來源 | 電動學堂

作者：東風汽車公司技術中心

引言

繼電器作為控制各高壓回路通斷的關鍵部件，是電動汽車高壓安全的重要保障，良好的繼電器設計、匹配選型能夠有效提高車輛的安全性能。

目前幾個主流繼電器廠家所提供的產品的額定工作電壓通常為DC12~1000V,目前電動汽車電壓平臺主要在48~800V，繼電器基本能夠滿足車輛電壓的需求。

然而，繼電器額定工作電流選擇的自由性較差，不同額定電流的繼電器產品的性能差異較大。因此，了解不同規格、不同廠家繼電器中存在的差異，根據系統工作特性對繼電器進選型匹配對車輛的安全性尤為重要。

1. 高壓直流繼電器工作原理

如圖1所示，高壓直流繼電器主要由線圈、銜鐵、觸點、滅弧室、彈簧、外殼等部位組成。目前電動車用繼電器需具有帶載切斷功能。由于帶載切斷過程中會產生高溫高壓電弧對繼電器的觸點造成損傷，導致觸點粘連，嚴重時還會導致繼電器爆炸，嚴重影響電動汽車的安全。為降低電弧對繼電器觸點的傷害，車載高壓直流繼電器的觸點一般都置于滅弧室內。在大多數情況下，滅弧室內采用真空、氫氣或其他混合氣體作為絕緣介質，雖然以氫氣和其他氣體適當混合的氣體作為絕緣介質不如真空型或六佩化硫型繼電器器那樣具有高絕緣性和低泄露電流，但氫氣具有還原性可以有效預防觸點氧化，并且其優異的導熱性也容易降低電弧產生過程中觸點的溫升高，從而保護觸點滅弧室通常還會結合電磁吹弧的方式來加強滅弧能力，但繼電器設計過程中滅弧磁場的分布位置不同，有的繼電器的高壓觸點是存在正負極之分的。若使用過程中高壓正負極接反的話，反而會降低繼電器的帶載切斷能力，這是在使用過程中需要注意的。

2. 主要技術參數

2.1 線圈參技術參數（表1)

表1列出了繼電器線圈主要技術參數。電動汽車用繼電器的線圈的額定工作電壓通常分為12V和24V,其需要根據車輛控制電源的規格進行選擇。而不同規格的繼電器，其動作電壓、釋放電壓、線圈電阻和功耗等是存在差異的。目前市面上常用的繼電器中，無論是12V還是24V,其線圈功耗基本都:S6W。不過12V規格的線圈電阻一般約24Ω,而24V規格的線圈電阻約96Ω。

2.2 觸點技術參數（表2）

表2為繼電器觸點的主要技術參數。其中電流過載能力、電氣壽命和最大分斷電流是選型匹配過程中需要重點考慮的對象。

如圖2所示，電流過載能力為繼電器能在一定電流條件下正常通電的時間。繼電器在滿足車輛額定電流工況的條件下，還需考慮是否能夠承受短時的大電流工況，例如車輛均速行駛額定工作電流為190A,那么可選擇額定電流為200A的繼電器，然后需要根據該200A規格繼電器的電流耐受曲線校核是否能夠承受車輛短時的過載電流，如百米加速、加速超車等工況。

圖3為繼電器的電氣壽命曲線，其表示繼電器觸點能在對應電流下帶載通斷的次數。通常位于容性負載回路的繼電器在預充過程中易出現大電流條件下的動作，如動力電池上高壓電過程中，當預充結束后，電容與電池間仍有幾伏的壓差，而此時回路中的電阻僅有幾十微歐，在主正繼電器閉合過程中，繼電器會通過上百安培的電流。因此，需要根據車輛整個生命周期內的上下電次數評估繼電器的電氣壽命是否滿足要求。

最大分斷電流為繼電器能夠正常切斷的最大電流。其主要為了確保車輛在短路時，繼電器能夠在信號控制下正常切斷1次，以保證能夠安全斷開高壓電。最大分段電流對車輛的電氣安全起著重要的作用。

