電動汽車高壓繼電器應(yīng)用選型研究*

劉金配，鄧海文，黃祖朋

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電動汽車高壓繼電器應(yīng)用選型研究*

劉金配，鄧海文，黃祖朋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

文章介紹了高壓繼電器的工作原理、在電動汽車上的應(yīng)用環(huán)境及繼電器電氣性能要求。重點分析了高壓繼電器在電動汽車選型及應(yīng)用中需關(guān)注的性能參數(shù)，為電動汽車正確選擇使用高壓繼電器提供依據(jù)。

電動汽車；高壓繼電器；選型

前言

電動汽車高壓繼電器實際是直流繼電器，它是一種以低壓小電流電路控制高壓大電流電路的“自動開關(guān)”，其基本組成包括電動汽車高壓繼電器由線圈、鐵芯和常開、常閉觸點和彈簧等。電動汽車高壓繼電器在電路中起到自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、切換電路等作用。

電動汽車高壓繼電器的工作原理為：當(dāng)繼電器線圈接通額定電壓的直流電時，線圈產(chǎn)生磁場，吸引鐵芯動作，與鐵芯相連的常開觸點閉合；當(dāng)繼電器線圈斷電時，線圈失去磁場，被吸引的鐵芯在彈簧的作用下回復(fù)原位，與鐵芯相連的常開觸點斷開。繼電器就是通過控制線圈的通/斷電，實現(xiàn)觸點的接通與斷開，從而達(dá)到對設(shè)備的邏輯控制。

1 電動汽車典型工況

根據(jù)電動汽車的實際駕駛工況，高壓繼電器在電動汽車上的應(yīng)用會出現(xiàn)典型的六大工況，如圖1所示：

圖1 電動汽車六大工況

（1）電動汽車上高壓電或充電瞬間，繼電器閉合，產(chǎn)生沖擊電流；

（2）電動汽車加速過程，產(chǎn)生大于額定工作電流的加速過載電流；

（3）電動汽車正常高速行駛過程中產(chǎn)生的額定電流；

（4）電動汽車故障產(chǎn)生遠(yuǎn)大于額定電流的故障短路電流；

（5）電動汽車制動，產(chǎn)生反向制動電流；

（6）電動汽車下電，產(chǎn)生切斷電流。

2 高壓繼電器主要參數(shù)

2.1 電氣壽命

在電動汽車設(shè)計過程中，為保護(hù)繼電器，同時防止大電流對高壓電器造成損傷，一般會在主繼電器前，對車載容性負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電設(shè)計，主繼電器閉合瞬間沖擊電流都會控制在額定電流以下，但是因高壓系統(tǒng)中電阻只有幾十毫歐，主繼電器閉合仍然幾伏壓差，所以主繼電器閉合瞬間仍然有較大電流，而這種帶載閉合繼電器的行為會對繼電器造成一定程度的損傷，所以在繼電器選型初期，我們需要評估整車質(zhì)保期間繼電器需要閉合多少次，選擇的繼電器需要滿足電氣壽命的要求。

2.2 短時間通電電流

按照電動汽車考核標(biāo)準(zhǔn)，純電動汽車百公里加速時間≤6s，意味著加速過程中需輸出遠(yuǎn)大于額定功率的扭矩，電機(jī)工作電流會大于額定電流。例如某款電動車的驅(qū)動電流額定為170A，加速時峰值電流可達(dá)到300A，電池容量為220Ah。這款電動車在額定電流下正常工作時間＜1.3h，加速峰值電流300A的工作時間＜10s。根據(jù)此參數(shù)，繼電器廠家為車企選擇了一款額定電流為150A的繼電器，此款繼電器載流能力滿足180A的持續(xù)電流可承受2h不影響電器壽命，300A的過載電流可短時承受10min不影響電氣壽命。既能滿足應(yīng)用需求，又避免了選200A規(guī)格繼電器造成浪費。

2.3 額定電流

額定電流是指繼電器在不高于額定電流的載流下長時間工作，繼電器溫升保持在允許范圍內(nèi)，更不會影響繼電器的電氣壽命。電動汽車在正常平穩(wěn)高速地行駛是整車持續(xù)時間最長的工況，繼電器要在此工況下長時間載流工作，要保障繼電器安全且不影響電氣壽命，則繼電器額定電流必須不低于此工況下的電動車產(chǎn)生的電流。

2.4 最大分?jǐn)嚯娏?/h3>

最大分?jǐn)嚯娏鬟@是作為一項安全考核項存在，是指繼電器能正常切斷最大電流。在電動汽車整車壽命中，我們沒法保證車輛一定不會出現(xiàn)短路故障，我們不希望出現(xiàn)短路大電流時，將所有的保護(hù)希望都只寄托在主熔斷器的被動保護(hù)上，哪怕我們只能確保短路電流出現(xiàn)時，繼電器只能正常切斷1次，整車就少了一分起火的風(fēng)險，乘員安全就多了一分保障。

2.5 過載切斷能力

整車在加速時會產(chǎn)生過載電流，此時如果整車出現(xiàn)碰撞等需要強(qiáng)制切斷動力電源的故障時，就會考驗繼電器過載切斷能力。設(shè)計之初要評估整車強(qiáng)制過載切斷動力的次數(shù)，過載電流大小，參考繼電器廠家試驗報告，選擇能滿足我們過載切斷需求的繼電器。

