EV200系列接觸器在電動(dòng)汽車行業(yè)可靠的電能存儲系統(tǒng)應(yīng)用

圖1 復(fù)雜的混合動(dòng)力汽車

汽車電氣系統(tǒng)在嚴(yán)重故障情況下將出現(xiàn)高達(dá)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(jìn)一步探討熔斷熔絲在繼電器上的交互作用以及采用預(yù)充電電路進(jìn)行保護(hù)的必要性。

有效、可靠的儲能系統(tǒng)是動(dòng)力傳動(dòng)裝置電氣化的先決條件。汽車零部件行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是：一方面需要從能源行業(yè)獲得經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，另一方面要使這些技術(shù)與汽車行業(yè)極為特殊的應(yīng)用環(huán)境相融合。在此過程中，務(wù)必確保系統(tǒng)的可靠性和可靠性。此外，電壓增大至1000V時(shí)，汽車還需要專用元件進(jìn)行能量分配和保護(hù)。

汽車電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)千安培的峰值電流，這時(shí)必須利用蓄電池系統(tǒng)將該峰值電流連通高壓車載電源的電抗進(jìn)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(jìn)行高壓行業(yè)技術(shù)的研發(fā)。

技術(shù)可靠元件要求

目前，混合動(dòng)力汽車是汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，對于直流電壓高達(dá)1000V的混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)來說，其車載電源的復(fù)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(yán)格符合系統(tǒng)要求和可靠策略。同時(shí)，適當(dāng)?shù)臏y試規(guī)劃和執(zhí)行在汽車可靠系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中也發(fā)揮了重要作用。
                                                                        

EV200系列接觸器在電動(dòng)汽車行業(yè)可靠的電能存儲系統(tǒng)應(yīng)用

圖2  用于保護(hù)高壓繼電器的預(yù)充電功能

為避免汽車出現(xiàn)故障時(shí)危及整個(gè)系統(tǒng)，汽車工程師至少應(yīng)明確規(guī)如以下參數(shù)：典型運(yùn)行和出現(xiàn)故障時(shí)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(huán)境參數(shù)、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(tǒng)崩潰、外部過載或內(nèi)部故障等情況下，為了避免工作人員意外接觸此類危險(xiǎn)的高電壓，必須將每個(gè)儲能系統(tǒng)（ESS）進(jìn)行隔離，尤其是將電氣儲能系統(tǒng)與車載電源網(wǎng)絡(luò)分離，因此需要能夠有效確保蓄電池隔離的元件。

由于半導(dǎo)體本身無法確保電氣隔離，因此功率繼電器是一個(gè)很好的解決方案?？深A(yù)先考慮極高的電弧能，如給定完全運(yùn)行負(fù)荷下關(guān)機(jī)時(shí)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(xié)調(diào)運(yùn)行參數(shù)

為了確保高壓繼電器可靠地運(yùn)行，應(yīng)將周邊條件（如浪涌電流或卸荷周期）考慮在內(nèi)，這兩個(gè)參數(shù)會(huì)對高壓繼電器的性能和生命周期產(chǎn)生很大影響。因此，如何觸發(fā)主繼電器切換是一個(gè)非常重要的因素。如圖2所示，當(dāng)車載電源具有未充電電容時(shí)，若關(guān)閉主繼電器，將會(huì)有非常高的電容充電電流通過觸點(diǎn)。

電流*初涌入時(shí)，由于機(jī)械原因，觸點(diǎn)可能發(fā)生反彈。在觸點(diǎn)短暫斷開期間，電弧被點(diǎn)燃并將觸點(diǎn)局部加熱至相當(dāng)高的溫度（電弧可達(dá)到12000K的溫度），出現(xiàn)局部觸點(diǎn)熔化，其中的觸點(diǎn)進(jìn)行切換，然后以其特有的觸點(diǎn)位移力達(dá)成調(diào)節(jié)。之前熔化的觸點(diǎn)區(qū)域冷卻并干燥成固體塊。這種作用非常強(qiáng)大，以至于僅憑繼電器之力無法根據(jù)需要打開觸點(diǎn)，并且導(dǎo)致繼電器出現(xiàn)故障。
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圖3  用于高壓應(yīng)用場合的高壓繼電器EV200

為了防止出現(xiàn)此類情況，必須限制峰值浪涌電流，這可通過預(yù)充電電路實(shí)現(xiàn)，通過主繼電器觸點(diǎn)并行，使用特殊的預(yù)充電繼電器和串聯(lián)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(yù)充電過程中，中間電路電容不得導(dǎo)致車輛啟動(dòng)延遲（通常少于200ms），必須清楚車載電網(wǎng)的外部蓄電池總電容。

然而，因?yàn)橥ǔＰ铍姵睾透邏很囕d電源是由不同的開發(fā)合作伙伴在不同時(shí)期開發(fā)的，因此在早期開發(fā)階段往往會(huì)引發(fā)問題。此外，在預(yù)充電期間，也必須考慮所有負(fù)載，否則預(yù)充電電阻器和有源負(fù)載的電壓下降將阻止實(shí)現(xiàn)所需的充電電壓，啟動(dòng)將會(huì)中斷，下游有源主繼電器將受到嚴(yán)重磨損。因此在整個(gè)操作系統(tǒng)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(dá)1 000V的直流電壓。

