CN116679146A - 电连接器的寿命预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
电连接器的寿命预测方法及装置,涉及电动汽车充电技术领域。本发明是为了解决现有电动汽车充电桩电连接器寿命预测方法,没有考虑机械疲劳与通电电流对寿命预测的共同影响的问题。本发明所述的电连接器的寿命预测方法及装置综合考虑了电连接器所处环境温度与经过电连接器电流的电热应力,还考虑了已插拔次数的机械应力,能够实时地反映电连接器实际工作环境、插拔次数与电连接器寿命之间的关系,提高电连接器寿命预测的精度。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车充电技术领域,尤其涉及电动汽车充电桩电连接器的检测。
背景技术
在电动汽车行业飞速发展的背景下,它的充电设备作为电动汽车的基础配套设施,其安全运行问题制约着电动汽车的普及与商业化应用。充电桩电连接器是与电动汽车相应配套的接口器件,进行插合和分离以实现电路通断和电信号的控制。据统计,目前各种系统的失效或故障现象发生原因的70%是由元器件的失效而产生的,在这其中又有40%是由电连接器的接触失效而产生的,其寿命也是影响系统可靠性的重要因素。传统电连接器寿命预测标准规定的例行试验(即环境模拟试验)为单项极限试验,与真实的使用环境不符。例行试验用总插拔次数来表征电连接器寿命,未考虑到电连接器在长期使用中,其性能会发生劣化现象的问题。因此,如何考虑瞬时的工作电流和随时间变化的室外温度对电连接器造成的热疲劳以及已经进行的插拔次数造成的机械疲劳对器件寿命的影响,从而准确地预测电连接器的剩余使用寿命,成为电连接器的寿命预测技术仍需解决的主要问题。
在电连接器寿命预测的过程中,建立一种考虑多种应力下实际使用环境的电连接器寿命数理统计方法是实现精准预测的关键难点。现如今电连接器寿命预测模型存在以下问题:
1、在大部分的电连接器寿命预测模型中,仅单方面考虑了环境温度对电连接器寿命的影响,并没有考虑机械疲劳与通电电流对寿命预测的共同影响,对电连接器实际使用工况解析不够全面。
2、传统的电连接器寿命预测均使用加速试验,需要做大量的实验来获得数据,这样降低了实验效率,增加了实验成本。而且对电连接器只有正常、失效两种状态的假定,整个分析过程对内部失效机理和外部性能表现都没有充分的考虑,忽略了工作环境复杂多变的因素对产品的影响,不能描述失效本质,这样的评估结果对电连接器的设计、制造和使用、检修与维护等过程不具有指导意义。
3、电连接器生产厂家提供的寿命数据(如电压、电流等)均为单一工况下的离散形式,但在实际应用中,电连接器所处的使用数据均为连续形式。因此,直接使用电连接器厂家提供的寿命数据无法实时预测电连接器寿命且存在较大误差。
发明内容
本发明是为了解决现有电动汽车充电桩电连接器寿命预测方法,没有考虑机械疲劳与通电电流对寿命预测的共同影响,使用加速试验预测时效率低、忽略了工作环境等对产品的影响,以及直接使用电连接器厂家提供的寿命数据无法实时预测电连接器寿命且存在较大误差的问题,现提供一种综合考虑了热疲劳与机械疲劳的电连接器的寿命预测方法及装置。
电连接器的寿命预测方法,包括:
采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度;
基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数;
利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数;
基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型;
对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数;
将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型,利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
进一步的,上述利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度,包括:
根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
进一步的,上述基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数,包括:
根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数,n为参考温度曲线的拟合参数,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。
进一步的,上述参考热循环次数曲线的拟合参数α=60,
上述参考温度曲线的拟合参数n=5,
上述活化能Ea=3.57×104J/mol,
上述玻尔兹曼常数kB=8.314J/molK。
进一步的,上述被测电连接器的累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
进一步的,上述对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数,包括:
根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数,
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
进一步的,上述第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总的获得,包括:
对被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力;
利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算第N次插拔时每个接触对的接触电阻;
利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总。
进一步的,利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算每次插拔时每个接触对的接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数,PN为第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力。
进一步的,上述利用每次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得每次插拔时被测电连接器的总接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻,G为被测电连接器中接触对的总数。
进一步的,上述被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命,km为机械疲劳修正系数,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0。
电连接器的寿命预测装置,包括以下单元:
参考温度计算单元:用于采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度;
参考热循环次数获得单元:用于基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数;
实际热循环次数获得单元:用于利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数;
累积寿命损伤模型构建单元:用于基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型;
机械疲劳修正系数获得单元:用于对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数;
