EV200系列接觸器在電動汽車行業可靠的電能存儲系統應用

圖1 復雜的混合動力汽車

汽車電氣系統在嚴重故障情況下將出現高達4000A的峰值短路電流，這就要求主繼電器必須能夠可靠處理巨大的弧能。本文將主要介紹其中的可靠性要求，進一步探討熔斷熔絲在繼電器上的交互作用以及采用預充電電路進行保護的必要性。

有效、可靠的儲能系統是動力傳動裝置電氣化的先決條件。汽車零部件行業所面臨的挑戰是：一方面需要從能源行業獲得經過驗證的技術，另一方面要使這些技術與汽車行業極為特殊的應用環境相融合。在此過程中，務必確保系統的可靠性和可靠性。此外，電壓增大至1000V時，汽車還需要專用元件進行能量分配和保護。

汽車電氣系統出現故障時會產生數千安培的峰值電流，這時必須利用蓄電池系統將該峰值電流連通高壓車載電源的電抗進行可靠的儲存。作為****的無源電子元件制造商，泰科電子很早便開始著手進行高壓行業技術的研發。

技術可靠元件要求

目前，混合動力汽車是汽車行業關注的焦點，對于直流電壓高達1000V的混合動力汽車系統來說，其車載電源的復雜性大大增加（見圖1）。

為了較大程度地確保汽車的可靠性和可靠性，汽車上的可靠元件必須嚴格符合系統要求和可靠策略。同時，適當的測試規劃和執行在汽車可靠系統的優化設計中也發揮了重要作用。
                                                                        

EV200系列接觸器在電動汽車行業可靠的電能存儲系統應用

圖2  用于保護高壓繼電器的預充電功能

為避免汽車出現故障時危及整個系統，汽車工程師至少應明確規如以下參數：典型運行和出現故障時的電壓和電流分布、空氣和電花徑跡、污染等級、溫度范圍、濕度等級、環境參數、高壓車載電源的總電容和電感以及電磁兼容性要求。

在維修、系統崩潰、外部過載或內部故障等情況下，為了避免工作人員意外接觸此類危險的高電壓，必須將每個儲能系統（ESS）進行隔離，尤其是將電氣儲能系統與車載電源網絡分離，因此需要能夠有效確保蓄電池隔離的元件。

由于半導體本身無法確保電氣隔離，因此功率繼電器是一個很好的解決方案。可預先考慮極高的電弧能，如給定完全運行負荷下關機時的較高電壓和電流，在這種情況下，只有高壓繼電器才被視為主繼電器。

協調運行參數

為了確保高壓繼電器可靠地運行，應將周邊條件（如浪涌電流或卸荷周期）考慮在內，這兩個參數會對高壓繼電器的性能和生命周期產生很大影響。因此，如何觸發主繼電器切換是一個非常重要的因素。如圖2所示，當車載電源具有未充電電容時，若關閉主繼電器，將會有非常高的電容充電電流通過觸點。

電流*初涌入時，由于機械原因，觸點可能發生反彈。在觸點短暫斷開期間，電弧被點燃并將觸點局部加熱至相當高的溫度（電弧可達到12000K的溫度），出現局部觸點熔化，其中的觸點進行切換，然后以其特有的觸點位移力達成調節。之前熔化的觸點區域冷卻并干燥成固體塊。這種作用非常強大，以至于僅憑繼電器之力無法根據需要打開觸點，并且導致繼電器出現故障。
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圖3  用于高壓應用場合的高壓繼電器EV200

為了防止出現此類情況，必須限制峰值浪涌電流，這可通過預充電電路實現，通過主繼電器觸點并行，使用特殊的預充電繼電器和串聯電阻器以確保中間電路電容的充電，從而將電流限制在允許范圍（見圖2）。在預充電過程中，中間電路電容不得導致車輛啟動延遲（通常少于200ms），必須清楚車載電網的外部蓄電池總電容。

然而，因為通常蓄電池和高壓車載電源是由不同的開發合作伙伴在不同時期開發的，因此在早期開發階段往往會引發問題。此外，在預充電期間，也必須考慮所有負載，否則預充電電阻器和有源負載的電壓下降將阻止實現所需的充電電壓，啟動將會中斷，下游有源主繼電器將受到嚴重磨損。因此在整個操作系統策略中，必須考慮到此種情況。

