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新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计

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新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计

新能源汽车高速公路突然失去动力,是非常严重的安全事故。对于驾乘人员,可以导致致命的伤害。尽管燃油汽车也有类似的事故发生,但是,新能源汽车依靠电能驱动的本质和复杂性,使得整车控制模块数量也会显著增多,控制和监测难度增加。

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念

新能源汽车一般采用高压电池组为电动车提供动力驱动,为保证电气系统正常通断,在电动汽车的电池系统和电机控制器之间需配置高压直流继电器,当系统停止运行后起隔离作用,系统运行时起连接作用,当车辆关闭或发生故障时,能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离,起到分断电路的作用,因此,高压直流继电器是新能源汽车关键安全器件,如果没有它,电动车将不能启动、行驶及停车。

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宋文荣,陈永辉

一、高压继电器在新能源汽车上的应用

随着新增模块的功能特性,VCU续驶里程计算精度、策略控制水平优劣、动力源电池剩余电量估算、绝缘问题、电能输出的高压继电器在大电流、高电压、复杂工况下可靠性等等问题的出现,多种安全因素并存,复杂性显而易见。任何一个环节的问题,比如说,硬件故障、超越策略所能控制限值,或策略监控不到位,都是十分危险的。所以,新能源汽车面临比燃油汽车更为严峻的安全挑战。需要在设计之初,更为缜密的设计和测试,以及新技术的创新。

(浙江英洛华新能源科技有限公司浙江横店 322118)

根据车型及动力系统的不同,继电器有汽车上使用的数量及规模也存在较大差。平均而言,每台新能源汽车需配备5-8只高压直流继电器——2个主继电器、1个预充继电器、2个快充继电器、2个普通充电继电器和1个高压系统辅助设备继电器。

本文站在电池系统输出电能角度,重点从电池部分硬件可靠性角度加以分析和阐述。这也仅仅是高压掉电问题的冰山一角。

摘要:新能源汽车高压直流继电器是电池系统和电机控制器之间重要连接件,对汽车的安全和可靠性影响重大,伴随着行业的快速发展,各主机厂/电池 PACK 厂对新能源汽车用高压直流继电器的也提出了新的要求,本文从高压直流继电器的基本功能,技术发展趋势和设计理念方面进行剖析,为高压直流继电器的设计指明了新的发展思路。

图片 2二、高压直流继电器的基本功能

功能安全,总有“漏网之鱼”存在

关键词:高压直流继电器;发展趋势;设计理念

作为新能源汽车中关键的安全器件——高压直流继电器,需具备耐高压、耐负载、抗冲击、灭弧能力强和分断能力强的基本功能。

任何产品都不可能没有瑕疵和BUG。尽管汽车产品的功能安全是一流的,也经过了层层测试和验证,但,仍然时不时的有“招回”事件发生,以及客户的抱怨。我在Tesla 用户论坛中,也曾看到过用户对车辆失去动力故障的描述:

随着国家新能源汽车战略的快速推进和实施,新能源汽车正逐渐渗入到普通群众的视野中来,新能源汽车高压技术经历了2016年的调整,2017年整个行业迎来快速发展期,2017-2020年将是新能源汽车高压技术产品快速增多、市场高速发展的阶段,由此对新能源相关的技术和产品的性能和质量要求也必将提升。

1.耐高压

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新能源汽车一般采用高压电池组为电动车提供动力驱动,为保证电气系统正常通断,在电动汽车的电池系统和电机控制器之间需配置高压直流继电器,当系统停止运行后起隔离作用,系统运行时起连接作用,当车辆关闭或发生故障时,能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离,起到分断电路的作用,因此,高压直流继电器是新能源汽车关键安全器件,如果没有它,电动车将不能启动、行驶及停车。目前,乘用车的工作电压一般为370V以上,大巴车将达到576V以上,远高于传统汽车的12V/24V,如此高的工作平台电压,要求高压直流继电器产品需具备良好的耐高压、抗冲击和分断能力的特点,本文将针对新能源汽车用高压直流继电器进行剖析,探寻其技术发展趋势及设计理念。

