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新能源汽车高压直流继电器设计理念

发布时间:2020-09-18 21:42:28 作者:小编 来源:本站 浏览次数:
导读:
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

  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。

  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。

  2. 产品需具备耐高压的能力。

  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。

  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。

  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。

  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。


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