寿命预测单元:用于将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型,利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
进一步的,上述利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度,包括:
根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
进一步的,上述基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数,包括:
根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数,n为参考温度曲线的拟合参数,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。
进一步的,上述参考热循环次数曲线的拟合参数α=60,
上述参考温度曲线的拟合参数n=5,
上述活化能Ea=3.57×104J/mol,
上述玻尔兹曼常数kB=8.314J/molK。
进一步的,上述被测电连接器的累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
进一步的,上述对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数,包括:
根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数,
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
进一步的,上述第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总通过以下子单元获得:
压力采集子单元:对被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力;
分电阻计算子单元:利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算第N次插拔时每个接触对的接触电阻;
总电阻计算子单元:利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总。
进一步的,利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算每次插拔时每个接触对的接触电阻的方法包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数,PN为第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力。
进一步的,上述利用每次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得每次插拔时被测电连接器的总接触电阻的方法包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻,G为被测电连接器中接触对的总数。
进一步的,上述被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命,km为机械疲劳修正系数,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0。
一种计算机可读的存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行时实现如上述电连接器的寿命预测方法。
电子设备,包括存储介质、处理器以及存储在所述存储介质中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序实现如上述电连接器的寿命预测方法。
本发明提出了一种能够应用于电动汽车充电桩电连接器、且综合考虑了热疲劳与机械疲劳影响的电连接器寿命预测方法。该寿命预测方法综合考虑了电连接器所处环境温度与经过电连接器电流的电热应力,还考虑了已插拔次数的机械应力,能够实时地反映电连接器实际工作环境、插拔次数与电连接器寿命之间的关系,提高电连接器寿命预测的精度。
附图说明
图1为电连接器接触对热模型图;
图2为接触压力分析曲线图;
图3为插拔力与接触电阻关系曲线图;
图4为机械疲劳修正系数模型图;
图5为一年内环境温度曲线图;
图6为环境温度-电流-器件温度关系模型图;
图7为器件温升与平均器件温度示意图;
图8为热疲劳-机械疲劳-电连接器寿命计算模型图;
图9为电连接器的预测寿命方法原理示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一:参照图9具体说明本实施方式,本实施方式所述的电连接器的寿命预测方法,所述寿命预测方法具体为:
当充电桩长时间运行,电连接器接触对由于金属表面覆盖着不导电的氧化膜和电流在导电斑点附近产生的“收缩效应”产生了额外的接触电阻,并且接触电阻会随着电连接器周围环境与插拔次数的变化而增加,当其达到失效阈值就判定为接触失效。
结合图1所示的电连接器接触对的热模型,生热功率P1可表示为
P1=I2(R+Rj)。
因为插针和插孔插接形成且体积较小,所以插针与插孔的温度接近相等,热传导功率可以忽略不计,对于散热功率的计算精度几乎没有影响,因此接触对的散热功率P2只需考虑热对流与热辐射两个因素,可表示为
采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。具体的,根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
寿命模型是对电连接器进行实时地状态监测与寿命预测的基础。根据厂家提供的寿命数据进行分析,得出以下结论:流过电连接器的电流对器件造成的热疲劳体现在器件表面温度上,由此可知,在一定机械疲劳的情况下,电连接器所处的环境温度与器件表面温度造成的热疲劳共同决定了电连接器寿命。基于所述被测电连接器的参考温度,考虑平均器件温度又兼顾了器件温升的影响,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数。具体的,根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数且有α=60,n为参考温度曲线的拟合参数且有n=5,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能且有Ea=3.57×104J/mol,kB为玻尔兹曼常数且有kB=8.314J/molK,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。上述参考热循环次数曲线的拟合参数。
利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数。
基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型,该累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
以上模型是在一定机械疲劳的情况下考虑到环境温度与通电电流对器件造成的热疲劳的电连接器寿命计算模型。但在实际应用中,电连接器的插拔次数发生改变时,其造成的机械疲劳也会进一步影响剩余使用寿命。为此,本实施方式还要引入机械疲劳系数km,建立接触电阻-已插拔次数-寿命修正系数多项式模型,定量描述电连接器插拔次数对剩余使用寿命的影响。
选取与国标型号一致的电连接器,对被测电连接器进行插拔实验,在被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力PN,获得接触压力随时间的变化曲线,如图2所示。在插针初始插入阶段,插针端部需要撑起冠簧弹片,所以接触压力随着插针的插入线性增加至最大值8.06N。待弹片被插针完全撑起后,插针平稳插入,此时接触压力减小并稳定在7.31N左右。
