EV200系列接触器在电动汽车行业可靠的电能存储系统应用

EV200系列接触器在电动汽车行业可靠的电能存储系统应用

图1 复杂的混合动力汽车

汽车电气系统在严重故障情况下将出现高达4000A的峰值短路电流，这就要求主继电器必须能够可靠处理巨大的弧能。本文将主要介绍其中的可靠性要求，进一步探讨熔断熔丝在继电器上的交互作用以及采用预充电电路进行保护的必要性。

有效、可靠的储能系统是动力传动装置电气化的先决条件。汽车零部件行业所面临的挑战是：一方面需要从能源行业获得经过验证的技术，另一方面要使这些技术与汽车行业极为特殊的应用环境相融合。在此过程中，务必确保系统的可靠性和可靠性。此外，电压增大至1000V时，汽车还需要专用元件进行能量分配和保护。

汽车电气系统出现故障时会产生数千安培的峰值电流，这时必须利用蓄电池系统将该峰值电流连通高压车载电源的电抗进行可靠的储存。作为****的无源电子元件制造商，泰科电子很早便开始着手进行高压行业技术的研发。

技术可靠元件要求

目前，混合动力汽车是汽车行业关注的焦点，对于直流电压高达1000V的混合动力汽车系统来说，其车载电源的复杂性大大增加（见图1）。

为了较大程度地确保汽车的可靠性和可靠性，汽车上的可靠元件必须严格符合系统要求和可靠策略。同时，适当的测试规划和执行在汽车可靠系统的优化设计中也发挥了重要作用。
                                                                        

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图2  用于保护高压继电器的预充电功能

为避免汽车出现故障时危及整个系统，汽车工程师至少应明确规如以下参数：典型运行和出现故障时的电压和电流分布、空气和电花径迹、污染等级、温度范围、湿度等级、环境参数、高压车载电源的总电容和电感以及电磁兼容性要求。

在维修、系统崩溃、外部过载或内部故障等情况下，为了避免工作人员意外接触此类危险的高电压，必须将每个储能系统（ESS）进行隔离，尤其是将电气储能系统与车载电源网络分离，因此需要能够有效确保蓄电池隔离的元件。

由于半导体本身无法确保电气隔离，因此功率继电器是一个很好的解决方案。可预先考虑极高的电弧能，如给定完全运行负荷下关机时的较高电压和电流，在这种情况下，只有高压继电器才被视为主继电器。

协调运行参数

为了确保高压继电器可靠地运行，应将周边条件（如浪涌电流或卸荷周期）考虑在内，这两个参数会对高压继电器的性能和生命周期产生很大影响。因此，如何触发主继电器切换是一个非常重要的因素。如图2所示，当车载电源具有未充电电容时，若关闭主继电器，将会有非常高的电容充电电流通过触点。

电流*初涌入时，由于机械原因，触点可能发生反弹。在触点短暂断开期间，电弧被点燃并将触点局部加热至相当高的温度（电弧可达到12000K的温度），出现局部触点熔化，其中的触点进行切换，然后以其特有的触点位移力达成调节。之前熔化的触点区域冷却并干燥成固体块。这种作用非常强大，以至于仅凭继电器之力无法根据需要打开触点，并且导致继电器出现故障。
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图3  用于高压应用场合的高压继电器EV200

为了防止出现此类情况，必须限制峰值浪涌电流，这可通过预充电电路实现，通过主继电器触点并行，使用特殊的预充电继电器和串联电阻器以确保中间电路电容的充电，从而将电流限制在允许范围（见图2）。在预充电过程中，中间电路电容不得导致车辆启动延迟（通常少于200ms），必须清楚车载电网的外部蓄电池总电容。

然而，因为通常蓄电池和高压车载电源是由不同的开发合作伙伴在不同时期开发的，因此在早期开发阶段往往会引发问题。此外，在预充电期间，也必须考虑所有负载，否则预充电电阻器和有源负载的电压下降将阻止实现所需的充电电压，启动将会中断，下游有源主继电器将受到严重磨损。因此在整个操作系统策略中，必须考虑到此种情况。

