純電動乘用車高壓繼電器應(yīng)用與實踐

張長濤 李威 曲振寧 盛毅 王伯軍

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

0 引言

隨著新能源汽車技術(shù)發(fā)展，電動汽車市場快速發(fā)展。中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2021 年，新能源汽車產(chǎn)銷量超過350 萬輛，市場占有率達(dá)13.4%，同比均增長1.7 倍[1]。2022 年，新能源汽車產(chǎn)銷量超過680 萬輛，市場占有率提升至25.6%，同比均增長約1 倍[2]。

新能源汽車一般采用高壓電池組為電動汽車提供動力，在動力電池系統(tǒng)或相關(guān)高壓總成中配置高壓繼電器，以保證電氣系統(tǒng)正常通斷。當(dāng)系統(tǒng)停止運行后，高壓繼電器起到高壓隔離作用；系統(tǒng)運行時，高壓繼電器起高壓連接作用；當(dāng)車輛高壓下電或發(fā)生故障時，高壓繼電器能安全地將車輛高壓電氣系統(tǒng)分?jǐn)唷Ｒ虼?，高壓繼電器是新能源汽車關(guān)鍵安全器件。

電動車領(lǐng)域，針對高壓繼電器的工況電流，一般評價方法是長時工作電流和短時工作電流，對應(yīng)是整車在急加速下的最高電流，和最高車速下的工作電流。但綜合真實的測試工況或用戶使用工況，目前尚未形成明確的數(shù)據(jù)參考。尤其在新能源超跑車和高性能四驅(qū)車的比例越來越多，整車的工作電流（特別是在急加速情況）較傳統(tǒng)電動車工作電流有較大提高。

近來越來越多的總成方案將動力電池與高壓配電、車載電源進(jìn)行大集成或?qū)⒏邏号潆?、車載電源與電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行大集成。由于集成度高，大集成方案的高壓繼電器的使用環(huán)境（如工作環(huán)境溫度、振動要求）比普通電池包上布置的高壓繼電器使用環(huán)境更加惡劣，因此大集成方案的高壓繼電器性能需要有更細(xì)致的評估。

本文主要針對電動乘用車的高壓繼電器性能參數(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并依據(jù)使用需求、車輛的應(yīng)用技術(shù)情況，對電動乘用車適應(yīng)的評價工況給出建議，并針對高壓繼電器的性能要求增加了視覺評估內(nèi)容。

1 國內(nèi)外高壓繼電器技術(shù)現(xiàn)狀

新能源車主回路用高壓繼電器一般工作電壓較傳統(tǒng)在200～1 000 V 以內(nèi)，額定工作電流一般在400 A 以內(nèi)。同時需要高壓繼電器具備抗沖擊、滅弧能力強和分?jǐn)嗄芰姷幕竟δ埽ū?）。

表1 高壓繼電器功能要求

國外主要有松下、歐姆龍和泰科3家企業(yè)，國內(nèi)主要有宏發(fā)、國立、比亞迪3家高壓繼電器生產(chǎn)企業(yè)，目前均已經(jīng)推出了較齊全的量產(chǎn)規(guī)格高壓繼電器產(chǎn)品，未來也在進(jìn)行輕量化和節(jié)能化的產(chǎn)品規(guī)劃。

1.1 高壓繼電器主要參數(shù)指標(biāo)-工作電流

高壓繼電器的重要性能指標(biāo)之一是高壓繼電器的工作電流，包括額定工作電流，短時沖擊電流。一般規(guī)格書中參數(shù)如表2所示。

表2 高壓繼電器電流耐受參數(shù)

1.2 高壓繼電器參數(shù)-一般指標(biāo)

目前高壓繼電器的參數(shù)一般指標(biāo)如表3所示。

表3 高壓繼電器一般指標(biāo)

1.3 高壓繼電器應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外高壓繼電器企業(yè)主推新款小型化高壓繼電器，額定電流為250 A∕300 A居多，如表4所示。

表4 企業(yè)主推高壓繼電器現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外汽車企業(yè)一般應(yīng)用的高壓繼電器為額定電流250 A和300 A居多，如表5所示。

表5 車企應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

綜合對比各地區(qū)高壓繼電器應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀，可以看出：

（1）日企多以100 A小電流高壓繼電器為主，車企應(yīng)用180 A 及以上，中國車企已經(jīng)應(yīng)用了250 A 及以上規(guī)格。

（2）歐美日等開始推廣250 A 和300 A 規(guī)格小型化繼電器。

（3）國內(nèi)主流應(yīng)用250 A 和300 A 小型化規(guī)格高壓繼電器，目前已有機(jī)構(gòu)在研發(fā)電流為400 A 以上的大功率繼電器。

