動力電池包高壓繼電器怎樣考慮分斷能力？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-10 10:15
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動力電池包高壓回路， BMS通過主正主副兩個繼電器控制回路通斷。理想的高壓上下電策略，高壓回路下電后，繼電器再執(zhí)行斷開回路的動作。但在很多系統(tǒng)中，并沒有實現(xiàn)這種理想，繼電器總會遇到帶載分斷的情形。傳統(tǒng)低壓電氣回路，分斷由斷路器執(zhí)行。無論從空間還是結(jié)構(gòu)設置，斷路器才是最適應分斷的電器元件。而傳統(tǒng)繼電器并沒有分斷的使命，只是用來實現(xiàn)控制功能。
設計合理的上下電策略，是內(nèi)功，練好了，以柔克剛；玩命提高繼電器的分斷能力，練的是硬氣功，遇到打擊，就靠一口氣死杠。扛得過去也會受點傷，影響后面的戰(zhàn)斗力；扛不過去，武功盡廢。
繼電器定義
繼電器是一種電控器件，當輸入激勵達到某個閾值時，觸發(fā)輸出發(fā)生變化。通常用法就是用低壓控制高壓，用小電流控制大電流回路。
繼電器種類
繼電器是低壓電器行業(yè)的一個主流產(chǎn)品，種類繁多，類型劃分的角度也多有不同。這里只體現(xiàn)與動力電池包中用到的繼電器相關(guān)的分類。
按照輸入控制信號的不同，繼電器可以分為電電磁繼電器、熱控制繼電器、時間控制繼電器、光繼電器、速度繼電器等，其中電磁繼電器是應用最普遍，適用場合也最多的一種。
按照額定電壓不同劃分等級，比如250V，500V，750V等，不同廠家的劃分節(jié)點有所不同。額定電壓不是繼電器高壓回路的工作電壓，是與標稱的分斷電流相對應的分斷電壓值，同樣的短路電流，系統(tǒng)電壓越高，分斷的難度越大。出于對電池包總電量的追求，動力電池包內(nèi)電池串數(shù)越來越多，標準最高電壓已經(jīng)達到750V，相應的充電機系統(tǒng)也跟隨這個電壓要求，并且1000V高壓系統(tǒng)標準問題已經(jīng)正在討論中。
按照主觸點狀態(tài)不同，劃分成常開、常閉、和Z字型觸點3種。電池包內(nèi)選用較多的是常開觸點，閉合動作需要命令信號觸發(fā)才會執(zhí)行。
電磁繼電器結(jié)構(gòu)和工作原理
單一常開觸點繼電器
1 線圈； 2 鐵芯； 3 空氣隙； 4 銜鐵； 5 動觸點； 6 定觸點； 7 彈簧； 8 止擋
，是基本的電磁繼電器結(jié)構(gòu)，單觸點繼電器。其基本的構(gòu)成部件包括：線圈、鐵芯、銜鐵和動靜觸點。
回路閉合：控制電路的控制端口連接線圈兩端，線圈和鐵芯共同構(gòu)成一個電磁鐵。當控制電路給線圈供電，鐵芯獲得了磁性，銜鐵被吸合，動觸頭跟隨銜鐵同步運動，與靜觸頭接觸，強電回路閉合。同時反力彈簧被拉伸。
吸合狀態(tài)的保持：控制端口的輸出電流必須大于某個臨界值，否則，如果反力彈簧的拉力大于電磁鐵的吸引力，則動觸頭發(fā)生顫動，動靜觸頭之間的電阻增大。如果電流足夠大，接觸電阻發(fā)熱積累在觸頭上，會造成觸頭表面損毀甚至動靜觸頭融焊在一起。