第N次插拔时插拔力F与接触压力成线性相关,计算公式为:
F=nμPN,
其中,n为冠簧中弹片数量;μ为摩擦系数,查询机械手册,金-金摩擦中的摩擦系数为0.2。国标要求对于直流充电接口,车辆插头插入和拔出车辆插座的全过程的力均应满足F小于140N。电连接器接触电阻最大为0.5mΩ,超过其值可判断为失效。
利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力PN,根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数。
利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻,根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻。
然后,根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数。
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
对于上述耦合系数,本实施方式中通过实验与数学计算的方式获得,具体的,每组实验取10个相同型号的电连接器作为研究对象,共进行20组实验。每个电连接器分别进行20组(分别为10、20、30…200次插拔)插拔动作,对每组实验的电连接器通过测力装置测得的10组PN取平均值,即可分别得到进行10、20、30…200次插拔对应的PN值。将实验得到的关于插拔次数N与接触压力PN的20组离散数据进行最小二乘法分析得到N与PN的连续关系曲线,并将20组数据的拟合度从大到小排序以取拟合度最高的10组数据进行计算得对应的F、RN总、km。得到关于“km-N-RN总”的10组离散数据,既有10个已知的点再将每个点带入机械疲劳修正系数方程,运用矩阵求逆的方法,来求解这个线性方程组,获得耦合系数。
将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型。具体的,被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命。
利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
为了验证本实施方式所提出的综合热疲劳与机械疲劳的寿命预测方法,选取根据国标《GB/T 20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置第3部分:直流充电接口》建立的直流充电桩电连接器,使用其数据手册中提供的相关参数进行对比验证,电连接器参数如表1所示。
表1电连接器基本参数
电连接器参数 | 数值 |
额定电压 | 750V |
额定电流 | 250A |
R | 10mΩ |
σ | 5.67×10-8W·m-2·k-4 |
ε | 0.61 |
As | 0.015m2 |
验证一定插拔次数下环境温度-电流-电连接器寿命模型计算精度
利用所提出的环境温度-电流-电连接器寿命模型计算表2所示电连接器在全电流范围下,环境温度在-30℃~+50℃的电连接器使用寿命,并与厂商提供的寿命数据进行精度对比,对比结果如表2所示。由表中数据可知,本发明所提出的一定插拔次数下环境温度-电流-电连接器寿命模型计算精度较高,精度高于91.89%。
表2一定插拔次数下环境温度-电流-电连接器寿命模型对比结果
验证引入机械疲劳修正系数的环境温度-电流-电连接器寿命模型计算精度
利用所提出的引入机械疲劳修正系数的环境温度-电流-电连接器寿命模型计算电连接器在全电流范围下,环境温度在-30℃~+50℃范围内的电连接器使用寿命,并与厂商提供的寿命数据进行精度对比,对比结果如表3所示。由表中数据可知,本发明所提出的引入机械疲劳修正系数的环境温度-电流-电连接器寿命模型计算精度较高,精度高于89%。
表3引入机械疲劳修正系数的环境温度-电流-电连接器寿命模型对比结果
具体实施方式二:本实施方式所述的充电桩电连接器的寿命预测装置,所述寿命预测装置包括以下单元:
参考温度计算单元:用于采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度,
参考热循环次数获得单元:用于基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数,
实际热循环次数获得单元:用于利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数,
累积寿命损伤模型构建单元:用于基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型,
机械疲劳修正系数获得单元:用于对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数,
寿命预测单元:用于将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型,利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
进一步的,上述利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度的具体方法包括:
根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
进一步的,上述基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数的具体方法包括:
根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数,n为参考温度曲线的拟合参数,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。
进一步的,上述参考热循环次数曲线的拟合参数α=60,
上述参考温度曲线的拟合参数n=5,
上述活化能Ea=3.57×104J/mol,
上述玻尔兹曼常数kB=8.314J/molK。
进一步的,上述被测电连接器的累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
进一步的,上述对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数的具体方法包括:
根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数,
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
进一步的,上述第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总的获得方法包括:
对被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力,
利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算第N次插拔时每个接触对的接触电阻,
利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总。
进一步的,利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算每次插拔时每个接触对的接触电阻的方法包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数,PN为第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力。
进一步的,上述利用每次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得每次插拔时被测电连接器的总接触电阻的方法包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻,G为被测电连接器中接触对的总数。