2 純電動乘用車高壓繼電器應(yīng)用

2.1 高壓繼電器控制要求

朱楚梅[3]針對電動汽車高壓繼電器控制應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)了例如高壓繼電器的控制要求、預(yù)充保護(hù)、高壓上下電流程管理以及高壓繼電器的狀態(tài)監(jiān)測信息，內(nèi)容比較系統(tǒng)全面，目前各主機(jī)廠在高壓繼電器方案設(shè)計中均有應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用需求及設(shè)計選型

根據(jù)整車常見工況，進(jìn)行仿真與實測電流數(shù)據(jù)整理，主要提取了整車最高車速持續(xù)行駛和最高速加速工況的電流，整理后的結(jié)果見表6。

表6 電流工況計算A

按表6數(shù)據(jù)進(jìn)行估算并參考表2高壓繼電器的規(guī)格參數(shù)，選用Ⅰ品牌300 A規(guī)格繼電器。因為從0到最高車速的加速工況電流在規(guī)格書中沒有對應(yīng)參數(shù)可參考匹配，故后續(xù)通過臺架試驗進(jìn)行驗證。

2.3 高壓繼電器應(yīng)用

劉金配等[4]提出的關(guān)于高壓繼電器的應(yīng)用選型中，針對高壓繼電器相關(guān)工況的動作壽命和切斷能力考核項目提出了比較詳細(xì)的闡述。

目前高壓繼電器在各工況電流測試后，一般只會復(fù)測基本電氣參數(shù)以作對比分析。但高壓繼電器在測試前后的線圈電阻、接觸電阻、吸合釋放電壓參數(shù)一般并無明顯變化。

目前各家主機(jī)廠均存在一部分高壓繼電器在臺架測試上通過，整車試驗后期才出現(xiàn)的高壓繼電器故障，例如粘連。在出現(xiàn)高壓繼電器粘連后需要做系統(tǒng)性的粘連分析，參考葛俊良等[5]闡述的排查思路做分析。此外，還需要在整車上進(jìn)行實車電壓、電流的采集，如圖1所示，并需要對報文進(jìn)行采集讀取分析時序工作，如圖2所示。排查問題需要詳細(xì)分析時序并比對上電期間的電壓、電流，分析過程冗長。

圖1 實車采集電壓電流

圖2 報文時序分析

2.4 多合一集成中高壓繼電器應(yīng)用

近來有高壓電驅(qū)與高壓配電、車載電源進(jìn)行大集成或動力電池與高壓配電、車載電源集成的多合一進(jìn)行大集成的趨勢，比如華為及比亞迪公司的電驅(qū)多合一方案。多合一集成后高壓繼電器相應(yīng)的需要集成至電驅(qū)內(nèi)或者靠近車載電源部件，高壓繼電器的使用環(huán)境溫度較原動力電池包內(nèi)更為惡劣，需要充分考慮環(huán)境溫度、工況變換對繼電器的影響。

丁永根等[6]針對新能源汽車驅(qū)動電機(jī)殼體冷卻結(jié)構(gòu)做了熱仿真的分析，參考此內(nèi)容建議多合一內(nèi)高壓配電部分在設(shè)計初進(jìn)行模型熱仿真，以減少后期設(shè)計更改的風(fēng)險。參照衡鳳琴[7]提出的配電盒仿真設(shè)計，可做出如圖3的設(shè)計模型，進(jìn)行相關(guān)熱仿真，評估繼電器的熱風(fēng)險。

圖3 高壓配電熱仿真模型

2.5 高壓繼電器失效分析

近來有不少文章針對高壓繼電器的失效做了較詳細(xì)的分析。如趙小巍等[8]針對其故障進(jìn)行了較詳細(xì)的故障診斷方法論述。伍昆[9]也針對在整車系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的排查分析做了較詳細(xì)的闡述。目前未有針對高壓繼電器在整車故障前各項測試期間進(jìn)行問題提前預(yù)警分析的研究內(nèi)容。

3 多合一集成中高壓繼電器應(yīng)用案例

3.1 高壓繼電器仿真

按某項目采用的多合一方案中高壓配電的數(shù)據(jù)模型，參照王燕兵等[10]提出的繼電器仿真模型并做相應(yīng)簡化，參照衡鳳琴[7]提出的配電盒仿真設(shè)計進(jìn)行熱仿真設(shè)計，形成初步計算數(shù)據(jù)，如圖4。

圖4 高壓配電熱仿真模型

3.2 應(yīng)用測試與驗證

針對使用工況，進(jìn)行了4項測試，如表7所示。

表7 高壓繼電器測試工況

各個測試?yán)^電器樣件觸點溫升測試結(jié)果滿足要求。

測試前后對高壓繼電器進(jìn)行線圈電阻、接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓參數(shù)作對比；測試后，拆解測試樣品，觀察比較觸點變化。

