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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理念

  • 2017-12-27 11:20
  • 来源:电动汽车资源网
  • 发表评论 2

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,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。

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念

宋文荣,陈永辉

(浙江英洛华新能源科技有限公司  浙江横店  322118 )

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。

关键词:高压直流继电器;发展趋势;设计理念

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。

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(图1所示),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。

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念 

图1  高压直流继电器在新能源汽车中的应用

一、 高压直流继电器的基本功能

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。

1. 耐高压

新能源电动汽车的工作平台电压都较高,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,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。

2. 耐负载能力强

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。

3. 抗冲击

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。

4. 灭弧能力强

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。

5. 分断能力强

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。

二、 发展趋势

除上述提到的高压直流继电器的基本功能外,新能源汽车高压直流继电器将朝着轻量化、节能、智能化、低成本方向发展。

1. 轻量化

据统计,约70%的能量用在车身的重量上,若汽车的重量降低10%,则能量使用效率可提高6-8%,能量使用效率的提高意味着续航里程会有相应的提升,这将对新能源汽车的推广使用具有积极的促进作用。然而降低新能源汽车的整车重量不单纯是整车厂的责任,是新能源汽车供应链上的每一个零部件供应商应该肩负的责任。

对于高压直流继电器而言,其轻量化发展要求,在目前高压直流继电器现有高压和负载等技术参数同等的条件下,产品的体积和重量应尽可能小;或者在相同体积和重量的条件下,产品可以做到更高的耐压和更大的负载电流。

2. 节能

所谓节能,就是尽可能减少能源的消耗量,延长整个系统的运行时间。节能要求技术可靠、经济可行、环境和社会都可接受。对于新能源汽车高压直流继电器来说,要保证产品具有良好的耐负载、耐高压及抗冲击能力,增大继电器触点间隙,又要求产品的体积和线圈功率减小,才能符合新能源汽车轻量化及节能要求,这就需要有核心技术来解决这一矛盾。

3. 智能化

目前,高压直流继电器经历过了一定的发展周期,基本已经形成了一个比较完整的产品系列。但是,单一功能(通、断)的直流继电器不能充分满足当今时代新能源汽车智能化的发展要求。新能源汽车技术发展要求单一功能的继电器中增加触点闭合状态检测与显示,触点寿命监测等相关自检功能,做成具有电子辅助功能的智能继电器,这将成为高压直流继电器又一全新的发展思路。

4. 低成本

随着新能源汽车国家补贴额度下降,有利于引导新能源汽车整车制造商及产业链中的各级供应商 “去补贴化”,尽快生产出性价比更具市场竞争力的产品。因此,只有通过优化产品结构及零部件的加工、简化生产工艺等技术实现这一发展目标,而非降低产品品质。

三、 设计理念

为了实现高压直流继电器的安全性能指标及上述发展趋势,在进行产品的设计时应充分考虑各部件的工艺简化、可行性、科学性及可靠性的设计。下面针对于高压直流继电器的设计理念进行阐述。

1. 继电器须具备良好的耐负载能力、灭弧能力、分断能力和抗冲击能力。

继电器的耐负载能力、灭弧能力、分断能力和抗冲击能力是继电器的基本性能要求,直接影响继电器的电气寿命性能,而触点结构及材料是影响性能的最为关键的因素之一,触点的熔断、粘连将会导致产品寿命的终结。继电器的触点应具有良好的导电性、导热率、抗氧化和耐烧蚀性,当电路中存在浪涌电流时,不易发生触点瞬间粘连。其次,继电器的触点的运动部件应具备摩擦小、动作顺畅、无卡滞,机械寿命长的特性。

目前,高压直流继电器大部分采用铜基触点,该类触点在空气中极易发生氧化而导致产品性能下降,需采用密封腔体来防止触点氧化;有部分继电器选用银合金触点,可弥补这一缺陷,银合金触点还具有耐粘连、耐电弧烧损的特点。两种触点的对比情况详见表1。

1 触点对比

序号

触点

类型

图示

说明

1

铜基触点

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念 

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;

l 高压继电器中不是最理想的触点选择方案。

l 抗陶瓷钎焊能力强,采用陶瓷钎焊技术的一般采用铜触点。

2

银合金

触点

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念 

l 抗氧化能力强,可以抵抗更高的电弧温度,触点性能稳定,不易粘连,使用寿命长;

l 高压继电器中较理想的抗弧触点

l 抗陶瓷钎焊能力差,无法应用于陶瓷钎焊工艺的高压直流继电器。

为保证产品的耐负载能力,除上述提到的选用银合金触点外,产品负载连接件(如:动簧片,负载引出端)的载流面积也显得十分重要,载流密度过大,单位时间内产生的能量得不到有效的释放,易造成产品过热而失效,浙江英洛华新能源科技有限公司(以下简称:英洛华)在高压直流继电器产品设计初期,进行了大量的计算分析和工艺验证,采用了陶瓷非钎焊冷装工艺,工艺简洁,成本可控,质量可靠;采用银合金触点,触点的抗氧化能力强,可以抵抗较高的电弧温度,且触点不易粘连;另外,动簧片及负载引出端设计的载流面积均超过同行水平,进而保证产品具有较强的耐负载能力。

