淺談新能源汽車用先進(jìn)陶瓷繼電器產(chǎn)品開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)*

楊 倩 閻蛇民

(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 陜西 咸陽 712000)

1 陶瓷繼電器在國內(nèi)的發(fā)展概況

電控技術(shù)是衡量新能源節(jié)能電動(dòng)汽車發(fā)展水平的重要標(biāo)志，高壓直流陶瓷繼電器是電控系統(tǒng)的核心元件。傳統(tǒng)的繼電器受自身制造技術(shù)，特別是觸點(diǎn)間隙小的限制，在接通高壓直流、低功率因素感性負(fù)載時(shí)，繼電器觸點(diǎn)非常容易出現(xiàn)粘接失效或連續(xù)電弧燒火接觸系統(tǒng)失效。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本項(xiàng)目研發(fā)出一種新型高壓直流真空繼電器，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中，陶瓷絕緣子滑動(dòng)連接在動(dòng)觸點(diǎn)組件與推動(dòng)桿之間，利用陶瓷絕緣子零件良好的真空性能與電絕緣性能，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)無論是在導(dǎo)通或斷開的任何狀態(tài)下都與繼電器的導(dǎo)磁軛鐵板、鐵芯等零件構(gòu)成的磁路系統(tǒng)保持良好的電絕緣，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負(fù)載時(shí)的斷弧能力，電弧是汽車自燃的主要原因。只有采用“無弧”接通分?jǐn)嗟睦^電器產(chǎn)品，才是從根本上解決“自燃”問題的良方。

我國近年來高度重視電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展。在“十五”期間，啟動(dòng)了“863 計(jì)劃”電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)，確立了“三縱三橫”(三縱：混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車；三橫：電池、電機(jī)、電控)的研發(fā)布局，取得了一大批電動(dòng)汽車技術(shù)創(chuàng)新成果。在“十一五”期間，組織并實(shí)施了“863 計(jì)劃”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目——聚焦動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)和關(guān)鍵零部件研發(fā)。經(jīng)過兩個(gè)五年計(jì)劃的科技攻關(guān)以及北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、深圳大運(yùn)會(huì)、“十城千輛”等示范工程的實(shí)施，我國電動(dòng)汽車從無到有，在關(guān)鍵零部件、整車集成技術(shù)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試技術(shù)、示范運(yùn)行等方面都取得重大進(jìn)展，初步建立了電動(dòng)汽車技術(shù)體系，科技創(chuàng)新為我國新能源汽車戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的形成奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2 陶瓷繼電器在國外的發(fā)展概況

目前，在國際上高壓直流繼電器只有日本松下、美國TE公司及韓國知名公司可以生產(chǎn)，產(chǎn)品銷售價(jià)格較高。國內(nèi)企業(yè)在高壓直流繼電器的研發(fā)、生產(chǎn)領(lǐng)域尚處于起步階段，因此應(yīng)加快高壓直流繼電器的產(chǎn)業(yè)化。本項(xiàng)目總體目標(biāo)為采用微晶氧化鋁粉料，通過研制新型微晶氧化鋁陶瓷配方，選用選進(jìn)的成形工藝制備高致密陶瓷殼體，并優(yōu)化殼體金屬化參數(shù)，最終批量生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高壓直流真空陶瓷繼電器產(chǎn)品。

從國際發(fā)展趨勢(shì)看，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，面對(duì)金融危機(jī)、油價(jià)攀升和日益嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力，2008 年以來，以美國、日本、歐盟為代表的國家和地區(qū)相繼發(fā)布實(shí)施了新的電動(dòng)汽車發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步明確了產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，加大了研發(fā)投入與政策扶持力度。日本以產(chǎn)業(yè)競爭力為第一目標(biāo)，全面發(fā)展混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池3種電動(dòng)汽車，研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化均走在世界前列；美國以能源安全為首要任務(wù)，強(qiáng)調(diào)插電式電動(dòng)汽車的發(fā)展；歐盟以CO2排放法規(guī)為主驅(qū)動(dòng)力，重視發(fā)展純電驅(qū)動(dòng)汽車，僅德國國家電動(dòng)汽車平臺(tái)就計(jì)劃投入近50億歐元。

