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新能源汽車高壓直流繼電器設計理念

發布時間:2020-09-18 21:42:28 作者:小編 來源:本站 瀏覽次數:
導讀:
設計理念 為了實現高壓直流繼電器的安全性能指標及上述發展趨勢,在進行產品的設計時應充分考慮各部件的工藝簡化、可行性、科學性及可靠性的設計。下面針對于高壓直流繼電器的 [...]

  設計理念

  為了實現高壓直流繼電器的安全性能指標及上述發展趨勢,在進行產品的設計時應充分考慮各部件的工藝簡化、可行性、科學性及可靠性的設計。下面針對于高壓直流繼電器的設計理念進行闡述。

  1. 繼電器須具備良好的耐負載能力、滅弧能力、分斷能力和抗沖擊能力。

  繼電器的耐負載能力、滅弧能力、分斷能力和抗沖擊能力是繼電器的基本性能要求,直接影響繼電器的電氣壽命性能,而觸點結構及材料是影響性能的最為關鍵的因素之一,觸點的熔斷、粘連將會導致產品壽命的終結。繼電器的觸點應具有良好的導電性、導熱率、抗氧化和耐燒蝕性,當電路中存在浪涌電流時,不易發生觸點瞬間粘連。其次,繼電器的觸點的運動部件應具備摩擦小、動作順暢、無卡滯,機械壽命長的特性。

  目前,高壓直流繼電器大部分采用銅基觸點,該類觸點在空氣中極易發生氧化而導致產品性能下降,需采用密封腔體來防止觸點氧化;有部分繼電器選用銀合金觸點,可彌補這一缺陷,銀合金觸點還具有耐粘連、耐電弧燒損的特點。兩種觸點的對比情況詳見表1。

  新能源汽車高壓直流繼電器技術發展趨勢及設計理念

  l 抗氧化能力強,可以抵抗更高的電弧溫度,觸點性能穩定,不易粘連,使用壽命長;

  l 高壓繼電器中較理想的抗弧觸點

  l 抗陶瓷釬焊能力差,無法應用于陶瓷釬焊工藝的高壓直流繼電器。

  2. 產品需具備耐高壓的能力。

  為保證產品的耐負載能力,除上述提到的選用銀合金觸點外,產品負載連接件(如:動簧片,負載引出端)的載流面積也顯得十分重要,載流密度過大,單位時間內產生的能量得不到有效的釋放,易造成產品過熱而失效,浙江英洛華新能源科技有限公司(以下簡稱:英洛華)在高壓直流繼電器產品設計初期,進行了大量的計算分析和工藝驗證,采用了陶瓷非釬焊冷裝工藝,工藝簡潔,成本可控,質量可靠;采用銀合金觸點,觸點的抗氧化能力強,可以抵抗較高的電弧溫度,且觸點不易粘連;另外,動簧片及負載引出端設計的載流面積均超過同行水平,進而保證產品具有較強的耐負載能力。

  前面提到,新能源電動汽車不同于普通的燃油汽車,動力電池系統本身的工作電壓遠高于傳統汽車的12V/24V,由于直流電無“過零點”,在直流繼電器觸點斷開的過程中極易產生電弧,電壓等級越高,電弧越大,觸點燒蝕危害越大;如果采用特別措施,縮短拉弧時間,使得電弧能量降低,減少觸點燒蝕危害,可延長繼電器壽命。因此,快速滅弧可提高高壓直流繼電器的電壽命性能。滅弧方式主要有磁吹滅弧、窄縫滅弧和格柵滅弧等方式。目前市面上的大部分廠家采用磁吹滅弧方式,該方案具有結構、工藝簡單,成本低、滅弧效率高的特點,其原理是兩個極性相反的磁鋼平行放置,并與觸點中心呈軸對稱,在觸點中心形成已勻強磁場,當中心的磁場強度越高,吹弧效果越好,滅弧能力越強,產品的耐負載能力也越高。

  一般來說,觸點間的間隙(圖2)越大,耐壓越高,觸點分斷時,更容易斷弧,不易粘連;觸點間隙越小,耐壓越低,分斷時形成的電弧不易斷開,觸點容易粘連。因此,增大觸點間距離將對產品的電壽命性能起到積極的促進作用。

  英洛華的工程技術人員通過多年的研究和探索,采用了磁吹與增大觸點間隙的組合方式,與行業中同品繼電器相比,觸點間隙增大50%左右,使得繼電器相對于同品,具有更高的耐壓和更大的電流分斷能力。

  3. 產品應符合輕量化、節能的發展要求

  上面提到,增大觸點間隙可以提高高壓直流繼電器的耐壓能力,但是增大觸點間隙意味著吸合功率增大,在磁效率一定的情況下,需要增加線圈的直徑,同時保證線圈匝數,從而使線包的重量增加,最終將會導致產品的重量與能耗增加,這與新能源節能的發展要求相違背,因此,只有提高磁效率,減小觸點運動部件的摩擦力,從而降低吸合功率才能實現產品的輕量化、節能的發展需求。

