的热阻系数，推导铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系。本发明提供的试验方法能准确掌握铜排铆接端子耐电流能力，并通过函数关系能对铜排的耐电流参数做准确地设计计算。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车用薄膜电容器技术领域，具体涉及一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法。
背景技术
铜排是由一定厚度的铜板通过激光切割、冲压折弯、铆接焊接端子、电镀、压铆螺母等工序加工而成，其作为电气连接部件，在电力电子领域有非常广泛的应用，主要作用：其一是提供电流的通路，其二是为其他功率器件提供安装特性(如端子、压铆螺母等)。所以耐电流能力是铜排产品设计和产品验证的重点。
导体的耐电流能力与其发热量和导体电阻率存在以下函数关系：
p＝j2ρ (1)
其中：
p——单位体积内产生的热量，W/m3；
j——电流密度，A/m2；
ρ——导体的电阻率，Ω·
由式(1)可知，在发热量固定的前提下，导体的电阻率越小，其电流密度越大。即在温升为关键制约因素的铜排设计过程中，要想取得比较大的过电流能力，首先要降低导体电阻率。所以铜排材质一般会采用导体电阻率比较低的紫铜。
另铜排的结构特点决定端子位置为输入输出电流最集中处，电流密度矢量比较大，加上铆接焊接端子会带来比较大的接触电阻，流过电流后的发热量比较大，温升比较高，因此可以通过测量端子处热点温升从而计算热阻，推导出铜排耐电流能力和温升之间的设计关系，为铜排设计和验证提供经验依据。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种可以通过测量端子处热点温升从而计算热阻，推导出铜排耐电流能力和温升之间的设计关系，为铜排设计和验证提供经验依据的测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法。
本发明提供如下技术方案：一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，包括以下方法步骤：
S1：搭建试验台架，选用一组恒流可控直流电源，在其输出端一侧接电流表，另一侧分别接n组开关K1，K2……，Kn，同时准备红外线测温仪；
S2：将被测试铜排连接台架，开启试验：先将被测试铜排置于烘箱内，按图1所示，输入端子连接电流表侧的电源，而输出端子分别连接n组开关K1，K2……，Kn；再将烘箱温度设定为铜排工作的环境温度，先开启烘箱30分钟后打开直流电源开关，根据预估输出电流曲线调试输出电流大小；依次分别接通开关K1，K2……，Kn；则分别形成输入端子至第一端子、第二端子、第三端子、…、第n端子之间的测试回路；
S3：试验过程中的数据采集记录：将准备好的所述红外线测温仪开启电源，打开数据自动记录功能，布局第一端子铆接处正上方，并调试成像距离为10-15mm，采集第一端子至第n端子试验过程中热成像；
S4：监视试验过程中热成像中的热点温度，当判断进入热平衡，可切换至下一个回路或结束试验；
S5：对试验结果分析判定。
进一步地，所述n的取值跟据铜排端子数量或需要测试的数量决定。
进一步地，所述铜排工作的环境温度为70℃～85℃。
进一步地，所述输出电流预估值可根据图2“环境温度85℃理论热点最高温升-输入电流”表查询，再从小到大多次收敛到一个比较准确的值。
进一步地，所述S4步骤中判断进入热平衡的标准为在持续30分钟内温度变化不超过2℃，即认为达到热平衡。
进一步地，所述S5步骤中的试验结果分析判定包括以下步骤：
S51：识别所述被测试铜排的应用领域；
S52：根据所述被测试铜排的应用领域，识别所述被测试铜排的热源是否对其他器件产生影响的，再根据其他器件材料的耐温等级制定铜排最低热点和最高热点温度标准；
S53：根据试验过程中电流和热点温升，计算铆接端子的热阻系数，形成铆接端子设计参数与被测试铜排的耐电流能力之间的函数关系；
S54：对照标准进行判定试验结果合格与不合格，根据所述S52步骤的最高热点温度与环境温度计算允许最高温升，不高于最高温升的温度为合格试验结果，表明被测试铜排可以应用于选定的应用领域；否则为不合格试验结果，表明被测试铜排不可以应用于选定的应用领域。