2.6 反向切斷能力

反向切斷是指有極性繼電器在切斷電源時，電弧是有方向性的，當(dāng)反向電弧滅弧難度更大，對繼電器損傷更嚴(yán)重。但是無極性繼電器成本明顯更高，所有在非必須的情況我們基本會選擇有極性的繼電器，選型時需要評估整車需求的反向切斷次數(shù)、電流大小，選擇相應(yīng)滿足反向切斷能力的繼電器。

除了以上6大主觸點參數(shù)，我們還需要考慮幾個參數(shù)：驅(qū)動電壓、額定電壓、過載切斷次數(shù)、反向切斷次數(shù)、耐沖擊性、耐振性、耐久振動、安裝尺寸等。

3 高壓繼電器應(yīng)用設(shè)計要點

（1）設(shè)計時將電流分?jǐn)喔怕矢叩姆较蜃鳛檎颍M量避免反向分?jǐn)啵?/p>

（2）容性負(fù)載閉合時沖擊電流越小越好，盡量低于繼電器的額定電流，比如300A規(guī)格的產(chǎn)品，接通時沖擊電流盡量≤300A，在額定負(fù)載條件下帶載接通的能力（不帶載分?jǐn)啵┛梢赃_(dá)到7.5W次以上；

（3）在設(shè)計連接銅排時，盡量將截面積做大，按我司推薦的截面積來，以增加觸點位置的散熱截面積，降低溫升，提高性能，其它部分可以適當(dāng)小點；

（4）不帶節(jié)能板的產(chǎn)品不能并聯(lián)二極管來吸收反向電動勢，否則會增加繼電器釋放時間，拉弧時間會加長，會降低壽命，建議并聯(lián)TVS管或壓敏電阻。

圖2 并聯(lián)TVS管或壓敏電阻驅(qū)動電路

4 高壓繼電器典型失效模式分析

電動汽車高壓繼電器典型的失效模式就是觸點粘連。繼電器作為一個自動控制開關(guān)元器件，其最主要的作用就是控制電路通斷，一旦觸點粘連，繼電器就失去了開關(guān)作用。以下是常見的繼電器觸點粘連原因。

4.1 并聯(lián)二極管

客戶在線圈并聯(lián)續(xù)流二極管，導(dǎo)致觸點斷開時間延長，加劇觸點間燃弧，典型值為3ms-28ms。建議改為并聯(lián)壓敏電阻或者TVS管。

4.2 預(yù)充不足

預(yù)充不足（容性負(fù)載），導(dǎo)致觸點閉合時觸頭過流局部發(fā)熱熔化粘連，典型值大于2倍額定。建議增加預(yù)充時間或者增加預(yù)充電流。

4.3 饋電切斷

繼電器在有饋電的情況下斷開，因為大電流的繼電器在設(shè)計時，為了強(qiáng)化正常環(huán)境下的性能指標(biāo)，犧牲了部分反向斷開的能力（滅弧原理是磁吹）。建議在邏輯控制上盡量避免，不得已情況下選型更強(qiáng)壯的繼電器。例如，剎車時能量回收；持續(xù)下坡時為保護(hù)電池包已充滿，防止過充。

4.4 控制邏輯有誤

若失效集中在主負(fù)位置上，控制邏輯配合不當(dāng)，若失效數(shù)量樣本較大時，通過推理、正態(tài)分布就可判定?？梢酝ㄟ^BMS（控制單元）排查斷開和閉合的邏輯順序，先后間隔的時間是否足夠，可以參考規(guī)格書的參數(shù)。例如，快充回路只采用一個主繼電器時，主負(fù)繼電器處于反向電流工作狀態(tài)，異常斷開時要求先斷開快充主繼電器。

4.5 瞬間大電流

系統(tǒng)瞬時未知的大電流導(dǎo)致觸點粘連，典型值為10倍額定。建議電流傳感器設(shè)置過流報文（針對瞬時短路的，要避開峰值和閉合瞬間），利于后期的分析原因。

4.6 觸點抖動

觸點的抖動，中間繼電器的抖動疊加上主繼電器的抖動；EMC干擾引起。表現(xiàn)為觸點有多個燒蝕點。

5 結(jié)論

隨著電動汽車越來越普及，人們對電動汽車安全可靠性要求越來越高。而繼電器作為主動切斷動力電源的開關(guān)，繼電器的可靠性對整車安全意義重大，選擇與整車高壓用電器匹配性更高的繼電器，才能更加有效的起到安全通斷電源作用，才能更好地保護(hù)乘客安全。

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Study on selection design of high voltage relay for EV*

Liu Jinpei, Deng Haiwen, Huang Zupeng

( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

This paper introduces the working principle of high voltage relay, applications in electric vehicle environment and relay electrical performance requirements，analyses the selection and application of high voltage relay in electric cars need to focus on performance parameters, which provides the basis for the electric car right choose to use high pressure relay.

Electric vehicles; High Voltage Relay; Selection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.008

U469.72

A

1671-7988(2019)10-22-03

U469.72

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1671-7988(2019)10-22-03

劉金配（1996-11），男，新能源高壓工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，從事新能源汽車高壓電氣架構(gòu)、高壓安全研究工作。

廣西科技計劃資助項目（桂科AC1638 0043）；柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（2016B030101）。