2. 产品需具备耐高压的能力。

前面提到,新能源电动汽车不同于普通的燃油汽车,动力电池系统本身的工作电压远高于传统汽车的12V/24V,由于直流电无“过零点”,在直流继电器触点断开的过程中极易产生电弧,电压等级越高,电弧越大,触点烧蚀危害越大;如果采用特别措施,缩短拉弧时间,使得电弧能量降低,减少触点烧蚀危害,可延长继电器寿命。因此,快速灭弧可提高高压直流继电器的电寿命性能。灭弧方式主要有磁吹灭弧、窄缝灭弧和格栅灭弧等方式。目前市面上的大部分厂家采用磁吹灭弧方式,该方案具有结构、工艺简单,成本低、灭弧效率高的特点,其原理是两个极性相反的磁钢平行放置,并与触点中心呈轴对称,在触点中心形成已匀强磁场,当中心的磁场强度越高,吹弧效果越好,灭弧能力越强,产品的耐负载能力也越高。

一般来说,触点间的间隙(图2)越大,耐压越高,触点分断时,更容易断弧,不易粘连;触点间隙越小,耐压越低,分断时形成的电弧不易断开,触点容易粘连。因此,增大触点间距离将对产品的电寿命性能起到积极的促进作用。

英洛华的工程技术人员通过多年的研究和探索,采用了磁吹与增大触点间隙的组合方式,与行业中同品继电器相比,触点间隙增大50%左右,使得继电器相对于同品,具有更高的耐压和更大的电流分断能力。

新能源汽车高压直流继电器技术发展趋势及设计理念 

图2   触点间隙

3. 产品应符合轻量化、节能的发展要求

上面提到,增大触点间隙可以提高高压直流继电器的耐压能力,但是增大触点间隙意味着吸合功率增大,在磁效率一定的情况下,需要增加线圈的直径,同时保证线圈匝数,从而使线包的重量增加,最终将会导致产品的重量与能耗增加,这与新能源节能的发展要求相违背,因此,只有提高磁效率,减小触点运动部件的摩擦力,从而降低吸合功率才能实现产品的轻量化、节能的发展需求。

英洛华的继电器设计从提高磁效率,减小触点运动部件的摩擦力,降低吸合线圈功率这一方向进行,英洛华自主核心专利技术巧妙的解决了大负载、大间隙、线圈小功率的难题,通过优化设计,各运动部件之间运动顺畅,产品的磁效率得到极大的提升,因此产品触点吸合线圈的功率减少,重量得以降低,相对于同类产品,产品的总重量降低15%左右,符合轻量化的发展要求。

其次,继电器的线圈在产品闭合过程中一直处于通电状态,以维持继电器的触点闭合状态,线圈的维持电流越小越节能,英洛华产品结构设计尤为巧妙,各运动部件之间的摩擦小,可以用很小的线圈功率驱动触点的闭合。另外,英洛华高压直流继电器设计引入了智能控制技术,采用触点吸合大功率和触点闭合维持小功率的方式,实现产品节能的要求。

4. 产品应具备智能化的发展要求

近几年国内高压直流继电器的研制企业如雨后春笋般发展起来,高压直流继电器的安全可靠性能要求也越来越高,单一功能的继电器产品难以适应行业多方面的应用发展要求。目前,为实现新能源汽车技术发展要求,对高压直流继电器触点的状态检测,需增加继电器的外围电路,间接进行触点的状态判断。具有安装、使用和维护不便,增加成本和线束,可靠性降低,不符合轻量化、智能化的发展要求,针对这一问题,英洛华开发了2款智能型继电器产品。

(1) 带触点状态监测功能的电子辅助触点继电器

目前,大部分的直流继电器不带触点状态监测功能,对产品的检测及售后维护极其不便,即使有部分厂家增加了机械式的微动开关,间接检测触点状态,测量精度低、稳定差,可靠性低,市场上推广力度不大。英洛华创新性的开发了一款带触点状态监测功能的电子辅助触点继电器产品,该产品采用电子监测技术,准确探测触点的闭合状态,输出无极性的开关量信号,结合线圈控制信号的通断,可以监测继电器的触点闭合是否正常,相对于传统的机械式辅助触点,该产品可以准确、快捷的探测触点闭合状态。