进一步地，所述S52步骤中所述被测试铜排的应用领域为所述被测试铜排作为逆变器、变流器和薄膜电容器；所述S52步骤中所述被测试铜排作为逆变器和变流器的最高热点温度为150℃、最低热点为125℃；或所述S52步骤中所述被测试铜排作为薄膜电容器的最高热点为125℃、最低热点为105℃。
进一步地，所述S54步骤中的允许最高温升计算公式为：允许最高温升＝最高温度标准-环境温度。
进一步地，所述S53中的函数关系为铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系：
△T＝Rsa*(IDC)2*Rs；
其中：
△T-------温升，被测铜排置于额定工作温度(如T＝85℃)下运行，稳定后记录其热点高于环境温度的值，单位为℃或K；
Rsa-------热阻，热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热功率乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升；
IDC-------流经铜排端子的电流，本发明示例中为试验台架电流表A显示值，单位为A；
Rs-------内阻，指铜排在测试回路中从输入端子分别至输出1#端子、2#端子……的阻值，单位为Ω。
进一步地，根据所述铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系推导出的热阻的计算公式为：
Rsa＝△T/(IDC)2/Rs；
推导出铜板端子最大耐电流能力为：
IDC＝√△T/Rsa/Rs；
推导出端子电流与温升之间的函数关系为：
△T1＝＝1.05*10-3*(IDC)2
△T2＝＝1.118*10-3*(IDC)2
△T3＝＝1.188*10-3*(IDC)2。
本发明具有以下有益效果：
1、通过本发明提供的试验方法能准确掌握铜排端子耐电流能力；
2、本发明提供的实验法方法通过函数关系能对铜排的耐电流参数做准确地设计计算。推导出铜排的热阻、铜板端子最大耐电流能力、端子电流与温升之间的函数关系。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的试验方法中搭建的试验台架结构示意图以及红外线测温仪位置图；
图2为本发明提供的试验方法中形成铆接端子在85℃环境温度下理论热点温度和电流对应函数关系曲线图；
图3为本发明实施例1中提供的试验方法测试铜排作为薄膜电容器领域应用时的第一端子测试结果示意图；
图4为本发明实施例1中提供的试验方法测试铜排作为薄膜电容器领域应用时的第二端子测试结果示意图；
图5为本发明实施例1中提供的试验方法测试铜排作为薄膜电容器领域应用时的第三端子测试结果示意图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，包括以下步骤：
S1：搭建如图1所示试验台架，选用一组恒流可控直流电源VDC，在其输出端一侧接电流表A，另一侧分别接n组开关K1，K2……，Kn，同时准备红外线测温仪；
S2：将被测试铜排连接台架，开启试验：将被测试铜排置于烘箱内，输入端子连接电流表侧的电源，而输出端子分别连接n组开关K1，K2……，Kn，n的取值跟据铜排端子数量或需要测试的数量决定；将烘箱温度设定为铜排工作的环境温度，铜排工作的环境温度为70℃～85℃，具体根据应用工况要求，如工业工况为70℃，汽车工况为85℃，本实施例中铜排的工作环境温度为85℃，先开启烘箱30分钟后再开启电源，根据图2的预估输出电流曲线调试输出电流大小，可预估多组数据，依次从小到大多次收敛到比较准确的值，本发明示例电流值为180A，最后根据试验要求，依次分别接通开关K1，K2……，Kn；则分别形成输入端子至第一端子1#端子、第二端子2#端子、第三端子3#端子、…、第n端子n#端子之间的测试回路；
即首先，接通开关K1则形成输入端子至第一端子1#端子之间的测试回路。然后，同理接通K2……，Kn，可形成第二端子2#端子、第三端子3#端子、…、第n端子n#端子之间的测试回路；
预估电流可根据图2曲线查询，如允许铜排的在85℃环境温度下最高工作温度为125℃，则输入电流最大值为180A。
S3：试验过程中的数据采集记录：将准备好的所述红外线测温仪并调试好成像距离为10-15mm和数据自动记录功能，依次分别布局第一端子1#端子、第二端子2#端子、第三端子3#端子、…、第n端子n#端子铆接部位的正上方，采集试验过程中热成像；
S4：监视试验过程中热成像中的热点温度，判断进入热平衡后，可切换至下一个回路或结束试验；在持续30分钟内温度变化不超过3℃，即认为达到热平衡；