3 新型陶瓷繼電器的發(fā)展

節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展面臨的重要問題。汽車的大量使用，加劇了能源危機(jī)和大氣污染問題，電動(dòng)汽車由于具有節(jié)能和低污染等優(yōu)點(diǎn)，而成為當(dāng)代汽車發(fā)展的主要方向，其研發(fā)與應(yīng)用已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，也被認(rèn)為是汽車產(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)。

從技術(shù)層面看，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)逐漸成熟，已進(jìn)入產(chǎn)品市場(chǎng)競爭期，率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，正成為汽車市場(chǎng)銷售新的增長點(diǎn)，其中日本市場(chǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已占到汽車銷量的10%左右；純電動(dòng)汽車電池技術(shù)進(jìn)步加速，使整車產(chǎn)品更接近消費(fèi)者的需求，插電式電動(dòng)汽車作為一種具有純電動(dòng)和混合動(dòng)力雙重特征的電動(dòng)汽車技術(shù)已成為全球新的研發(fā)熱點(diǎn)，以電池租賃為代表的純電動(dòng)汽車商業(yè)模式創(chuàng)新取得進(jìn)展，世界主要汽車制造商加快了純電動(dòng)汽車量產(chǎn)步伐，率先上市的日產(chǎn)LEAF 車型銷售勢(shì)頭良好，各大汽車公司多種小型純電動(dòng)轎車已在2013～2015年密集上市；燃料電池轎車在動(dòng)力性、安全性、續(xù)航里程、低溫啟動(dòng)等性能指標(biāo)方面已接近汽油車水平，且燃料電池汽車整車成本顯著下降。

4 我院研制的陶瓷繼電器的性能、節(jié)能分析及其優(yōu)勢(shì)

高壓直流陶瓷繼電器主要分兩個(gè)部分：陶瓷殼體和金屬動(dòng)觸件。其中最主要的陶瓷殼體材質(zhì)為95氧化鋁陶瓷，目前主要選用微晶氧化鋁材料，配以燒結(jié)助劑，經(jīng)特珠工藝燒結(jié)為成品，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司下屬的精細(xì)工業(yè)陶瓷廠能批量加工生產(chǎn)氧化鋁陶瓷，其相關(guān)設(shè)備有：氧化鋁襯球磨機(jī)，超細(xì)粉碎機(jī)、壓力式噴霧干燥機(jī)、熱壓注機(jī)和蠟機(jī)、雙通道高溫推板窯、雙面磨床等硬件設(shè)施，項(xiàng)目落實(shí)后再增加部分金屬化設(shè)備就可完全滿足項(xiàng)目產(chǎn)品試驗(yàn)和生產(chǎn)要求。

采用微晶氧化鋁粉料為原料，通過研制氧化鋁陶瓷配方，選用先進(jìn)的成形工藝，制備出高致密陶瓷殼體。利用正交試驗(yàn)法優(yōu)化殼體金屬化參數(shù)，最終研制并批量生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高壓直流真空陶瓷繼電器產(chǎn)品。傳統(tǒng)的繼電器受自身制造技術(shù)，特別是觸點(diǎn)間隙小的限制，在接通高壓交流、高壓直流、大直流電機(jī)、低功率因素感性負(fù)載時(shí)，繼電器觸點(diǎn)非常容易出現(xiàn)粘接失效或連續(xù)電弧燒火接觸系統(tǒng)失效。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本項(xiàng)目參照真空高壓開關(guān)產(chǎn)品，研發(fā)出一種新型高壓直流真空繼電器，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中，陶瓷絕緣子滑動(dòng)連接在動(dòng)觸點(diǎn)組件與推動(dòng)桿之間，利用陶瓷絕緣子零件良好的真空性能與電絕緣性能，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)無論是在導(dǎo)通或斷開的任何狀態(tài)下都與繼電器的導(dǎo)磁軛鐵板、鐵芯等零件構(gòu)成的磁路系統(tǒng)保持良好的電絕緣，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負(fù)載時(shí)的斷弧能力；構(gòu)成真空腔體及其內(nèi)部所有的零件均具有足夠低的飽和蒸汽壓，且經(jīng)過高溫烘烤排氣，使真空腔體中的真空度能夠長期保證繼電器切換大電流、直流高電壓負(fù)載的工作需要。

