电动汽车高压继电器应用选型研究*

刘金配，邓海文，黄祖朋



电动汽车高压继电器应用选型研究*

刘金配，邓海文，黄祖朋

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

文章介绍了高压继电器的工作原理、在电动汽车上的应用环境及继电器电气性能要求。重点分析了高压继电器在电动汽车选型及应用中需关注的性能参数，为电动汽车正确选择使用高压继电器提供依据。

电动汽车；高压继电器；选型

前言

电动汽车高压继电器实际是直流继电器，它是一种以低压小电流电路控制高压大电流电路的“自动开关”，其基本组成包括电动汽车高压继电器由线圈、铁芯和常开、常闭触点和弹簧等。电动汽车高压继电器在电路中起到自动调节、安全保护、切换电路等作用。

电动汽车高压继电器的工作原理为：当继电器线圈接通额定电压的直流电时，线圈产生磁场，吸引铁芯动作，与铁芯相连的常开触点闭合；当继电器线圈断电时，线圈失去磁场，被吸引的铁芯在弹簧的作用下回复原位，与铁芯相连的常开触点断开。继电器就是通过控制线圈的通/断电，实现触点的接通与断开，从而达到对设备的逻辑控制。

1 电动汽车典型工况

根据电动汽车的实际驾驶工况，高压继电器在电动汽车上的应用会出现典型的六大工况，如图1所示：

图1 电动汽车六大工况

（1）电动汽车上高压电或充电瞬间，继电器闭合，产生冲击电流；

（2）电动汽车加速过程，产生大于额定工作电流的加速过载电流；

（3）电动汽车正常高速行驶过程中产生的额定电流；

（4）电动汽车故障产生远大于额定电流的故障短路电流；

（5）电动汽车制动，产生反向制动电流；

（6）电动汽车下电，产生切断电流。

2 高压继电器主要参数

2.1 电气寿命

在电动汽车设计过程中，为保护继电器，同时防止大电流对高压电器造成损伤，一般会在主继电器前，对车载容性负载进行预充电设计，主继电器闭合瞬间冲击电流都会控制在额定电流以下，但是因高压系统中电阻只有几十毫欧，主继电器闭合仍然几伏压差，所以主继电器闭合瞬间仍然有较大电流，而这种带载闭合继电器的行为会对继电器造成一定程度的损伤，所以在继电器选型初期，我们需要评估整车质保期间继电器需要闭合多少次，选择的继电器需要满足电气寿命的要求。

2.2 短时间通电电流

按照电动汽车考核标准，纯电动汽车百公里加速时间≤6s，意味着加速过程中需输出远大于额定功率的扭矩，电机工作电流会大于额定电流。例如某款电动车的驱动电流额定为170A，加速时峰值电流可达到300A，电池容量为220Ah。这款电动车在额定电流下正常工作时间＜1.3h，加速峰值电流300A的工作时间＜10s。根据此参数，继电器厂家为车企选择了一款额定电流为150A的继电器，此款继电器载流能力满足180A的持续电流可承受2h不影响电器寿命，300A的过载电流可短时承受10min不影响电气寿命。既能满足应用需求，又避免了选200A规格继电器造成浪费。

2.3 额定电流

额定电流是指继电器在不高于额定电流的载流下长时间工作，继电器温升保持在允许范围内，更不会影响继电器的电气寿命。电动汽车在正常平稳高速地行驶是整车持续时间最长的工况，继电器要在此工况下长时间载流工作，要保障继电器安全且不影响电气寿命，则继电器额定电流必须不低于此工况下的电动车产生的电流。

2.4 最大分断电流

最大分断电流这是作为一项安全考核项存在，是指继电器能正常切断最大电流。在电动汽车整车寿命中，我们没法保证车辆一定不会出现短路故障，我们不希望出现短路大电流时，将所有的保护希望都只寄托在主熔断器的被动保护上，哪怕我们只能确保短路电流出现时，继电器只能正常切断1次，整车就少了一分起火的风险，乘员安全就多了一分保障。

2.5 过载切断能力

整车在加速时会产生过载电流，此时如果整车出现碰撞等需要强制切断动力电源的故障时，就会考验继电器过载切断能力。设计之初要评估整车强制过载切断动力的次数，过载电流大小，参考继电器厂家试验报告，选择能满足我们过载切断需求的继电器。