  英洛華的繼電器設計從提高磁效率,減小觸點運動部件的摩擦力,降低吸合線圈功率這一方向進行,英洛華自主核心專利技術巧妙的解決了大負載、大間隙、線圈小功率的難題,通過優化設計,各運動部件之間運動順暢,產品的磁效率得到極大的提升,因此產品觸點吸合線圈的功率減少,重量得以降低,相對于同類產品,產品的總重量降低15%左右,符合輕量化的發展要求。

  其次,繼電器的線圈在產品閉合過程中一直處于通電狀態,以維持繼電器的觸點閉合狀態,線圈的維持電流越小越節能,英洛華產品結構設計尤為巧妙,各運動部件之間的摩擦小,可以用很小的線圈功率驅動觸點的閉合。另外,英洛華高壓直流繼電器設計引入了智能控制技術,采用觸點吸合大功率和觸點閉合維持小功率的方式,實現產品節能的要求。

  4. 產品應具備智能化的發展要求

  近幾年國內高壓直流繼電器的研制企業如雨后春筍般發展起來,高壓直流繼電器的安全可靠性能要求也越來越高,單一功能的繼電器產品難以適應行業多方面的應用發展要求。目前,為實現新能源汽車技術發展要求,對高壓直流繼電器觸點的狀態檢測,需增加繼電器的外圍電路,間接進行觸點的狀態判斷。具有安裝、使用和維護不便,增加成本和線束,可靠性降低,不符合輕量化、智能化的發展要求,針對這一問題,英洛華開發了2款智能型繼電器產品。

  (1) 帶觸點狀態監測功能的電子輔助觸點繼電器

  目前,大部分的直流繼電器不帶觸點狀態監測功能,對產品的檢測及售后維護極其不便,即使有部分廠家增加了機械式的微動開關,間接檢測觸點狀態,測量精度低、穩定差,可靠性低,市場上推廣力度不大。英洛華創新性的開發了一款帶觸點狀態監測功能的電子輔助觸點繼電器產品,該產品采用電子監測技術,準確探測觸點的閉合狀態,輸出無極性的開關量信號,結合線圈控制信號的通斷,可以監測繼電器的觸點閉合是否正常,相對于傳統的機械式輔助觸點,該產品可以準確、快捷的探測觸點閉合狀態。

  (2) 抗容性負載大電流沖擊的直流繼電器

  目前,新能源電動車用主電源控制繼電器都是加裝外部輔助電容預充繼電器和預充電阻的方式來防范主繼電器抗擊閉合瞬間的大電流沖擊,其電路復雜,體積大,同時又需要有專門的控制程序來控制輔助預充繼電器與主繼電器的開關順序(比如整車控制器VCU),增加使用了成本且應用不便利。針對于這一情況,英洛華開發了一款抗容性負載大電流沖擊的直流繼電器產品,有效避免容性負載瞬間大電流沖擊。

  以上技術目前在國內尚屬首創,已申請國內、外發明專利保護,并在國內市場上開始推廣使用,該技術的成功開發將為智能繼電器的發展提供了新的思路。

  5. 產品應具有低成本的特點

  隨著新能源汽車補貼的退坡,各整車廠的利潤被壓縮,勢必在降低新能源汽車產業鏈中各階段的采購成本,因此,在保證產品性能的前提下,生產成本越低,市場競爭能力越強;產品的生產工藝越簡單,所需的生產設備要求越低,生產成本越低。目前,行業內主要的產品結構與性價比對比關系。

  灌膠產品制造成本略低,但其容易發生爆炸,因此無可比性。

  釬焊的產品技術路線決定了其工藝復雜,零件成本及生產成本居高不下,且觸點的抗氧化能力弱,易粘連,產品的性價比不高。

  陶瓷冷裝工藝技術路線先進,工藝簡單,生產成本低,避免了釬焊時的高溫對引出端強度和觸點的損害,最為突出的優點是可以采用銀合金觸點,使得繼電器觸點抗粘連,產品壽命長。

  目前市面上主流的繼電器產品大部分采用陶瓷釬焊工藝,釬焊的溫度為780℃左右,時間長達幾個小時,紫銅的退火溫度低于600℃,釬焊的高溫會使紫銅的硬度下降40%~50%左右,繼電器紫銅引出端的強度下降影響連接強度,同時也加劇了觸點的氧化。英洛華采用陶瓷冷裝工藝,避免了陶瓷釬焊高溫對引出端和觸點的損害,同時可采用較為理想的銀合金觸點,使得繼電器具備了抗粘連、抗沖擊、耐高壓的的特點。因此英洛華新能源的繼電器安全性好,質量可靠,性價比高。


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