電池化學(xué)成分、內(nèi)部構(gòu)造和結(jié)合技術(shù)的發(fā)展使我們能夠進(jìn)一步減少內(nèi)部電阻，從而增加峰值電流。鋰基儲能系統(tǒng)可以產(chǎn)生4000A或更大的短路電流。在極端情況下，將會(huì)有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2MW的能量在短路期間被轉(zhuǎn)換。因此必須將繼電器和熔絲的相互作用以及帶電導(dǎo)體中的磁力（洛侖茲力）等物理效應(yīng)融入到保護(hù)概念中來。

鑒于先前所描述的運(yùn)行策略關(guān)系，在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，熔絲和繼電器必須確保規(guī)定的關(guān)機(jī)順序。在觸點(diǎn)加熱導(dǎo)致的損壞發(fā)生之前，熔絲必須具有足夠快的響應(yīng)速度，在熔絲中將主繼電器的打開動(dòng)力調(diào)節(jié)為滅弧程序。由于極端性能損失，在熔體硬化之前，繼電器復(fù)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(shí)，響應(yīng)時(shí)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(dāng)溫度下的短路以及LiFePO4或LiNiMnCoO2電池的完全充電將會(huì)導(dǎo)致在一組模塊中的電流比單個(gè)電池更高的極端峰值電流（見表）。

由于這些極限電流將會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)大的磁場，給定的相應(yīng)極性抵消了繼電器的磁性保持力，可能導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)的懸浮。因此，利用通?？蓽p少性能損失的線圈上的脈沖寬度調(diào)制（PWM），可以大幅地加強(qiáng)效果。如果電流產(chǎn)生的力影響到了已經(jīng)被PWM減少的保持力，這可能會(huì)導(dǎo)致意外打開觸點(diǎn)。觸點(diǎn)意外打開時(shí)，點(diǎn)燃的電弧通常由繼電器銜鐵的連續(xù)打開動(dòng)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(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電弧可能會(huì)出現(xiàn)振蕩。

電弧長時(shí)間失控燃燒所產(chǎn)生的能量會(huì)破壞觸點(diǎn)，也可能會(huì)過量增加繼電器內(nèi)部的氣壓，從而破壞繼電器。作為預(yù)防，可選擇在熔絲設(shè)計(jì)中通過內(nèi)部電阻實(shí)現(xiàn)電流限制。高壓車載電網(wǎng)本身的低電感系數(shù)未提供任何有效保護(hù)。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(xù)共同應(yīng)對的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

作為**選擇，PWM驅(qū)動(dòng)程序能夠在可預(yù)見或識別的過載情形下，立即將繼電器激勵(lì)至100%，之后才啟動(dòng)時(shí)間控制的關(guān)機(jī)進(jìn)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(gè)問題：出于精度和成本的考慮，發(fā)生短路時(shí)不可能進(jìn)行可靠的測量和檢測。良好的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)包括過電流保護(hù)指示燈（在電流傳感器一旁），以直接干預(yù)PWM硬件驅(qū)動(dòng)程序的控制電路。
 

EV200系列接觸器在電動(dòng)汽車行業(yè)可靠的電能存儲系統(tǒng)應(yīng)用

不同鋰電池的比較數(shù)據(jù)

一旦發(fā)生關(guān)機(jī)的情況，PWM硬件驅(qū)動(dòng)程序必須允許線圈快速去磁。PWM驅(qū)動(dòng)程序的電流集成二極管將會(huì)對繼電器的關(guān)機(jī)動(dòng)力產(chǎn)生很大影響。如果線圈飛輪電壓過低，繼電器的復(fù)位性能將延遲。關(guān)機(jī)時(shí)，若選擇使用至少30V飛輪電壓的電路布局，在長時(shí)間燃燒的情況下，電弧將產(chǎn)生更多的磨損，這種應(yīng)用錯(cuò)誤應(yīng)該可以避免。

半導(dǎo)體機(jī)電相互作用

在單一運(yùn)行裝置中將半導(dǎo)體與繼電器的優(yōu)勢相結(jié)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(nèi)的情況實(shí)屬罕見。然而在高壓范圍內(nèi)，時(shí)間同步、快速切換和耐高壓的半導(dǎo)體能夠在繼電器之前進(jìn)行切換，使繼電器對運(yùn)行和隔離（分離之后）期間的電流進(jìn)行管理。

只有在找到合適的方法將電子開關(guān)功能與機(jī)電元件及其限度影響（在整個(gè)生命周期）可靠地聯(lián)系起來后，方可可靠地應(yīng)用此項(xiàng)方案。嚴(yán)格測試環(huán)境下的初步試驗(yàn)表明了這一開發(fā)的可行性，因此在擴(kuò)展未來儲能系統(tǒng)可靠概念的功能范圍時(shí)，泰科電子將此視為可行的實(shí)際選擇。

結(jié)束語

如上述情況所示，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中必須適時(shí)指定要使用的元件相互協(xié)調(diào)并進(jìn)行相應(yīng)測試，因此，執(zhí)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(xié)調(diào)。對于蓄電池環(huán)境中的更多元件，如連接器、維修開關(guān)、熔絲和電流傳感器等的**規(guī)格和不同開發(fā)規(guī)程必須與制造商進(jìn)行深入?yún)f(xié)調(diào)。同時(shí)，汽車行業(yè)應(yīng)該為零部件行業(yè)提供必要的信息，以便零部件行業(yè)能更好地規(guī)劃和開發(fā)滿足特定車輛性能和可靠要求的新產(chǎn)品。