2.6 反向切断能力

反向切断是指有极性继电器在切断电源时，电弧是有方向性的，当反向电弧灭弧难度更大，对继电器损伤更严重。但是无极性继电器成本明显更高，所有在非必须的情况我们基本会选择有极性的继电器，选型时需要评估整车需求的反向切断次数、电流大小，选择相应满足反向切断能力的继电器。

除了以上6大主触点参数，我们还需要考虑几个参数：驱动电压、额定电压、过载切断次数、反向切断次数、耐冲击性、耐振性、耐久振动、安装尺寸等。

3 高压继电器应用设计要点

（1）设计时将电流分断概率高的方向作为正向，尽量避免反向分断；

（2）容性负载闭合时冲击电流越小越好，尽量低于继电器的额定电流，比如300A规格的产品，接通时冲击电流尽量≤300A，在额定负载条件下带载接通的能力（不带载分断）可以达到7.5W次以上；

（3）在设计连接铜排时，尽量将截面积做大，按我司推荐的截面积来，以增加触点位置的散热截面积，降低温升，提高性能，其它部分可以适当小点；

（4）不带节能板的产品不能并联二极管来吸收反向电动势，否则会增加继电器释放时间，拉弧时间会加长，会降低寿命，建议并联TVS管或压敏电阻。

图2 并联TVS管或压敏电阻驱动电路

4 高压继电器典型失效模式分析

电动汽车高压继电器典型的失效模式就是触点粘连。继电器作为一个自动控制开关元器件，其最主要的作用就是控制电路通断，一旦触点粘连，继电器就失去了开关作用。以下是常见的继电器触点粘连原因。

4.1 并联二极管

客户在线圈并联续流二极管，导致触点断开时间延长，加剧触点间燃弧，典型值为3ms-28ms。建议改为并联压敏电阻或者TVS管。

4.2 预充不足

预充不足（容性负载），导致触点闭合时触头过流局部发热熔化粘连，典型值大于2倍额定。建议增加预充时间或者增加预充电流。

4.3 馈电切断

继电器在有馈电的情况下断开，因为大电流的继电器在设计时，为了强化正常环境下的性能指标，牺牲了部分反向断开的能力（灭弧原理是磁吹）。建议在逻辑控制上尽量避免，不得已情况下选型更强壮的继电器。例如，刹车时能量回收；持续下坡时为保护电池包已充满，防止过充。

4.4 控制逻辑有误

若失效集中在主负位置上，控制逻辑配合不当，若失效数量样本较大时，通过推理、正态分布就可判定。可以通过BMS（控制单元）排查断开和闭合的逻辑顺序，先后间隔的时间是否足够，可以参考规格书的参数。例如，快充回路只采用一个主继电器时，主负继电器处于反向电流工作状态，异常断开时要求先断开快充主继电器。

4.5 瞬间大电流

系统瞬时未知的大电流导致触点粘连，典型值为10倍额定。建议电流传感器设置过流报文（针对瞬时短路的，要避开峰值和闭合瞬间），利于后期的分析原因。

4.6 触点抖动

触点的抖动，中间继电器的抖动叠加上主继电器的抖动；EMC干扰引起。表现为触点有多个烧蚀点。

5 结论

随着电动汽车越来越普及，人们对电动汽车安全可靠性要求越来越高。而继电器作为主动切断动力电源的开关，继电器的可靠性对整车安全意义重大，选择与整车高压用电器匹配性更高的继电器，才能更加有效的起到安全通断电源作用，才能更好地保护乘客安全。

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[3] 陈丹丹,张茜铭.汽车继电器介绍及选型[J].汽车电器,2015(04):63- 64.

[4] 罗凌.电磁继电器选型及可靠使用问题的分析[J].自动化与仪器仪表,2014(02):63-65.

Study on selection design of high voltage relay for EV*

Liu Jinpei, Deng Haiwen, Huang Zupeng

( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

This paper introduces the working principle of high voltage relay, applications in electric vehicle environment and relay electrical performance requirements，analyses the selection and application of high voltage relay in electric cars need to focus on performance parameters, which provides the basis for the electric car right choose to use high pressure relay.

Electric vehicles; High Voltage Relay; Selection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.008

U469.72

A

1671-7988(2019)10-22-03

U469.72

A

1671-7988(2019)10-22-03

刘金配（1996-11），男，新能源高压工程师，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，从事新能源汽车高压电气架构、高压安全研究工作。

广西科技计划资助项目（桂科AC1638 0043）；柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2016B030101）。