為了避免融焊的發(fā)生，一方面，促使銜鐵吸合的電流必須保持在要求的“保持電流”以上；另一方面，動靜觸頭系統(tǒng)的設計中，必須有一方面的觸頭不是剛體，而設計成能夠產(chǎn)生超行程的結(jié)構(gòu)，即在銜鐵與鐵芯并未解除以前，動靜觸頭已經(jīng)接觸；待鐵芯與銜鐵達到緊密吸合的狀態(tài)，動觸頭或者靜觸頭已經(jīng)產(chǎn)生了與觸頭閉合方向相反的變形（變形可以由轉(zhuǎn)軸和另一組反力彈簧實現(xiàn)）。
回路斷開：在正常使用情形下，繼電器切斷電路時，回路中不應該有電流存在。繼電器斷開的過程如下：控制端口取消繼電器觸發(fā)閉合的信號，線圈上電流消失，銜鐵在反力彈簧拉力的作用下，向遠離鐵芯的方向運動，同時動觸頭與靜觸頭分開。
帶載分斷：在故障或者策略設計不合理的情況下，繼電器可能會遇到帶電分斷的狀況，即主回路中存在工作電流，而控制端口給線圈供電電流消失了；沒有電流鐵芯不再具有磁性，銜鐵被反力彈簧反向拉動離開鐵芯，動靜觸頭分離。
動觸頭剛剛離開靜觸頭一小段距離的時候，系統(tǒng)電壓全部加載在動靜觸頭之間，高電壓擊穿小縫隙之間的氣體，使之電離，于是動靜觸頭之間產(chǎn)生了電弧。動觸頭繼續(xù)向遠離靜觸頭的方向移動，電弧隨之拉長，同時更大量的周邊氣體被電離，觸頭上的金屬融化并噴灑到周圍環(huán)境中。反過來，金屬顆粒增加了空氣的導電性，同樣的壓差，可以使距離更遠的兩個觸頭之間繼續(xù)維持拉弧狀態(tài)。隨著拉弧的進行和蔓延，高溫電弧使觸頭金屬逐漸融化甚至氣化。
如果動靜觸頭自然狀態(tài)距離比較遠，分斷的過程中，動觸頭遠離的速度比較快，系統(tǒng)電壓比較低，負載電流比較小，使得整個燃弧過程在中間的某一步就停止了，則造成的影響會停留在當時狀態(tài)，比如觸頭被部分燒損；或者電弧沒來的及燃起已經(jīng)被繼電器設計的滅弧措施撲滅，則可能只是在觸頭上留下一些痕跡。不同的情形對繼電器的傷害程度會有區(qū)別，但一般遇到短路電流分斷情形，繼電器不會建議繼續(xù)使用。
上圖是一個繼電器說明書上的截圖，紅色線框中提示的內(nèi)容，繼電器持續(xù)電流500A，分斷電流在320V直流電壓下達到2000A。這個表述中，分斷能力需要規(guī)定相應的電流和電壓，二者都會對分斷結(jié)果產(chǎn)生影響。在右側(cè)線框中聲明，分斷次數(shù)1次。表明生產(chǎn)商認為遇到1次短路電流情形，繼電器就需要更換了。
車用繼電器的特殊之處
對殼體要求高：與普通電力系統(tǒng)中的高壓直流繼電器相比，電動汽車使用的繼電器一個最顯著的不同是，需要適應行車狀態(tài)的震動環(huán)境。當前的繼電器，為了提高滅弧效果，一般都采用密封殼體燃弧腔內(nèi)充滿氮氣或者氫氣的方式。一邊是劇烈震動的使用環(huán)境，一邊是嚴格的密封要求，這對繼電器殼體提出了很高的要求。
無極性繼設計：動力電池包的設計中，廣泛存在著充放電同口的現(xiàn)象，放電電流和充電電流都通過同一段回路進出。這樣，在分斷大電流時，就要求繼電器的分斷設計不能與電流方向有關(guān)（比如永磁鐵吹弧，電弧內(nèi)的電流方向必須是固定的才能產(chǎn)生“吹”的作用，如果電流反向，則作用方向也相反，變成“拉”了）所謂無極性。
傳統(tǒng)的拉弧滅弧手段不能使用，一些宣稱無極性的產(chǎn)品，采用兩組動靜觸點串聯(lián)的形式，分斷過程中，讓系統(tǒng)電壓分別加載在兩組觸頭上，每組觸頭的電壓只是原來的一半，降低了分斷難度。但雙斷點畢竟也需要空間，對載流密度要求不斷提高，又不能采取成熟的滅弧措施，雙斷點的分斷能力需要做一些測試驗證。