出色的隔离性能

Kilovac高压主继电器EV200（见图3）具有出色的隔离性能，可以断开高达1 000V的直流电压。

电池化学成分、内部构造和结合技术的发展使我们能够进一步减少内部电阻，从而增加峰值电流。锂基储能系统可以产生4000A或更大的短路电流。在极端情况下，将会有远远超过2MW的能量在短路期间被转换。因此必须将继电器和熔丝的相互作用以及带电导体中的磁力（洛仑兹力）等物理效应融入到保护概念中来。

鉴于先前所描述的运行策略关系，在发生严重故障时，熔丝和继电器必须确保规定的关机顺序。在触点加热导致的损坏发生之前，熔丝必须具有足够快的响应速度，在熔丝中将主继电器的打开动力调节为灭弧程序。由于极端性能损失，在熔体硬化之前，继电器复位力必须能够快速打开正在熔化的接触面。如图4显示了250A高压熔丝的典型曲线（处于4000A时，响应时间大约为20ms）。 
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图4   典型的高压熔丝特征

极端情况下的悬浮力

适当温度下的短路以及LiFePO4或LiNiMnCoO2电池的完全充电将会导致在一组模块中的电流比单个电池更高的极端峰值电流（见表）。

由于这些极限电流将会产生非常强大的磁场，给定的相应极性抵消了继电器的磁性保持力，可能导致继电器触点的悬浮。因此，利用通常可减少性能损失的线圈上的脉冲宽度调制（PWM），可以大幅地加强效果。如果电流产生的力影响到了已经被PWM减少的保持力，这可能会导致意外打开触点。触点意外打开时，点燃的电弧通常由继电器衔铁的连续打开动作和熄弧磁铁来熄灭。在极端情况下，以这种方式意外打开触点时产生的电弧可能会出现振荡。

电弧长时间失控燃烧所产生的能量会破坏触点，也可能会过量增加继电器内部的气压，从而破坏继电器。作为预防，可选择在熔丝设计中通过内部电阻实现电流限制。高压车载电网本身的低电感系数未提供任何有效保护。适合车辆使用的高压熔丝仍然较少，这也是汽车制造商必须继续共同应对的一项挑战。

作为**选择，PWM驱动程序能够在可预见或识别的过载情形下，立即将继电器激励至100%，之后才启动时间控制的关机进程。通常，软件控制的PWM程序速度太慢，无法跟上短路电流梯度。此外，电流传感器的分辨率带来了另一个问题：出于精度和成本的考虑，发生短路时不可能进行可靠的测量和检测。良好的硬件设计应包括过电流保护指示灯（在电流传感器一旁），以直接干预PWM硬件驱动程序的控制电路。
 

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不同锂电池的比较数据

一旦发生关机的情况，PWM硬件驱动程序必须允许线圈快速去磁。PWM驱动程序的电流集成二极管将会对继电器的关机动力产生很大影响。如果线圈飞轮电压过低，继电器的复位性能将延迟。关机时，若选择使用至少30V飞轮电压的电路布局，在长时间燃烧的情况下，电弧将产生更多的磨损，这种应用错误应该可以避免。

半导体机电相互作用

在单一运行装置中将半导体与继电器的优势相结合并非新概念，但出于成本原因，能够成功地控制在12V范围内的情况实属罕见。然而在高压范围内，时间同步、快速切换和耐高压的半导体能够在继电器之前进行切换，使继电器对运行和隔离（分离之后）期间的电流进行管理。

只有在找到合适的方法将电子开关功能与机电元件及其限度影响（在整个生命周期）可靠地联系起来后，方可可靠地应用此项方案。严格测试环境下的初步试验表明了这一开发的可行性，因此在扩展未来储能系统可靠概念的功能范围时，泰科电子将此视为可行的实际选择。

结束语

如上述情况所示，在系统结构中必须适时指定要使用的元件相互协调并进行相应测试，因此，执行和测试要求必须着重于更高的电压水平并与测试要求相协调。对于蓄电池环境中的更多元件，如连接器、维修开关、熔丝和电流传感器等的**规格和不同开发规程必须与制造商进行深入协调。同时，汽车行业应该为零部件行业提供必要的信息，以便零部件行业能更好地规划和开发满足特定车辆性能和可靠要求的新产品。