S5：对试验结果分析判定。
S5步骤中的试验结果分析判定，具体包括以下步骤：
S51：识别所述被测试铜排的应用领域；
S52：根据所述被测试铜排的应用领域，如本专利识别的逆变器、变流器和薄膜电容器不同应用领域，识别所述被测试铜排的热源是否对其他器件产生影响的，如逆变器、变流器应用中铜排发热是否影响功率器件，薄膜电容器应用中铜排发热是否影响电芯塑料薄膜等，再根据其他器件材料的耐温等级制定铜排最低热点和最高热点温度标准；
被测试铜排根据不同的应用领域，所具有的影响其他器件的最低热点和最高热点温度标准如表1所示。
表1
S53：推导耐电流能力和温升之间的函数关系，包括：根据试验过程中电流和热点温升，计算铆接端子的热阻系数，推导铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系。。
△T＝Rsa*(IDC)2*Rs (2)
其中：
△T-------温升，被测铜排置于额定工作温度(如T＝85℃)下运行，稳定后记录其热点高于环境温度的值，单位为℃或K。
Rsa-------热阻，热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热功率乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。
IDC-------流经铜排端子的电流，本发明示例中为试验台架电流表A显示值，单位为A。
Rs-------内阻，指铜排在测试回路中从输入端子分别至输出端子1，2，3……的阻值，单位为Ω。该值可以用阻抗测试仪或电桥测量，如本发明示例中输入端子分别至输出1#端子为0.25*10-3Ω，2#端子为0.26*10-3Ω，3#端子为0.27*10-3Ω。
根据公式(2)，推导出热阻的计算公式为
Rsa＝△T/(IDC)2/Rs (3)
根据(3)分别计算热阻为：
Rsa1＝34/(180)2/(0.25*10-3)≈4.2℃/W ------a
Rsa2＝36.1/(180)2/(0.26*10-3)≈4.3℃/W ------b
Rsa3＝38.7/(180)2/(0.27*10-3)≈4.4℃/W ------c
同理根据公式(2)，推导出铜板端子最大耐电流能力为
IDC＝√△T/Rsa/Rs (4)
根据以上结果,可以推算此铜板端子最大耐电流能力
IDC1＝√40/4.2/(0.25*10-3)≈195A
IDC2＝√40/4.3/(0.26*10-3)≈189A
IDC3＝√40/4.4/(0.27*10-3)≈183A
同理根据公式(2)和a，b，c常数，推导出端子电流与温升之间的函数关系：
△T1＝4.2*(IDC)2*0.25*10-3＝1.05*10-3*(IDC)2
△T2＝4.3*(IDC)2*0.26*10-3＝1.118*10-3*(IDC)2
△T3＝4.4*(IDC)2*0.27*10-3＝1.188*10-3*(IDC)2
其关系图如图2所示；
S54：试验结果对照标准进行判定合格与不合格，根据所述S52步骤的最高热点温度与环境温度计算允许最高温升，不高于最高温升的温度为合格试验结果，表明被测试铜排可以应用于选定的应用领域；否则为不合格试验结果，表明被测试铜排不可以应用于选定的应用领域。以被测试铜排为薄膜电容器领域应用的铜排，因端子外置，热源不影响电容器电芯工作，选择热点最高温度标准为125℃，允许最高温升＝最高温度标准-环境温度，即125℃-85℃＝40℃，按此标准对试验结果进行判定，如下表2以及图3-5所示，测试结果1#、2#、3#端子最大热点温度分别为34℃、36.1℃、38.7℃。
表2
| 端子序号 | 1# | 2# | 3# |
| 热点温升 | 34.0℃ | 36.1℃ | 38.7℃ |
| 判定标准 | ≤40℃ | ≤40℃ | ≤40℃ |
| 判定结果 | 合格 | 合格 | 合格 |
由表2可知，本实施例通过本申请提供的试验方法测定被测试铜排作为薄膜电容器应用领域的铜排时，均为合格的铜排。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，包括以下方法步骤：
S1：搭建试验台架，选用一组恒流可控直流电源，在其输出端一侧接电流表，另一侧分别接n组开关K1，K2……，Kn，同时准备红外线测温仪；
