高壓繼電器，是電動(dòng)汽車高壓電路上的受控開關(guān)器件，同時(shí)也在系統(tǒng)中扮演主動(dòng)保護(hù)器件的角色。它在高壓回路的各個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)都有應(yīng)用，動(dòng)力電池主回路、快充回路，高壓用電器供電線路如電機(jī)、DCDC、空調(diào)壓縮機(jī)，加熱器等。這里我們一起聊一聊高壓繼電器的工作原理，關(guān)鍵特性和在動(dòng)力電池系統(tǒng)上的應(yīng)用。

一、繼電器定義

繼電器是一種電控器件，當(dāng)輸入激勵(lì)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，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。

二、繼電器種類

繼電器是低壓電器行業(yè)的一個(gè)主流產(chǎn)品，種類繁多，類型劃分的角度也多有不同。

按照輸入控制信號(hào)的不同，繼電器可以分為電電磁繼電器、熱控制繼電器、時(shí)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(yīng)用最普遍，適用場(chǎng)合也最多的一種。

按照額定電壓不同劃分等級(jí)，比如250V，500V，750V等，不同廠家的劃分有所不同。額定電壓不僅僅是繼電器所在高壓回路的工作電壓，也是分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵影響因素。按照主觸點(diǎn)狀態(tài)不同，劃分成常開、常閉、和Z型觸點(diǎn)3種。電池包內(nèi)選用較多的是常開觸點(diǎn)，閉合動(dòng)作需要命令信號(hào)觸發(fā)才會(huì)執(zhí)行。

三、電磁繼電器結(jié)構(gòu)和工作原理

在動(dòng)力電池系統(tǒng)上使用的主要是電磁繼電器，圍繞這個(gè)類型一起看看他的工作原理。

如下圖所示，是基本的電磁繼電器結(jié)構(gòu)，單觸點(diǎn)繼電器。其基本的構(gòu)成部件包括：線圈、鐵芯、銜鐵和動(dòng)靜觸點(diǎn)等。

1 線圈；2 鐵芯；3 空氣隙；4 銜鐵；5 動(dòng)觸點(diǎn)；6 定觸點(diǎn)；7 彈簧；8 止擋

單一常開觸點(diǎn)繼電器

線圈，端子接12V或者24V電源，基于電磁鐵的效應(yīng)吸引銜鐵，是驅(qū)動(dòng)繼電器斷開或者閉合的源動(dòng)力；

鐵芯，用于集中線圈產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)，使得小電流可以產(chǎn)生更大的勵(lì)磁效果，避免磁場(chǎng)外溢；

銜鐵，電磁回路的一部分，一般是可以轉(zhuǎn)動(dòng)或者延固定軌跡平行移動(dòng)。銜鐵與動(dòng)觸點(diǎn)固定連接在一起，鐵芯吸動(dòng)銜鐵最終就會(huì)帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)。

動(dòng)觸點(diǎn)，靜觸點(diǎn)，是繼電器高壓導(dǎo)電回路的一部分，動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸在一起就接通回路；動(dòng)靜觸點(diǎn)分開，則斷開回路。

彈簧，彈簧產(chǎn)生的拉力，一般處于鐵芯吸力的反力方向上，一方面在鐵芯勵(lì)磁吸合過(guò)程中使得銜鐵處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)避免動(dòng)靜觸點(diǎn)之間出現(xiàn)過(guò)大沖擊；另一方面，彈簧是繼電器斷開的動(dòng)力源，當(dāng)?shù)蛪夯芈饭╇娊K止，線圈鐵芯失去吸力，彈簧的拉力就可以把動(dòng)靜觸點(diǎn)分開。

止擋，動(dòng)觸點(diǎn)從吸合狀態(tài)被彈簧拉動(dòng)后向遠(yuǎn)離靜觸點(diǎn)的方向運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)停在什么位置上，就由這個(gè)止擋結(jié)構(gòu)確定。

從每個(gè)零件的角度描述的原理比較支離破碎，下面按照工作過(guò)程逐一討論。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