2.3結構及使用環境技術參數

繼電器的外觀尺寸、布置方式、密封性、使用溫度、濕度、壓力范圍、力學條件也都需要根據車輛實際使用場景進行確定。

3. 高壓直流繼電器應用分析

3.1 線圈缺陷分析及對策

由于繼電器線圈屬于感性元件，在給繼電器線圈上電瞬間，線圈就會產生反電動勢。用普通示波器即可測量這個反向電脈沖，幅值可達幾十伏，而大功率繼電器甚至達100V以上。因此需要加以遏制，以消除傳導千擾對系統接插件端口信號的影響。我們一般選擇在線圈上串聯反向二極管。為防止二極管被擊穿，一般在電路中串聯一個電阻，電阻值及二極管型號的選擇應根據不同型號繼電器參數來確定（目前車載高壓繼電器產品的線圈一般都自帶反向浪涌吸收裝置，建議在控制板上不采用二極管，對于未設置反向浪涌吸收裝置的繼電器，一般建議安裝壓敏電阻作為浪涌保護器）。在實際使用過程中，線圈驅動電路的功率應大于線圈額定功率。

3.2 觸點缺陷分析及對策

觸點是繼電器控制輸出、帶動負載的零件，使用時應該注意如下幾個問題。

3.2.1 額定負載容量

產品手冊有詳細說明，但是要注意它給出的是在某個電壓下，阻性負載時允許通過的最大電流。為此，選用時必須注意應用場合，切換的電壓不能比產品規定值高，因為觸點負載電壓高，斷開時容易拉弧損壞觸點；其次是要根據阻性、容性、感性不同負載和降額使用準則選擇繼電器。

3.2.2 觸點過負載能力

根據繼電器設計總規范規定。觸點具有瞬時過載能力，一般為額定負載的4~5倍，動作50~100次。觸點具有短時間過電流能力，一般為額定電流的2~3倍，持續時間為30s~3min,在此范圍內對繼電器壽命影響不大。

3.2.3 容性負載

在繼電器觸點損壞的事故當中，容性負載的事故率最高。原因是設計人員在選型過程只注意到了負載的額定功耗而忽略了瞬態功耗。實際上電動汽車中動力電池系統高壓繼電器的主要負載來自驅動電機控制器，其中就有大的容性負載，在供電的瞬間電容的內阻很小，充電電流很大。為減小汽車起動時對繼電器及電池系統的瞬時電流沖擊，一般采用在電池主繼電器上增加預充電回路，回路含預充電電阻以及一個小電流的繼電器，電阻及繼電器參數的選擇應根據電機控制器容性負載容值及預充電時間來確定。

3.2.4 感性負載

感性負載供電時，繼電器的選擇比較復雜，其啟動電流峰值遠大于常載電流，可達10倍以上，當LIR>lms時，應在感性負載回路中并聯一個浪涌保護裝置。電動汽車繼電器負載包括電機控制器、DC/DC、空調壓縮機總成、PTC等零部件。這些零部件一般都帶有感性負載，在負載切換時會產生傳導千擾，因此一般在繼電器觸點輸入端設計有Y電容以達到濾波效果，從而降低或消除其對控

制板的千擾。接入Y電容后可使供電負載既有容性又有感性，若不對其啟動電流加以控制，往往會造成觸點嚴重超載，發生故障。

3.2.5 觸點彈跳

觸點的切換瞬間并不能實現理想閉合。當動觸點（簧 片）在轉換與固定觸點（靜態觸點和動合觸點）接通時，由于簧 片有彈性，所以，在接觸的瞬間會發生回跳，這個震蕩過程會產生一串脈沖。由于繼電器存在這個固有缺點，所以會對電路產生千擾，但是目前車載高壓繼電器產品都會在觸點端設置反向浪涌裝置。對于未設置反向浪涌裝置的繼電器，建議在觸點測設置防浪涌電路。

3.2.6 輔助觸點

為防止繼電器觸點粘連所帶來的風險，一般要求主繼電器上設置繼電器粘連輔助觸點。當觸點控制端檢測到粘連信號或者接觸不良信號后，可迅速對該故障進行處理。

3.3 電磁干擾分析及對策

繼電器是靠電能轉換成勢能。因此，繼電器應避開磁場和鐵磁物質使用。繼電器的安裝支架和儀器的安裝支架都不能用鐵磁材料。另外設備做力學振動試驗時，因為振動臺有一定漏磁，支架容易磁化，同樣會對繼電器產生磁性干擾。

