高壓直流接觸器驅(qū)動(dòng)線圈泄放回路淺析

【摘" 要】文章介紹高壓直流接觸器在動(dòng)力電池PACK中的應(yīng)用特性，分析高壓直流接觸器驅(qū)動(dòng)線圈泄放回路的工作原理。針對(duì)其應(yīng)用特性改進(jìn)線圈泄放回路設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)接觸器的電氣壽命，提高整車電氣安全。

【關(guān)鍵詞】高壓直流接觸器；線圈；泄放；電??；開斷時(shí)間

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0068-02

Analysis of the Drive Coil Current Discharge of HVDC Contactor

GE Man

（Shanghai Xuanyi New Energy Development Co.，Ltd.，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In this article，the application characteristics of HVDC contactor in power battery PACK are introduced，and the working principle of the drive coil drain circuit of HVDC contactor is analyzed. According to its application characteristics，the coil bleed circuit design is improved，thus extending the electrical life of the contactor and improving the electrical safety of the vehicle.

【Key words】HVDC contactor；coil；discharge；electric arc；breaking time

1" 引言

在新能源汽車不斷發(fā)展逐漸成為汽車消費(fèi)主流的當(dāng)下，新能源汽車的關(guān)鍵部件動(dòng)力電池PACK經(jīng)過不斷發(fā)展也已日漸成熟。而高壓直流接觸器作為動(dòng)力電池PACK的重要電氣部件，它的性能表現(xiàn)直接影響整車的基本功能和電氣安全。

在動(dòng)力電池PACK的電氣拓?fù)浠芈罚▓D1）中，高壓直流接觸器有承載工作電流和隔離電池電壓的基本功能，在整車故障時(shí)，高壓直流接觸器又起著切斷故障電流，保護(hù)人員安全的關(guān)鍵作用。各高壓直流接觸器廠家也在通過升級(jí)材料和工藝以提高接觸器的電流耐受、開斷能力，從而延長(zhǎng)其電氣壽命。但是在高壓直流接觸器的應(yīng)用環(huán)節(jié)，有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)很容易被大家忽視，就是高壓直流接觸器驅(qū)動(dòng)線圈的泄放回路設(shè)計(jì)，該回路設(shè)計(jì)的正確與否直接影響接觸器的開斷能力和電氣壽命等關(guān)鍵性能。

2" 高壓直流接觸器驅(qū)動(dòng)線圈泄放回路原理

2.1" 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)中，一般會(huì)在接觸器或繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管作為其開斷時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈的泄放通道，從而達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路的目的，如圖2所示。在接觸器或繼電器開斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈作為一個(gè)電感元件，會(huì)產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)。

在整車故障時(shí)，需要高壓直流接觸器開斷故障電流，由于是高壓直流電路，接觸器開斷時(shí)會(huì)在接觸器觸點(diǎn)兩端產(chǎn)生電弧。跟交流電路不同，交流回路中的電弧會(huì)因電壓過零點(diǎn)而自行熄滅，而直流電路中的電弧需要輔助滅弧才能熄滅。當(dāng)電弧不能快速熄滅時(shí)，高溫高壓的電弧可能會(huì)導(dǎo)致接觸器粘連不能分?jǐn)?，甚至接觸器爆裂、電弧泄漏等更嚴(yán)重故障，所以接觸器開斷時(shí)電弧的及時(shí)熄滅相當(dāng)重要。除了接觸器本身的磁吹滅弧以外，接觸器觸點(diǎn)的開斷速度對(duì)電弧的熄滅也有著重要影響，觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣仍娇?，電弧越易被迅速拉長(zhǎng)冷卻，從而更快更容易熄滅。但是仍使用續(xù)流二極管來保護(hù)驅(qū)動(dòng)線圈電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈中的電流衰減較慢，會(huì)減緩觸點(diǎn)的分?jǐn)嗨俣?，從而影響電弧的熄滅，最終導(dǎo)致接觸器故障或電氣壽命縮短。

2.2" 設(shè)計(jì)改進(jìn)