进一步的,上述被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
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其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命,km为机械疲劳修正系数,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0。
具体实施方式三:本实施方式所述的一种计算机可读的存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行时实现如上述具体实施方式一所述方法的步骤。
具体实施方式四:本实施方式所述的电子设备,包括存储介质、处理器以及存储在所述存储介质中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序实现如上述具体实施方式一所述方法的步骤。
具体实施方式五:一种计算机程序产品,包括计算机程序/指令,该计算机程序/指令被处理器执行时实现具体实施方式一所述方法的步骤。
具体实施例
本实施例以1小时为时间间隔单位,收集了南京市5823号气象观测站的一年室外环境温度数据。最高气温在七月可达到36.9℃,最低气温在十二月,低至-7℃。符合国标要求:充电连接装置的使用环境在-30℃~+50℃温度区间。
通过数据端采集的电流与环境温度数据,令生热功率与散热功率动态平衡能够得到器件表面温度模型。
根据电连接器寿命模型要求,需要将计算得到的器件表面温度进一步数据处理。通过运用雨流计数法,把随机无序的热应力转换为有序的热循环,从器件表面温度获取器件温升、与循环次数。
可知器件温度集中在10~30℃,器件温升集中在15~50℃,循环次数表示对应温度下的热循环次数,集中在100次左右。涵盖流通的瞬时工作电流与室外环境温度的电-热应力信息,经过雨流计数法处理后,提取一定器件温度下发生失效前的总循环次数与已经进行的循环数。计算得到持续工作下电连接器的一年寿命消耗,进而得到在不考虑插拔次数的情况下寿命预测值。
再引入本发明的机械疲劳修正系数km,可得综合考虑热疲劳与机械疲劳寿命预测模型,即根据该模型可对电连接器环境温度、流通电流与已插拔次数等应力进行寿命预测。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现,例如,面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在内。。
Claims (22)
1.电连接器的寿命预测方法,其特征在于,包括:
采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度;
基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数;
利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数;
基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型;
对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数;
将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型,利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
2.根据权利要求1所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度,包括:
根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
3.根据权利要求1所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数,包括:
根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数,n为参考温度曲线的拟合参数,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。
4.根据权利要求3所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,
所述参考热循环次数曲线的拟合参数α=60,
所述参考温度曲线的拟合参数n=5,
所述活化能Ea=3.57×104Jmol,
所述玻尔兹曼常数kB=8.314JmolK。
5.根据权利要求1所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数,包括:
根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数,
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
6.根据权利要求5所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总的获得方法包括:
对被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力,
利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算第N次插拔时每个接触对的接触电阻,
利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总。
7.根据权利要求6所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算每次插拔时每个接触对的接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数,PN为第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力。
8.根据权利要求6所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述利用每次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得每次插拔时被测电连接器的总接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻,G为被测电连接器中接触对的总数。
9.根据权利要求1~8任一所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命,km为机械疲劳修正系数,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0。
10.根据权利要求9所述的电连接器的寿命预测方法,其特征在于,所述被测电连接器的累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
11.电连接器的寿命预测装置,其特征在于,包括以下单元:
参考温度计算单元:用于采集流过被测电连接器的电流和被测电连接器的环境温度,利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度;
参考热循环次数获得单元:用于基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数;
实际热循环次数获得单元:用于利用雨流计数法将被测电连接器实际温度的载荷应力转换为多个载荷循环图,并分别在每个载荷循环图中提取被测电连接器的实际热循环次数;
累积寿命损伤模型构建单元:用于基于所述参考热循环次数和实际热循环次数,利用Miner线性累积损伤理论构建电连接器的累积寿命损伤模型;
机械疲劳修正系数获得单元:用于对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数;