3.4 安裝缺陷分析及對策

汽車是一個移動的系統，為確保汽車在運行環境中維持整個電池系統的正常工作，所選擇繼電器產品需具備一定抗振能力。因此在選用繼電器時，除了必須注意繼電器的使用力學環境條件，不要超標使用，還必須注意繼電器的安裝要求。如果發生諧振，振動量級就會超過器件的使用條件。超規范使用會大大降低繼電器的可靠性。

繼電器應避開電磁場千擾。要注意繼電器周圍電磁環境，如變壓器、電感器件、電機、扼流圈、磁控部件、動量輪等器件（部件）對繼電器的影響。目前常見的中度混合動力車上，高壓繼電器一般都離電源變換器及電機控制器很近，它們內部磁性器件比較多，設計時都要認真考慮磁性器件對繼電器的千擾。另外，繼電器本身也是磁性器件，它們之間也會產生電磁千擾，因此其周圍控制板也應采取相應的防電磁千擾措施。

3.5 繼電器與熔斷器匹配

在電動汽車動力電池系統中，通過高壓繼電器與熔斷器的協同配合，才能實現對負載以及電池的有效保護，為電動汽車的安全工作保駕護航。目前電動汽車常用的高壓直流熔斷器為限流式直流熔斷器，其具有開斷時間短、分斷能力強的特點。

圖4為典型的電動汽車電氣原理圖，從中可以看到車載高壓繼電器在電動汽車上的使用情況。

正極主繼電器(10)與負極主繼電器(11)的主要功能是對動力電池實現過電流保護；按控制板要求實現為各用電負載［驅動電機(1)、電機控制器（2)]可控供電。快充正極繼電器(6)與快充負極繼電器(9)的主要功能是對動力電池及快充回路提供快充過電流保護；按快充電流程要求實現對電池組(12)可控充電。主熔斷器(3)的主要功能是對動力回路主回路提供短路保護；為電池提供短路保護。附件熔斷器(14)的主要功能是對各支路負載提供短路保護。

根據設計經驗，主熔斷器(3)的額定電流值一般為附件熔斷器(14)額定值和的1.6~1.8倍，熔斷器的分斷能力一般為動力電池組短路電流的6~l0倍，動力電池組短路電流值可以由動力電池組額定電壓與電池組內阻值的比值計算得到（電池組額定電壓及內阻可參考動力電池廠商提供的電池參數）。主熔斷器(3)的分斷時間要小于電池組所能承受短路電流的最大時間。

對于正極主繼電器與負極主繼電器，一旦其發生故障，車上的用電負載將不能正常工作，故對其可靠性及穩定性要求都非常高。因此在選型過程中對繼電器的機械壽命、電氣壽命（帶載切斷）、使用條件都要特別關注，一定要根據該車型的要求來進行選擇。

主熔斷器的主要功能是對動力電池主回路提供短路保護，熔斷器是通過過載電流產熱致使熔體熔斷實現斷開高壓回路的，其熔斷時間(J-T仙線）是由熔體物理特性決定的，如圖5所示。熔斷器具有一定的保護盲區（圖中A區域），當過載電流不是很大的時候，熔斷器熔斷時間較慢，熔斷時間超過了此時系統在對應電流下能承受的時間，可這樣會發生過載危險。此時可通過控制主繼電器斷開來實現在熔斷器保護盲區內對回路的保護。繼電器電流耐受曲線和熔斷器熔斷時間－電流曲線存在交點Q,為了確保在熔斷器盲區能迅速斷開回路，繼電器的釋放時間Tr應位于交點Q之下。

同時，繼電器的最大切斷電流應位于交點Q右側，這樣才能確保繼電器在交點前的任何電流情況下能實現至少一次帶載切斷。當短路電流＞交點Q對應的電流時，繼電器的過載時間變小，同時電流可能已經超過了繼電器的最大切斷電流，導致繼電器不能正常切斷，此時，熔斷器的熔斷時間應小于繼電器和系統回路能承受的時間，確保其能迅速斷開，爆護繼電器和回路安全。

4. 結語

高性能車載高壓繼電器是電動汽車動力電池系統必不可少的保護設備與控制設備，因此，只有熟悉繼電器特性，才能對其正確選型匹配，從而確保整個系統設備的安全運行以及人車安全，促進電動汽車行業的健康發展。