回路閉合：控制端口連接線圈兩端，線圈和鐵芯共同構(gòu)成一個(gè)電磁鐵。當(dāng)控制電路給線圈供電，鐵芯獲得了磁性，銜鐵被吸合，動(dòng)觸頭跟隨銜鐵同步運(yùn)動(dòng)，與靜觸頭接觸，強(qiáng)電回路閉合。同時(shí)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(gè)臨界值，否則，反力彈簧的拉力大于電磁鐵的吸引力，則動(dòng)觸頭發(fā)生顫動(dòng)，動(dòng)靜觸頭之間的電阻增大。如果高壓回路電流足夠大，接觸電阻發(fā)熱積累在觸頭上，會(huì)造成觸頭表面損毀甚至動(dòng)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(dòng)靜觸頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須有一方面的觸頭不是剛體，而設(shè)計(jì)成能夠產(chǎn)生超行程的彈性結(jié)構(gòu)，即在銜鐵與鐵芯并未接觸之前，動(dòng)靜觸頭已經(jīng)接觸；待鐵芯與銜鐵達(dá)到緊密吸合的狀態(tài)，動(dòng)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(shí)現(xiàn)）。

回路斷開：在正常使用情形下，繼電器切斷電路時(shí)，回路中不應(yīng)該有電流存在。繼電器斷開的過(guò)程如下：控制端口取消繼電器觸發(fā)閉合的信號(hào)，線圈上電流消失，銜鐵在反力彈簧拉力的作用下，向遠(yuǎn)離鐵芯的方向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸頭與靜觸頭分開。

帶載分?jǐn)啵涸诠收匣蛘卟呗栽O(shè)計(jì)不合理的情況下，繼電器可能會(huì)遇到帶電分?jǐn)嗟臓顩r，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(méi)有電流鐵芯不再具有磁性，銜鐵被反力彈簧反向拉動(dòng)離開鐵芯，動(dòng)靜觸頭分離。

動(dòng)觸頭剛剛離開靜觸頭一小段距離的時(shí)候，系統(tǒng)電壓全部加載在動(dòng)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(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生了電弧。動(dòng)觸頭繼續(xù)向遠(yuǎn)離靜觸頭的方向移動(dòng)，電弧隨之拉長(zhǎng)，同時(shí)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(guò)來(lái)，金屬顆粒增加了空氣的導(dǎo)電性，同樣的壓差，可以使距離更遠(yuǎn)的兩個(gè)觸頭之間繼續(xù)維持拉弧狀態(tài)。隨著拉弧的進(jìn)行和蔓延，高溫電弧使觸頭金屬逐漸融化甚至氣化。

如果動(dòng)靜觸頭自然狀態(tài)距離比較遠(yuǎn)，分?jǐn)嗟倪^(guò)程中，動(dòng)觸頭分離的速度比較快，系統(tǒng)電壓比較低，負(fù)載電流比較小，使得整個(gè)燃弧過(guò)程在中間的某一步就停止了，則造成的影響會(huì)停留在當(dāng)時(shí)狀態(tài)，比如觸頭被部分燒損；或者電弧沒(méi)來(lái)的及燃起已經(jīng)被繼電器設(shè)計(jì)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(duì)繼電器的傷害程度會(huì)有區(qū)別。

四、繼電器的關(guān)鍵特性

哪些性能屬于關(guān)鍵特性，站在選型的角度討論如下。

工作電壓，繼電器的電壓等級(jí)，除了決定繼電器絕緣耐壓能力，更是繼電器分?jǐn)嗄芰Φ囊粋€(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。同樣的短路電流，系統(tǒng)電壓越高，分?jǐn)嗟碾y度越大。另一方面，工作電壓還直接決定著系統(tǒng)可能產(chǎn)生的最大短路電流的大小。因此，系統(tǒng)電壓的提高，對(duì)繼電器是一種考驗(yàn)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

工作電流，我們選擇額定電流滿足系統(tǒng)額定電流要求的產(chǎn)品。對(duì)于工況中的沖擊電流承載能力的評(píng)估，其最終的限制條件是溫升和最高溫度。因此，載流能力的選擇需要結(jié)合著工作環(huán)境溫度和最高溫升及溫度要求一起考慮。