出色的隔離性能

Kilovac高壓主繼電器EV200（見圖3）具有出色的隔離性能，可以斷開高達1 000V的直流電壓。

電池化學成分、內部構造和結合技術的發展使我們能夠進一步減少內部電阻，從而增加峰值電流。鋰基儲能系統可以產生4000A或更大的短路電流。在極端情況下，將會有遠遠超過2MW的能量在短路期間被轉換。因此必須將繼電器和熔絲的相互作用以及帶電導體中的磁力（洛侖茲力）等物理效應融入到保護概念中來。

鑒于先前所描述的運行策略關系，在發生嚴重故障時，熔絲和繼電器必須確保規定的關機順序。在觸點加熱導致的損壞發生之前，熔絲必須具有足夠快的響應速度，在熔絲中將主繼電器的打開動力調節為滅弧程序。由于極端性能損失，在熔體硬化之前，繼電器復位力必須能夠快速打開正在熔化的接觸面。如圖4顯示了250A高壓熔絲的典型曲線（處于4000A時，響應時間大約為20ms）。 
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圖4   典型的高壓熔絲特征

極端情況下的懸浮力

適當溫度下的短路以及LiFePO4或LiNiMnCoO2電池的完全充電將會導致在一組模塊中的電流比單個電池更高的極端峰值電流（見表）。

由于這些極限電流將會產生非常強大的磁場，給定的相應極性抵消了繼電器的磁性保持力，可能導致繼電器觸點的懸浮。因此，利用通常可減少性能損失的線圈上的脈沖寬度調制（PWM），可以大幅地加強效果。如果電流產生的力影響到了已經被PWM減少的保持力，這可能會導致意外打開觸點。觸點意外打開時，點燃的電弧通常由繼電器銜鐵的連續打開動作和熄弧磁鐵來熄滅。在極端情況下，以這種方式意外打開觸點時產生的電弧可能會出現振蕩。

電弧長時間失控燃燒所產生的能量會破壞觸點，也可能會過量增加繼電器內部的氣壓，從而破壞繼電器。作為預防，可選擇在熔絲設計中通過內部電阻實現電流限制。高壓車載電網本身的低電感系數未提供任何有效保護。適合車輛使用的高壓熔絲仍然較少，這也是汽車制造商必須繼續共同應對的一項挑戰。

作為**選擇，PWM驅動程序能夠在可預見或識別的過載情形下，立即將繼電器激勵至100%，之后才啟動時間控制的關機進程。通常，軟件控制的PWM程序速度太慢，無法跟上短路電流梯度。此外，電流傳感器的分辨率帶來了另一個問題：出于精度和成本的考慮，發生短路時不可能進行可靠的測量和檢測。良好的硬件設計應包括過電流保護指示燈（在電流傳感器一旁），以直接干預PWM硬件驅動程序的控制電路。
 

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不同鋰電池的比較數據

一旦發生關機的情況，PWM硬件驅動程序必須允許線圈快速去磁。PWM驅動程序的電流集成二極管將會對繼電器的關機動力產生很大影響。如果線圈飛輪電壓過低，繼電器的復位性能將延遲。關機時，若選擇使用至少30V飛輪電壓的電路布局，在長時間燃燒的情況下，電弧將產生更多的磨損，這種應用錯誤應該可以避免。

半導體機電相互作用

在單一運行裝置中將半導體與繼電器的優勢相結合并非新概念，但出于成本原因，能夠成功地控制在12V范圍內的情況實屬罕見。然而在高壓范圍內，時間同步、快速切換和耐高壓的半導體能夠在繼電器之前進行切換，使繼電器對運行和隔離（分離之后）期間的電流進行管理。

只有在找到合適的方法將電子開關功能與機電元件及其限度影響（在整個生命周期）可靠地聯系起來后，方可可靠地應用此項方案。嚴格測試環境下的初步試驗表明了這一開發的可行性，因此在擴展未來儲能系統可靠概念的功能范圍時，泰科電子將此視為可行的實際選擇。

結束語

如上述情況所示，在系統結構中必須適時指定要使用的元件相互協調并進行相應測試，因此，執行和測試要求必須著重于更高的電壓水平并與測試要求相協調。對于蓄電池環境中的更多元件，如連接器、維修開關、熔絲和電流傳感器等的**規格和不同開發規程必須與制造商進行深入協調。同時，汽車行業應該為零部件行業提供必要的信息，以便零部件行業能更好地規劃和開發滿足特定車輛性能和可靠要求的新產品。