S2：将被测试铜排连接台架，开启试验：先将被测试铜排置于烘箱内，输入端子连接电流表侧的电源，而输出端子分别连接n组开关K1，K2……，Kn；再将烘箱温度设定为铜排工作的环境温度，先开启烘箱30分钟后打开直流电源开关，根据预估输出电流曲线调试输出电流大小；依次分别接通开关K1，K2……，Kn；则分别形成输入端子至第一端子、第二端子、第三端子、…、第n端子之间的测试回路；
S3：试验过程中的数据采集记录：将准备好的所述红外线测温仪开启电源，打开数据自动记录功能，布局第一端子铆接处正上方，并调试成像距离为10-15mm，采集第一端子至第n端子试验过程中热成像；
S4：监视试验过程中热成像中的热点温度，当判断进入热平衡，可切换至下一个回路或结束试验；
S5：对试验结果分析判定；
所述S5步骤中的试验结果分析判定包括以下步骤：
S51：识别所述被测试铜排的应用领域；
S52：根据所述被测试铜排的应用领域，识别所述被测试铜排的热源是否对其他器件产生影响的，再根据其他器件材料的耐温等级制定铜排最低热点和最高热点温度标准；
S53：根据试验过程中电流和热点温升，计算铆接端子的热阻系数，形成铆接端子设计参数与被测试铜排的耐电流能力之间的函数关系；
S54：对照标准进行判定试验结果合格与不合格，根据所述S52步骤的最高热点温度与环境温度计算允许最高温升，不高于最高温升的温度为合格试验结果，表明被测试铜排可以应用于选定的应用领域；否则为不合格试验结果，表明被测试铜排不可以应用于选定的应用领域。
2.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述n的取值根据铜排端子数量或需要测试的数量决定。
3.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述铜排工作的环境温度为70℃～85℃。
4.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述输出电流预估值可根据环境温度85℃理论热点最高温升-输入电流表查询，再从小到大多次收敛到一个比较准确的值。
5.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述S4步骤中判断进入热平衡的标准为在持续30分钟内温度变化不超过2℃，即认为达到热平衡。
6.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述S52步骤中所述被测试铜排的应用领域为所述被测试铜排作为逆变器、变流器和薄膜电容器；所述S52步骤中所述被测试铜排作为逆变器和变流器的最高热点温度为150℃、最低热点为125℃；或所述S52步骤中所述被测试铜排作为薄膜电容器的最高热点为125℃、最低热点为105℃。
7.根据权利要求6所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述S54步骤中的允许最高温升计算公式为：允许最高温升＝最高温度标准-环境温度。
8.根据权利要求1所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，所述S53中的函数关系为铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系：
△T＝Rsa*(IDC)2*Rs；
其中：
△T-------温升，被测铜排置于额定工作温度下运行，稳定后记录其热点高于环境温度的值，单位为℃或K；
Rsa-------热阻，热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，用热功率乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升；
IDC-------流经铜排端子的电流，其为试验台架电流表A显示值，单位为A；
Rs-------内阻，指铜排在测试回路中从输入端子分别至输出1#端子、2#端子……的阻值，单位为Ω。
9.根据权利要求8所述的一种测试铜排铆接端子耐电流能力的试验方法，其特征在于，根据所述铆接端子设计参数与耐电流能力之间的函数关系推导出的热阻的计算公式为：
Rsa＝△T/(IDC)2/Rs；
推导出铜板端子最大耐电流能力为：
；
推导出端子电流与温升之间的函数关系为：
△T1＝＝1.05*10-3*(IDC)2
△T2＝＝1.118*10-3*(IDC)2
△T3＝＝1.188*10-3*(IDC)2。
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