新能源电动汽车的工作平台电压都较高,远高于传统汽车的12V/24V,因此要求其配套的高压直流继电器能够承受较高的工作电压和高压带载中可靠的闭合与分断。

尽管客户在描述Tesla汽车故障现象时,也会存在偏激和不准确性,但是,“幸亏深夜高速公路上没有太多的…”万幸背后的风险,是真实存在的。 Tesla 如何解决的,无从查考,但给用户带来的危险性,时时刻刻提醒着设计者不能有任何的“疏漏。在功能安全设计方面,安全无小事,给用户制造出一个“放心”,才是产品长久的口碑。

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2.耐负载能力强

高压掉电分析“故障树”

序号

新能源乘用车和大巴车的电动机额定功率一般为30KW和80KW以上,峰值达到60KW和160KW以上,按上述提到的电压平台来看,其电流将分别达到200A和300A左右,在产品性能、成本的双重压力下,要求相同的体积下,产品的耐负载能力强,同时还要具备额定负载电流数倍的瞬时过载能力;或者在相同的耐负载能力下,产品的体积越小越好。

高压断路一般有三种状态,第一种是下面描述的紧急或非可控制掉电故障。第二种是可控制的紧急断电行为,其一般要求是,立即断开继电器,并将放电电流限值迅速降至零。第三种是VCU要求BMS下电行为(也有VCU直接控制形式),按正常步骤断开继电器,并将放电电流按一定速率降至零。第二、三种状态,是可控的,第三种较第二种更安全。第一种状态是失控或无法监测控制的,也是最危险的。我们选择之一“继电器故障”加以分析。

触点

3.抗冲击

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类型

新能源汽车用高压直流继电器不仅要具备耐受较高的电压和承载足够电流的基本功能,还要抵抗闭合瞬间电容性负载巨大电流的冲击,这个电流一般是负载额定电流的数倍至数十倍等,常规的继电器都无法承受这一瞬间电流的冲击,这个冲击电流的危害就是极易导致继电器触点粘联,继电器触点分离失效,电源切断失控,严重时可造成车毁人亡等安全事故,危害极大。因此新能源车用的直流继电器产品应具有良好的抗冲击性能。

高压继电器是电能输出的“门户”,也是功能安全中,“断开”高压的器件

图示

4.灭弧能力强

高压继电器位置的设置,从安全角度,一般放置在离电池包体输出电能最短的距离。主要目的是保证非可控部分高压电路最短,同时保证切断电能的快捷和彻底。所以说,继电器的本体安全,是致关重要的,也是唯一的一道关口。

说明

电弧是继电器触点闭合与分断动作过程中不可避免的问题,它大大降低了继电器触点的使用寿命。采用一些特殊的快速灭弧手段降低电弧能量,减少对继电器触点的损害,延长产品的使用寿命。因此,灭弧能力强也是继电器需具备的基本特点。

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5.分断能力强

在这里重点分析一下最直接的触点失效:存在两种形态,一种是发生粘连;另一种是因触点表面拉弧导致氧化,电阻严重增大导致非连接的故障。

铜基触点

汽车在运行过程使用工况复杂,在紧急情况下,如电气系统短路时,回路中的瞬间电流骤升,此时要求继电器在极限大电流下能够顺利的切断电路,而不发生触点粘连或继电器爆炸等异常状况的发生,防止电池过放短路起火或爆炸的安全危害,这就要求继电器触点具有良好的抗冲击和抗粘连的能力。

案例:触点受损时电路状态:瞬间、间歇、永久中断的图示:

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三、高压直流继电器的类型

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l抗氧化能力差,电弧的高温加速触点氧化,触点性能不稳定,容易粘连,使用寿命短;

从应用类型来看,目前新能源汽车高压直流继电器应用最多的是真空型和充气型继电器。

尽管触点受损是逐步恶化的,断崖式现象概率是极低的,但是偶发性是存在的。目前,在主动防护方面,还是比较先进和有效的,但是被动防护方面,目前还找不到更有效的办法。首先来看看主动防护的一些方法,主要是在触点灭弧方面采取的有效措施:

l高压继电器中不是最理想的触点选择方案。

真空是理想的绝缘。由于高压电弧产生于绝缘介质的电离,而真空本身是没有介质,所以是触点间有很好的隔离。完全的真空状态只是理想状态,实际会残留一些杂氧,杂氧在有电弧情况下和铜电极生成氧化铜,接触电阻增大,继电器有失效风险。

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