分?jǐn)嗄芰?，是我們選擇繼電器的一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)。該參數(shù)需要與系統(tǒng)所用熔斷器及其他負(fù)責(zé)大電流分?jǐn)嗥骷膮?shù)結(jié)合在一起考察。分?jǐn)嗄芰σ欢ǔ潭壬鲜怯衫【嚯x決定的。在空間受限的情況下，分?jǐn)嗄芰Φ奶岣叽嬖谏舷蕖?/p>

短路耐受能力，系統(tǒng)出現(xiàn)短路的極大電流時(shí)，繼電器不能出現(xiàn)起火爆炸等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，主要的與觸頭的通流能力以及觸點(diǎn)之間接觸的緊密性有關(guān)。同樣的，需要結(jié)合負(fù)責(zé)大電流分?jǐn)嗥骷膮?shù)一起考察。

工作溫度，范圍大于等于系統(tǒng)可能提供的環(huán)境溫度范圍。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，繼電器需要降容使用，以滿足最高承受溫度條件為準(zhǔn)。

環(huán)境濕度，對(duì)密封腔體類型的繼電器，環(huán)境濕度的影響只體現(xiàn)在絕緣性能上；而對(duì)于非密封腔體的繼電器，環(huán)境濕度的影響較大，尤其在低溫環(huán)境下。

壽命，還可以進(jìn)一步細(xì)分成機(jī)械壽命和電氣壽命。機(jī)械壽命指繼電器不帶載，反復(fù)斷開閉合一定次數(shù)，繼電器功能正常；電氣壽命，是繼電器帶載（系統(tǒng)正常應(yīng)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的合理載荷）反復(fù)斷開閉合一定次數(shù)，繼電器功能正常。對(duì)于壽命的需求，主要取決于系統(tǒng)的壽命和應(yīng)用工況，以及具體設(shè)計(jì)的各個(gè)場(chǎng)景的上下電策略。

極性，主要與分?jǐn)嗄芰τ嘘P(guān)。對(duì)于有極性的繼電器，分?jǐn)囗槝O性的電流能力較強(qiáng)，而反極性分?jǐn)嗄芰?huì)大大降低。這種現(xiàn)象，主要與繼電器滅弧措施有關(guān)，比如永磁吹弧，永磁鐵極性是有方向的，順極性磁吹可以把電弧拉長(zhǎng)拉斷，而對(duì)反極性的電弧則不會(huì)產(chǎn)生這樣的作用甚至發(fā)生反作用。針對(duì)目前高壓電路中，存在著充放電同口的現(xiàn)象，即放電電流和充電電流都通過(guò)同一段回路進(jìn)出，無(wú)極性的繼電器已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其有針對(duì)性的滅弧措施，避免了電流方向的影響。

五、應(yīng)用

動(dòng)力電池包高壓回路， BMS通過(guò)繼電器控制回路通斷。理想的高壓上下電策略，在高壓回路沒(méi)有電流或者電流非常小以后，繼電器再執(zhí)行斷開回路的動(dòng)作；上電過(guò)程中，在負(fù)載投入工作前繼電器兩端沒(méi)有壓差，高壓回路接通后短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有電流。這樣的上下電過(guò)程，基本上就是一次機(jī)械操作。而機(jī)械壽命和電氣壽命的差異是數(shù)量級(jí)上的差距。

設(shè)計(jì)合理的上下電策略，是內(nèi)功，練好了，以柔克剛；玩命提高繼電器的電氣壽命，練的是硬氣功，遇到打擊，靠死杠?？傅眠^(guò)去也會(huì)受點(diǎn)傷，影響后面的戰(zhàn)斗力；扛不過(guò)去，武功盡廢?？梢哉f(shuō)，良好的應(yīng)用可以提高繼電器的壽命，反過(guò)來(lái)，如果壽命要求不變，則可以降低對(duì)繼電器性能的要求，降低成本則順理成章。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#