未來10年將是全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。我國汽車產(chǎn)銷規(guī)模已居世界首位，為應(yīng)對(duì)日益突出的燃油供需矛盾和環(huán)境污染問題，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已成必然趨勢(shì)。目前，節(jié)能與新能源汽車示范運(yùn)行范圍逐步擴(kuò)大，基礎(chǔ)配套設(shè)施在逐步完善，國民消費(fèi)理念逐漸形成，推廣空間將更為廣闊。陜西省節(jié)能與新能源汽車發(fā)展具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，部分產(chǎn)品已走在全國前列，產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿^大，在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，國家政策支持力度將進(jìn)一步加大，市場(chǎng)需求引導(dǎo)作用更趨明顯，必須抓住機(jī)遇，采取有力措施，推動(dòng)陜西省節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

電動(dòng)汽車作為一種純電動(dòng)力的車輛，采用蓄電池工作方式，功率在50 kW以上，電壓在300 V以上，車輛內(nèi)各種控制線路復(fù)雜交錯(cuò)。傳統(tǒng)的直流繼電器經(jīng)過若干次切換后，接觸電阻增大，自身發(fā)熱量高，影響蓄電池的利用率。而應(yīng)用本項(xiàng)目開發(fā)的“無弧”直流繼電器切換10萬次以上，接觸電阻也不會(huì)發(fā)生變化，更加不存在傳統(tǒng)直流繼電器在起弧的瞬間對(duì)系統(tǒng)造成的電磁干擾。該款產(chǎn)品將電力電子器件與有觸點(diǎn)產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合，大幅度地提高了滅弧性能，相對(duì)于國外產(chǎn)品使用高昂的觸頭合金材料和復(fù)雜的加工工藝，降低了成本，并且電氣壽命高達(dá)10萬次。與傳統(tǒng)繼電器相比，可以無弧通斷感性負(fù)載、安全的隔離功能、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；與功率半導(dǎo)體器件相比，無需外配散熱器件，大大減小了產(chǎn)品體積，無需單獨(dú)配置驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)品的應(yīng)用前景將更加廣闊。陜西省目前著力增強(qiáng)關(guān)鍵零部件研發(fā)配套能力，鼓勵(lì)整車企業(yè)控(參)股關(guān)鍵零部件企業(yè)，加大技術(shù)合作和研發(fā)投入，加大關(guān)鍵零部件基礎(chǔ)研發(fā)，提升產(chǎn)品核心競爭力和技術(shù)水平，提高配套能力。本項(xiàng)目的實(shí)施和產(chǎn)品開發(fā)基本滿足我省節(jié)能與新能源汽車發(fā)展供應(yīng)需求。與之相應(yīng)以節(jié)能與新能源汽車發(fā)展，吸引和帶動(dòng)社會(huì)資本、民營企業(yè)投資汽車基礎(chǔ)關(guān)鍵零部件研發(fā)生產(chǎn)。

5 結(jié)論

高壓直流陶瓷繼電器是新能源汽車行業(yè)技術(shù)含量較高的新材料類產(chǎn)品，也是國家及陜西省重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。本項(xiàng)目的技術(shù)成果無論在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)還是市場(chǎng)前景方面都有良好的發(fā)展趨勢(shì)，并且項(xiàng)目的實(shí)施可提高新能源產(chǎn)業(yè)在國際上的技術(shù)水平，對(duì)提高民族企業(yè)技術(shù)水平和競爭實(shí)力有著深遠(yuǎn)的影響。