設(shè)計(jì)一種電路，既能保護(hù)驅(qū)動(dòng)線圈電路又能不影響觸點(diǎn)的分?jǐn)嗨俣?。在原先的二極管回路上串聯(lián)一個(gè)TVS管，如圖3所示。在接觸器開斷時(shí)，由于線圈的電感特性，線圈電流快速減小，反向電動(dòng)勢(shì)快速變大，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到TVS管的導(dǎo)通電壓時(shí)，線圈兩端電壓被鉗制在該電壓值，如圖4所示，從而保護(hù)了線圈的驅(qū)動(dòng)回路，同時(shí)由于線圈的電流快速減少，接觸器觸點(diǎn)得以快速分?jǐn)唷?/p>

2.3" TVS選型分析

TVS的參數(shù)主要包括額定反向關(guān)斷電壓V_RWM、最大鉗位電壓V_C（MAX）、最大峰值脈沖功率P_PK。選型時(shí)，以12V電氣系統(tǒng)為列，TVS額定反向關(guān)斷電壓V_RWM需要大于被保護(hù)電路的最大工作電壓V_CC，一般最大工作電壓V_CC=16V，V_RWM＞16V，可取V_RWM=18V。最大鉗位電壓V_C（MAX）應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)回路不超過其耐壓值V_MAX，驅(qū)動(dòng)回路耐壓值V_MAX一般選擇其最大工作電壓的1.8倍，即V_MAX=1.8×V_CC=28.8V，V_C（MAX）＜28.8V，可取V_C（MAX）=26V。最大峰值脈沖功率P_PK=V_C（MAX）×I_P，I_P為驅(qū)動(dòng)回路最大電流，即I_P=V_CC/R，R為驅(qū)動(dòng)回路電阻，近似為線圈電阻，所以P_PK=V_C（MAX）×（V_CC/R）。若線圈電阻R=24Ω，則P_PK=26×（16÷24）≈17.3W。綜上所述，選擇的TVS管參數(shù)為：V_RWM=18V，V_C（MAX）=26V，P_PK=17.3W?？蛇x型號(hào)為SMAJ16A-E3/61。

3" 仿真分析

為了對(duì)比2種方案對(duì)觸點(diǎn)開斷速度的影響，使用Multisim軟件進(jìn)行仿真，仿真電路如圖5所示。使用電阻和電感串聯(lián)模擬接觸器線圈，R1與L1模擬接觸器線圈1，兩端并聯(lián)二極管D1，R2與L2模擬接觸器線圈2，兩端并聯(lián)二極管D3和TVS管D4，三極管Q3、Q1通過開關(guān)S1控制斷開，使用示波器測(cè)量R1、R2電阻兩端電壓。以R1、R2兩端電壓到達(dá)0V時(shí)作為接觸器觸點(diǎn)完全斷開的時(shí)間。以一個(gè)常用的額定電流200A，額定驅(qū)動(dòng)電壓12V的高壓直流接觸器為例，電源V1電壓設(shè)置為12V，R1、R2阻值設(shè)置為24Ω，電感L1、L2電感值設(shè)置為130mH，D4型號(hào)為SMAJ16A-E3/61，額定反向關(guān)斷電壓V_RWM為16V，最大鉗位電壓V_C（MAX）為26V，最大峰值脈沖功率P_PK為400W。

閉合S1，使Q3、Q1導(dǎo)通，待R1、R2兩端電壓穩(wěn)定后，斷開S1，使Q3、Q1斷開，觀察示波器波形，記錄電壓從12V衰減到0V的時(shí)間。仿真結(jié)果顯示，僅并聯(lián)續(xù)流二極管的方案，電壓從12V衰減到0V耗時(shí)大約12.5ms（圖6藍(lán)色曲線），并聯(lián)二極管加TVS管的方案，電壓從12V衰減到0V耗時(shí)大約2.4ms（圖6紅色曲線）。顯然并聯(lián)二極管和TVS管的線圈電流衰減更快，從而觸點(diǎn)分?jǐn)嘁哺焖佟?/p>

4" 總結(jié)

從原理分析以及仿真結(jié)果可知，在新能源汽車動(dòng)力電池PACK中，高壓直流接觸器驅(qū)動(dòng)線圈回路使用TVS管加二極管的泄放回路能大大提高接觸器的開斷速度，減少故障電流和觸點(diǎn)電弧的存在時(shí)間，從而延長(zhǎng)了接觸器的電氣壽命，提高了整車電氣安全。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-03

作者簡(jiǎn)介

葛滿（1987—），主要從事動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。