高壓繼電器典型結(jié)構(gòu)
高壓直流繼電器主要由高壓腔體、銜鐵機(jī)構(gòu)、電磁驅(qū)動等部分組成。
高壓直流繼電器與普通繼電器的最大區(qū)別在于，超高壓直流繼電器采用了獨(dú)特的密封技術(shù)，將高壓直流繼電器的接觸點(diǎn)密封在腔體中，與外界空氣隔離，以獲得更高的耐壓，在觸點(diǎn)切換時不采用帶載切換，主要用于需要對高壓通道的備份裝置與機(jī)構(gòu)。
高壓直流繼電器 典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一
高壓直流繼電器 典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖二
高壓繼電器工作原理
與普通繼電器的工作原理類似，當(dāng)電磁驅(qū)動部分未加激勵電壓時，線圈內(nèi)無電流流過，對應(yīng)的電磁驅(qū)動部分不會產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的銜鐵在彈簧的反力作用下，處于初始狀態(tài)，高壓腔體中的電極與電極經(jīng)接觸片連接，形成回路；當(dāng)電磁驅(qū)動部分加上激勵電壓時，線圈內(nèi)有電流流過,電磁驅(qū)動部分產(chǎn)生磁通,轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)中的銜鐵克服彈簧的反力作用，銜鐵吸合，此時接觸片隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動，與電極NC分離，轉(zhuǎn)向電極NO，最終與NO電極連接。
高壓直流繼電器最關(guān)鍵部分，是完成高電壓轉(zhuǎn)換的接觸部分，被密封在高壓腔體內(nèi)。
高壓直流繼電器工作原理
預(yù)充繼電器和主繼電器
電動車的電機(jī)控制器負(fù)載有較大的電容C，當(dāng)車輛冷態(tài)啟動時，電容上無電荷或只有很低的殘余電荷，如無預(yù)充步驟，主繼電器K+和K-直接與電容C接通，此時相當(dāng)于瞬間短路，極高的瞬間電流將損壞繼電器K+和K-。
因此，電動汽車引入預(yù)充電解決方案。讓阻抗較大的Kp和R(一般選用100~200Ω)構(gòu)成的預(yù)充電回路現(xiàn)行接通。當(dāng)預(yù)充電回路工作時，負(fù)載電容C上的電壓Vc越來越高，預(yù)充電電流Ip則越來越小，當(dāng)Vc接近Vb(一般是Vc達(dá)到電池系統(tǒng)端電壓的90%及以上)時，切斷預(yù)充電回路。此時接通主繼電器K+,不會再有大電流沖擊導(dǎo)致主繼電器損壞。
預(yù)充繼電器工作原理 · 預(yù)充電過程波形
高壓繼電器性能特點(diǎn)
1)耐高壓
新能源電動汽車的工作平臺電壓都較高，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車的12V/24V，因此要求其配套的高壓直流繼電器能夠承受較高的工作電壓和高壓帶載中可靠的閉合與分?jǐn)唷?/p>
2)耐負(fù)載
電動汽車或電動大巴的電動機(jī)額定功率一般為30KW和80KW以上，峰值達(dá)到60KW和160KW以上，其電流將分別達(dá)到200A和300A左右，在產(chǎn)品性能、成本的雙重壓力下，要求相同的體積下，產(chǎn)品的耐負(fù)載能力強(qiáng)，同時還要具備額定負(fù)載電流數(shù)倍的瞬時過載能力；或者在相同的耐負(fù)載能力下，產(chǎn)品的體積越小越好。
3)抗沖擊
新能源汽車用高壓直流繼電器不僅要具備耐受較高的電壓和承載足夠電流的基本功能，還要抵抗閉合瞬間電容性負(fù)載巨大電流的沖擊，這個電流一般是負(fù)載額定電流的數(shù)倍至數(shù)十倍等，常規(guī)的繼電器都無法承受這一瞬間電流的沖擊，這個沖擊電流的危害就是極易導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)粘聯(lián)，繼電器觸點(diǎn)分離失效，電源切斷失控，嚴(yán)重時可造成車毀人亡等安全事故，危害極大。因此高壓直流繼電器應(yīng)具有良好的抗沖擊性能。
4)滅弧
電弧是帶電粒子組成的等離子體，是繼電器觸點(diǎn)閉合與分?jǐn)鄤幼鬟^程中不可避免的問題。當(dāng)接通和斷開負(fù)載時，觸點(diǎn)之間會產(chǎn)生電弧，電壓/電流越高，電弧越強(qiáng)，電弧如果不能及時熄滅，會大大降低了繼電器觸點(diǎn)的使用壽命。
高壓繼電器需要采用一些特殊的快速滅弧手段降低電弧能量，減少對繼電器觸點(diǎn)的損害，延長產(chǎn)品的使用壽命。因此，滅弧能力強(qiáng)也是繼電器需具備的基本特點(diǎn)。
5)分?jǐn)?/p>