(2) 抗容性负载大电流冲击的直流继电器

目前,新能源电动车用主电源控制继电器都是加装外部辅助电容预充继电器和预充电阻的方式来防范主继电器抗击闭合瞬间的大电流冲击,其电路复杂,体积大,同时又需要有专门的控制程序来控制辅助预充继电器与主继电器的开关顺序(比如整车控制器VCU),增加使用了成本且应用不便利。针对于这一情况,英洛华开发了一款抗容性负载大电流冲击的直流继电器产品,有效避免容性负载瞬间大电流冲击。

以上技术目前在国内尚属首创,已申请国内、外发明专利保护,并在国内市场上开始推广使用,该技术的成功开发将为智能继电器的发展提供了新的思路。

5. 产品应具有低成本的特点

随着新能源汽车补贴的退坡,各整车厂的利润被压缩,势必在降低新能源汽车产业链中各阶段的采购成本,因此,在保证产品性能的前提下,生产成本越低,市场竞争能力越强;产品的生产工艺越简单,所需的生产设备要求越低,生产成本越低。目前,行业内主要的产品结构与性价比对比关系如表2所示。

表 2   主要产品结构与性价比之间的关系

类别

塑料灌胶密封结构

高温陶瓷钎焊结构

陶瓷冷装工艺

特点

灌胶产品制造成本略低,但其容易发生爆炸,因此无可比性。

钎焊的产品技术路线决定了其工艺复杂,零件成本及生产成本居高不下,且触点的抗氧化能力弱,易粘连,产品的性价比不高。 

陶瓷冷装工艺技术路线先进,工艺简单,生产成本低,避免了钎焊时的高温对引出端强度和触点的损害,最为突出的优点是可以采用银合金触点,使得继电器触点抗粘连,产品寿命长。

目前市面上主流的继电器产品大部分采用陶瓷钎焊工艺,钎焊的温度为780℃左右,时间长达几个小时,紫铜的退火温度低于600℃,钎焊的高温会使紫铜的硬度下降40%~50%左右,继电器紫铜引出端的强度下降影响连接强度,同时也加剧了触点的氧化。英洛华采用陶瓷冷装工艺,避免了陶瓷钎焊高温对引出端和触点的损害,同时可采用较为理想的银合金触点,使得继电器具备了抗粘连、抗冲击、耐高压的的特点。因此英洛华新能源的继电器安全性好,质量可靠,性价比高。

四、 总述

新能源汽车市场化依赖于技术储备,需要在未来长期加大研发投入,开发更有竞争力的产品,另一方面,不投入产品就一定没有竞争力。新能源企业不应该指望依靠政府在政策上的变化而调整,应该从长远角度考虑,通过提高产品竞争力来稳定市场,这样企业才能生存发展。

高压直流继电器是新能源汽车中关键元器件,企业在进行产品研发的同时,要抓住未来2-3年的国家补贴机会迅速完成自主核心技术、产品系列储备技术, 开发出更多安全可靠、智能型、性价比高的产品,在不断完善普通型继电器的技术基础之外,需要延伸研制辅助触点继电器的触点寿命检测和记忆功能,抗电容冲击继电器的高压版应用功能,开创高压直流继电器新的发展模式,以应对国家补贴退出后,产品以出色的性能、可靠的质量和优秀的品牌推动市场竞争。

注:浙江英洛华新能源科技有限公司为浙江横店集团成员企业,英洛华科技(股票代码:000975)控股子公司,是一家专业致力于新能源汽车系统设计与技术服务;并集高压直流继电器、高压控制盒(PDU)、整车控制器(VCU)及永磁同步电机控制器(MCU)的研发、生产、销售于一体的专业制造商。公司通过不断的技术创新,迄今已累计授权专利80余项,国内发明专利5项,国外专利40余项,有7项PCT专利通过国际阶段检索,其中3项在美、日、德、韩4国受理中。

公司成立以来得到各级政府的关心和支持,先后荣获工业和信息化部“2017年工业强基工程—高压直流继电器” 项目和“2016年度浙江省领军型创新团队”专项支持。

截至2017年底,公司已为奇瑞、野马、红星、宝华、九州等新能源车企配套产品超2万余辆。公司秉承“知宜、诚信、继承、创新”的设计理念,致力于打造成为新能源汽车用高压直流继电器行业技术引领型的创新型企业。

作者简介:

宋文荣(1967-)男,高级工程师,中国科学院博士,现任浙江英洛华新能源科技有限公司总经理。

陈永辉(1968-)男,高级工程师,现任浙江英洛华新能源科技有限公司副总工程师。

版权声明:本文版权为电动汽车资源网所有,未经授权不得转载。


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  • 上海 手机用户
  • 上海 手机用户
  • 2017-12-29 09:52
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  • 1楼
有独特见解!
  • 广东深圳 手机用户
  • 广东深圳 手机用户
  • 2018-01-21 09:52
  • 回复
  • 2楼
不错,技术领先!

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