3.3 使用工況分析及建議

某項目采用3個品牌300 A規(guī)格的高壓繼電器做前期測試對比。根據(jù)路試中相關(guān)采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該高壓繼電器使用中電流較大的路試工況主要有：

（1）急加速沖擊工況：按0 A～1 200 A～0 A，共持續(xù)15 s沖擊，間隔30 s，進(jìn)行20個循環(huán)，如圖5所示。

圖5 急加速工況電流

（2）耐久工況，峰值電流600 A 持續(xù)4 s,平均額定電流＜240 A，總持續(xù)時間為45 min，如圖6所示。

圖6 耐久工況電流

按實際使用工況，持續(xù)電流小于高壓繼電器的額定工作電流；大沖擊電流頻次較前期試驗明顯增多，試驗方案需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.4 繼電器分析

在各個工況測試前、中、后分別對高壓繼電器參數(shù)進(jìn)行記錄，并對比如表8所示。

表8 繼電器參數(shù)對比

根據(jù)表8數(shù)據(jù)，能看出測試前后并無太大變化，基本參數(shù)信息并不能明顯表征各高壓繼電器試驗前后的變化。

王燕兵等[10]針對繼電器觸點瞬態(tài)接觸傳熱進(jìn)行了模擬分析；翟國富等[11]針對繼電器觸點侵蝕及失效模式做了相關(guān)分析。本項目測試后，對拆解后的繼電器觸點進(jìn)行觀察比較。拆解高壓繼電器觸點觀察，如圖7所示。

圖7 臺架測試后高壓繼電器觸點狀態(tài)

在測試后能明顯看出各繼電器觸點受損情況（觸點有較淺熔池痕跡、拍打痕跡、材質(zhì)轉(zhuǎn)移），實際情況也是觸點的損傷越大，后期越容易發(fā)生粘連。發(fā)生粘連的高壓繼電器觸點均有明顯熔池及材質(zhì)轉(zhuǎn)移。

在整車實際使用中，因為有不同的高壓上電下電及充電的相關(guān)工況，需要針對工況做更細(xì)化的測試后進(jìn)行觸點狀態(tài)評估確認(rèn)。

3.5 應(yīng)用復(fù)測工況

根據(jù)路試工況，準(zhǔn)備Ⅰ品牌、Ⅴ品牌和Ⅵ品牌的相同規(guī)格高壓繼電器，在臺架上進(jìn)行如表9所示的工況比較測試。

表9 工況比較

以上所有測試完成后，多家企業(yè)各款高壓繼電器基本動作狀態(tài)均良好。

3.6 繼電器復(fù)測評估

整車在所有耐久和動力性試驗完成后，高壓繼電器均正常。未進(jìn)行基本參數(shù)測試對比，僅拆解部分繼電器進(jìn)行觸點評估，如表10所示。

表10 高壓繼電器觸點形態(tài)

高壓繼電器在經(jīng)受不同的使用工況后，觸點形態(tài)表現(xiàn)出明顯不同。在整車環(huán)境中應(yīng)避免出現(xiàn)容性接通和大電流分?jǐn)嗉岸搪非闆r。

不同品牌的高壓繼電器觸點在相同的使用條件下，觸點狀態(tài)也有所不同。測試后觸點無明顯變化的繼電器性能更好。

4 高壓繼電器使用工況分析與建議

4.1 高壓繼電器仿真設(shè)計

高壓配電部分按布置環(huán)境數(shù)據(jù)，對高壓繼電器及其相關(guān)的電連接部件，提前進(jìn)行熱仿真分析。

4.2 高壓繼電器考核要點

高壓繼電器考核要點見表11所示。

表11 高壓繼電器考核工況

4.3 應(yīng)用工況設(shè)計評估

高壓繼電器結(jié)合實際試驗工況及用戶使用工況，進(jìn)行臺架測試：

按表11進(jìn)行試驗考核，試驗前后分別檢測高壓繼電器基本性能參數(shù)。

以上結(jié)合真實的測試工況或用戶使用工況，來更好地用整車工作電流評估高壓繼電器的應(yīng)用情況。

4.4 繼電器觸點評估

在測試后需要評估高壓繼電器觸點狀態(tài)，以更好地應(yīng)用高壓繼電器。

（1）試驗后檢測繼電器基本性能；

（2）最終需要進(jìn)行繼電器拆解評估觸點狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文梳理了現(xiàn)有電動乘用車主要應(yīng)用的高壓繼電器規(guī)格，并對其應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，重點提出高壓繼電器的考核不能僅測試工況后檢查基本參數(shù)，還需要對高壓繼電器觸點進(jìn)行評估分析。由此對電動乘用車，尤其是包含高壓繼電器的多合一集成部件后，對高壓繼電器可靠應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)論述。