汽車在運(yùn)行過程使用工況復(fù)雜，在緊急情況下，如電氣系統(tǒng)短路時，回路中的瞬間電流驟升，此時要求繼電器在極限大電流下能夠順利的切斷電路，而不發(fā)生觸點(diǎn)粘連或繼電器爆炸等異常狀況的發(fā)生，防止電池過放短路起火或爆炸的安全危害，這就要求繼電器觸點(diǎn)具有良好的抗沖擊和抗粘連的能力。
高壓繼電器選型原則
高壓繼電器的選型原則很多，在選型之前，我們需要根據(jù)一些基礎(chǔ)輸入信息，按部就班縮小選擇范圍，并最終決定繼電器型號。
①了解控制電路的電路電壓以及能提供的最大電流；
②被控制電路的電壓和電流；
③被控制電路需要幾組、什么形式的觸點(diǎn)。一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)， 確定所需繼電器的產(chǎn)品類型；
④根據(jù)電壓類別、額定電壓、額定電流縮小選擇范圍；
⑤根據(jù)滅弧氣體、腔體材質(zhì)、主接觸點(diǎn)形式、引出端方式等限制條件，最終決定繼電器型號。
在具體實(shí)施過程中，需要明確6大主觸點(diǎn)參數(shù)，包括電氣壽命、額定電流、短時通電電流、最大分離電流、過載切斷能力、反向切斷能力。
①電氣壽命
在電動汽車設(shè)計(jì)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(jì), 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, 我們需要評估在車輛生命周期內(nèi)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。
③短時通電電流
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，加速峰值電流300A的工作時間<10s。根據(jù)此參數(shù)，可選用額定電流為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。
④最大分?jǐn)嚯娏?/p>
最大分?jǐn)嚯娏鬟@是作為一項(xiàng)安全考核項(xiàng)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, 無法保證車輛一定不會出現(xiàn)短路故障，需要確保當(dāng)短路電流出現(xiàn)時, 高壓直流繼電器可以正常切斷。
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(yàn)繼電器過載切斷能力。設(shè)計(jì)之初要評估整車強(qiáng)制過載切斷動力的次數(shù)，過載電流大小等參數(shù)，選擇能滿足過載切斷需求的繼電器。
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下基本都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(diǎn)參數(shù), 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、安裝方式等。
以宏發(fā)和HELLA兩款較為常用的高壓繼電器為例，了解高壓繼電器的主要參數(shù)：
市面上兩款常見的高壓繼電器 主要參數(shù)
高壓繼電器觸點(diǎn)設(shè)計(jì)
繼電器在切換負(fù)載的瞬間，動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)之間會產(chǎn)生電弧。電弧的大小隨系統(tǒng)電壓呈指數(shù)增加，電壓越高，電弧越大，而電弧是繼電器觸點(diǎn)磨損的主要因素之一。
目前高壓直流繼電器大部分采用銅基觸點(diǎn)。銅基觸點(diǎn)在空氣中極易發(fā)生氧化反應(yīng)而導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降，需要配套使用密封腔體來防止觸電氧化(下一章節(jié)我們會對密封腔體進(jìn)行解釋說明)，有部分繼電器則選用銀合金觸點(diǎn)，可以彌補(bǔ)易氧化的缺點(diǎn)，同時銀合金還具有耐粘連、耐電弧燒損的特點(diǎn)。
不同觸點(diǎn)比較
高壓繼電器密封腔體設(shè)計(jì)
解決電弧的方法之一是把繼電器觸點(diǎn)周圍的空氣去除，保持觸點(diǎn)具有穩(wěn)定的切換環(huán)境，即繼電器的觸點(diǎn)工作在真空絕緣環(huán)境狀態(tài)，此時，即使很小的觸點(diǎn)間隙也能維持很高的擊穿電壓，試驗(yàn)研究證明，在真空環(huán)境下，1mm 的觸點(diǎn)間隙可承受約 13000V的擊穿電壓。而新能源汽車?yán)^電器正是利用該原理，把繼電器的觸點(diǎn)部分設(shè)計(jì)為真空環(huán)境，以保證新能源汽車中的高壓大電流負(fù)載的可靠切換。
①典型陶瓷封裝真空室結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理
