高壓繼電器典型結構
高壓直流繼電器主要由高壓腔體、銜鐵機構、電磁驅動等部分組成。
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特的密封技術，將高壓直流繼電器的接觸點密封在腔體中，與外界空氣隔離，以獲得更高的耐壓，在觸點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構。
高壓直流繼電器 典型內部結構圖一
高壓直流繼電器 典型內部結構圖二
高壓繼電器工作原理
與普通繼電器的工作原理類似，當電磁驅動部分未加激勵電壓時，線圈內無電流流過，對應的電磁驅動部分不會產(chǎn)生磁通，轉動機構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；當電磁驅動部分加上激勵電壓時，線圈內有電流流過,電磁驅動部分產(chǎn)生磁通,轉動機構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)生轉動，與電極NC分離，轉向電極NO，最終與NO電極連接。
高壓直流繼電器最關鍵部分，是完成高電壓轉換的接觸部分，被密封在高壓腔體內。
高壓直流繼電器工作原理
預充繼電器和主繼電器
電動車的電機控制器負載有較大的電容C，當車輛冷態(tài)啟動時，電容上無電荷或只有很低的殘余電荷，如無預充步驟，主繼電器K+和K-直接與電容C接通，此時相當于瞬間短路，極高的瞬間電流將損壞繼電器K+和K-。
因此，電動汽車引入預充電解決方案。讓阻抗較大的Kp和R(一般選用100~200Ω)構成的預充電回路現(xiàn)行接通。當預充電回路工作時，負載電容C上的電壓Vc越來越高，預充電電流Ip則越來越小，當Vc接近Vb(一般是Vc達到電池系統(tǒng)端電壓的90%及以上)時，切斷預充電回路。此時接通主繼電器K+,不會再有大電流沖擊導致主繼電器損壞。
預充繼電器工作原理 · 預充電過程波形
高壓繼電器性能特點
1)耐高壓
新能源電動汽車的工作平臺電壓都較高，遠高于傳統(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斷。
2)耐負載
電動汽車或電動大巴的電動機額定功率一般為30KW和80KW以上，峰值達到60KW和160KW以上，其電流將分別達到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)品的耐負載能力強，同時還要具備額定負載電流數(shù)倍的瞬時過載能力；或者在相同的耐負載能力下，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載巨大電流的沖擊，這個電流一般是負載額定電流的數(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致繼電器觸點粘聯(lián)，繼電器觸點分離失效，電源切斷失控，嚴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，是繼電器觸點閉合與分斷動作過程中不可避免的問題。當接通和斷開負載時，觸點之間會產(chǎn)生電弧，電壓/電流越高，電弧越強，電弧如果不能及時熄滅，會大大降低了繼電器觸點的使用壽命。
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，減少對繼電器觸點的損害，延長產(chǎn)品的使用壽命。因此，滅弧能力強也是繼電器需具備的基本特點。
5)分斷
汽車在運行過程使用工況復雜，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。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、主接觸點形式、引出端方式等限制條件，最終決定繼電器型號。
在具體實施過程中，需要明確6大主觸點參數(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
在電動汽車設計過程中, 為保護繼電器, 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, 對車載容性負載進行預充電設計, 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, 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準, 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大于額定功率的扭矩, 電機工作電流會大于額定電流。
例如某款電動車的驅動電流額定為170A，加速時峰值電流可達到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最大分斷電流
最大分斷電流這是作為一項安全考核項存在, 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)碰撞等需要強制切斷動力電源的故障時，就會考驗繼電器過載切斷能力。設計之初要評估整車強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，當反向電弧滅弧難度更大，對繼電器損傷更嚴重。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, 選擇相應滿足反向切斷能力的繼電器。
除了以上6大主觸點參數(shù), 還需要考慮幾個參數(shù):驅動電壓、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)
高壓繼電器觸點設計
繼電器在切換負載的瞬間，動觸點和靜觸點之間會產(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。銅基觸點在空氣中極易發(fā)生氧化反應而導致產(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行解釋說明)，有部分繼電器則選用銀合金觸點，可以彌補易氧化的缺點，同時銀合金還具有耐粘連、耐電弧燒損的特點。
不同觸點比較
高壓繼電器密封腔體設計
解決電弧的方法之一是把繼電器觸點周圍的空氣去除，保持觸點具有穩(wěn)定的切換環(huán)境，即繼電器的觸點工作在真空絕緣環(huán)境狀態(tài)，此時，即使很小的觸點間隙也能維持很高的擊穿電壓，試驗研究證明，在真空環(huán)境下，1mm 的觸點間隙可承受約 13000V的擊穿電壓。而新能源汽車繼電器正是利用該原理，把繼電器的觸點部分設計為真空環(huán)境，以保證新能源汽車中的高壓大電流負載的可靠切換。
①典型陶瓷封裝真空室結構及工作機理
其中靜觸點、陶瓷體、密封圈、蓋板、殼體等零件組合為一個密封腔，經(jīng)抽出其內部空氣后形成真空室，當外部的繼電器線圈提供給銜鐵動力時，銜鐵可在殼體內上下移動，以此帶動動觸點與靜觸點進行高壓大電流負載的切換，繼電器動靜觸點的切換全部在密閉的真空室內進行，防止觸點間切換負載時因空氣電離而發(fā)生電弧。
由于真空器件對絕緣介質材料要求較高，因而陶瓷在真空器件中得到大量應用，但陶瓷零件的缺點也顯而易見：陶瓷零件成型需要高溫燒結；陶瓷零件與其它金屬零件如靜觸點、密封圈的金屬封接工藝復雜，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雜、效率低下等問題，很難適應未來新能源汽車對該類繼電器大批量的生產(chǎn)要求。
陶瓷封裝真空室結構
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②典型環(huán)氧封裝真空室結構及工作機理
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、密封管、蓋板、軛鐵等零件，待環(huán)氧樹脂固化后形成密封腔，密封腔內部經(jīng)過抽真空處理后即為真空室，當線圈通電后提供給銜鐵動力，銜鐵在線圈中上下移動，并帶動動觸點與靜觸點切換，所有動作全部在真空室內完成。
環(huán)氧封裝結構其設計原理仍同傳統(tǒng)結構基本相同，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)有技術中由于陶瓷及其與金屬零件焊接所帶來的工藝復雜、效率低下、成本高昂等問題，并能適應未來市場對新能源汽車繼電器大批量的生產(chǎn)要求。
環(huán)氧封裝真空室結構
①特制環(huán)氧樹脂
傳統(tǒng)真空室結構采用陶瓷材料作為絕緣及封裝介質，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，再加入適當比例的固化劑，在一定條件下加溫固化后，即可形成堅固致密的類陶瓷零件，這是決定環(huán)氧封裝結構是否成功的關鍵。
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、氮氣、混合氣體等，這些氣體除了能防止繼電器的觸點在工作中氧化外，還具有絕緣及電弧抑制特性。
真空室內的回充氣體多數(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，一是氣體具有加壓滅弧的優(yōu)點，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計壽命周期內一直處于正壓狀態(tài)，防止外部空氣進入真空室，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)設計需要確定，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行計算，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準。
繼電器回充氣體流程：首先通過密封管抽出真空室內的空氣，然后用氦質譜儀對真空室是否泄漏進行檢測，合格產(chǎn)品再回充氣體，最后用機械裝置夾斷密封管，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，當混合氣體回充完成后再對成品進行泄漏檢測，以確保產(chǎn)品的可靠性。