寿命预测单元:用于将所述机械疲劳修正系数引入所述累积寿命损伤模型,获得被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型,利用该寿命模型对被测电连接器的剩余寿命进行预测。
12.根据权利要求11所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述利用所述电流和环境温度计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度,包括:
根据下式计算生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度Ts:
其中,I为流过被测电连接器的电流,R和Rj分别为被测电连接器接触对的体电阻和接触电阻,he为对流换热系数,As为换热面积,Ta为环境温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,ε为被测电连接器材料的相对黑体辐射率。
13.根据权利要求11所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述基于所述被测电连接器的参考温度,利用科芬-曼森-阿伦尼斯寿命模型将被测电连接器的剩余使用寿命量化为被测电连接器失效前的参考热循环次数,包括:
根据下式获得所述被测电连接器失效前的参考热循环次数Nf:
其中,α为参考热循环次数曲线的拟合参数,n为参考温度曲线的拟合参数,ΔT为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度与被测电连接器的环境温度之差,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,Ts为生热功率与散热功率达到平衡时被测电连接器的参考温度。
14.根据权利要求13所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,
所述参考热循环次数曲线的拟合参数α=60,
所述参考温度曲线的拟合参数n=5,
所述活化能Ea=3.57×104Jmol,
所述玻尔兹曼常数kB=8.314JmolK。
15.根据权利要求11所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述对被测电连接器进行插拔实验,获得机械疲劳修正系数,包括:
根据下式获得机械疲劳修正系数km:
其中,a00为机械疲劳修正系数的常数项,a10为被测电连接器仅有插拔作用时的一次耦合系数,a01为被测电连接器仅有接触电阻作用时的一次耦合系数,a20为电连接器仅有插拔作用时的二次耦合系数,a11为被测电连接器插拔作用影响程度等于接触电阻影响程度时的耦合系数,a02为被测电连接器仅有接触电阻作用时的二次耦合系数,a30为电连接器仅有插拔作用时的三次耦合系数,a21为被测电连接器插拔作用影响程度大于接触电阻影响程度时的耦合系数,a12为被测电连接器插拔作用影响程度小于接触电阻影响程度时的耦合系数,
N为被测电连接器在插拔实验过程中的插拔次数,RN总为第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻。
16.根据权利要求15所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总通过以下子单元获得:
压力采集子单元:对被测电连接器进行插拔实验的过程中,采集第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力;
分电阻计算子单元:利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算第N次插拔时每个接触对的接触电阻;
总电阻计算子单元:利用第N次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总。
17.根据权利要求16所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,利用所述第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力计算每次插拔时每个接触对的接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的第g个接触对的接触电阻RNg:
其中,k为被测电连接器的第g个接触对的接触系数,m为第g个接触对的接触指数,当第g个接触对为点接触时m=0.5,当第g个接触对为线接触时m=0.7,当第g个接触对为面接触时m=1,g=1,2,...,G,G为被测电连接器中接触对的总数,PN为第N次插拔时被测电连接器的插针与冠簧弹片之间的接触压力。
18.根据权利要求16所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述利用每次插拔时所有接触对的接触电阻计算获得每次插拔时被测电连接器的总接触电阻,包括:
根据下式计算第N次插拔时被测电连接器的总接触电阻RN总:
其中,RN1,RN2,...,RNG分别为第N次插拔时被测电连接器的第1,2,...,G个接触对的接触电阻,G为被测电连接器中接触对的总数。
19.根据权利要求11~18任一所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的寿命模型如下:
其中,L为被测电连接器基于热疲劳与机械疲劳的剩余寿命,km为机械疲劳修正系数,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0。
20.根据权利要求19所述的电连接器的寿命预测装置,其特征在于,所述被测电连接器的累积寿命损伤模型表达式如下:
其中,D为所述被测电连接器的累积损伤度,且有0≤D≤1,其中D=0所述被测电连接器未受损伤,表示D=1所述被测电连接器受到最大损伤且剩余寿命为0,Nf为被测电连接器失效前的参考热循环次数,Ni为在第i个载荷循环图中提取的被测电连接器的实际热循环次数,i=1,2,...,M,M为载荷循环图的数量。
21.一种计算机可读的存储介质,所述存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至10任一所述方法。
22.电子设备,包括存储介质、处理器以及存储在所述存储介质中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至10任一所述方法。
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CN202310697594.5A Pending CN116679146A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 电连接器的寿命预测方法及装置 |
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2023
- 2023-06-13 CN CN202310697594.5A patent/CN116679146A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116930819A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-10-24 | 云南电网有限责任公司 | 基于热成像的电流端子排温度在线监测方法及系统 |
CN116930819B (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-08 | 云南电网有限责任公司 | 基于热成像的电流端子排温度在线监测方法及系统 |
CN117148231A (zh) * | 2023-10-30 | 2023-12-01 | 佺冠科技(深圳)有限公司 | 基于数据分析的电子连接器的测试系统 |
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