其中靜觸點(diǎn)、陶瓷體、密封圈、蓋板、殼體等零件組合為一個密封腔，經(jīng)抽出其內(nèi)部空氣后形成真空室，當(dāng)外部的繼電器線圈提供給銜鐵動力時，銜鐵可在殼體內(nèi)上下移動，以此帶動動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)進(jìn)行高壓大電流負(fù)載的切換，繼電器動靜觸點(diǎn)的切換全部在密閉的真空室內(nèi)進(jìn)行，防止觸點(diǎn)間切換負(fù)載時因空氣電離而發(fā)生電弧。
由于真空器件對絕緣介質(zhì)材料要求較高，因而陶瓷在真空器件中得到大量應(yīng)用，但陶瓷零件的缺點(diǎn)也顯而易見：陶瓷零件成型需要高溫?zé)Y(jié)；陶瓷零件與其它金屬零件如靜觸點(diǎn)、密封圈的金屬封接工藝復(fù)雜，以及金屬零件之間的連接均需要采用釬焊或氬弧焊等比較復(fù)雜的工藝。
因此，陶瓷零件的制造及其與金屬零件之間裝配過程工藝復(fù)雜、效率低下等問題，很難適應(yīng)未來新能源汽車對該類繼電器大批量的生產(chǎn)要求。
陶瓷封裝真空室結(jié)構(gòu)
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②典型環(huán)氧封裝真空室結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理
零件組合裝配完成后，再灌封特制的環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂包裹靜觸點(diǎn)、密封管、蓋板、軛鐵等零件，待環(huán)氧樹脂固化后形成密封腔，密封腔內(nèi)部經(jīng)過抽真空處理后即為真空室，當(dāng)線圈通電后提供給銜鐵動力，銜鐵在線圈中上下移動，并帶動動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)切換，所有動作全部在真空室內(nèi)完成。
環(huán)氧封裝結(jié)構(gòu)其設(shè)計(jì)原理仍同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，其創(chuàng)新之處在于真空室的形成用環(huán)氧封裝替代陶瓷封裝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于陶瓷及其與金屬零件焊接所帶來的工藝復(fù)雜、效率低下、成本高昂等問題，并能適應(yīng)未來市場對新能源汽車?yán)^電器大批量的生產(chǎn)要求。
環(huán)氧封裝真空室結(jié)構(gòu)
①特制環(huán)氧樹脂
傳統(tǒng)真空室結(jié)構(gòu)采用陶瓷材料作為絕緣及封裝介質(zhì)，是基于陶瓷材料的優(yōu)異性能，用環(huán)氧樹脂替代陶瓷零件當(dāng)然不能以降低零件的性能為代價。陶瓷的主要成分為氧化鋁，因此，特制環(huán)氧樹脂的基材即采用微米級的氧化鋁粉末，再加入適當(dāng)比例的固化劑，在一定條件下加溫固化后，即可形成堅(jiān)固致密的類陶瓷零件，這是決定環(huán)氧封裝結(jié)構(gòu)是否成功的關(guān)鍵。
②回充正壓氣體
繼電器的真空室均需回充具有良好電弧抑制屬性的絕緣氣體，如六氟化硫、氮?dú)狻⒒旌蠚怏w等，這些氣體除了能防止繼電器的觸點(diǎn)在工作中氧化外，還具有絕緣及電弧抑制特性。
真空室內(nèi)的回充氣體多數(shù)是正壓，常用的壓力規(guī)范是 1.5 個大氣壓，這具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)，一是氣體具有加壓滅弧的優(yōu)點(diǎn)，采用正壓可提升氣體的滅弧能力，另一方面可確保繼電器的真空室在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)一直處于正壓狀態(tài)，防止外部空氣進(jìn)入真空室，以提高繼電器的使用壽命。
回充氣體可以是一種或多種混合氣體，充氣壓力可事先根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定，一般是按繼電器的真空室體積、使用年限、壽命終了時的氣壓進(jìn)行計(jì)算，得出繼電器的回充氣壓和允許最大泄漏率，其中允許最大泄漏率可作為繼電器檢漏標(biāo)準(zhǔn)。
繼電器回充氣體流程：首先通過密封管抽出真空室內(nèi)的空氣，然后用氦質(zhì)譜儀對真空室是否泄漏進(jìn)行檢測，合格產(chǎn)品再回充氣體，最后用機(jī)械裝置夾斷密封管，密封管切斷完成用酒精檢查夾斷處是否有泄漏。如有需要，可在混合氣體中加入少量氦氣，當(dāng)混合氣體回充完成后再對成品進(jìn)行泄漏檢測，以確保產(chǎn)品的可靠性。
