【电动汽车资源网EV江湖 Bentty李清】喜欢军事的小伙伴们想必对“海湾战争”中有款“坦克杀手”,对,就是美国军方的武装直升机“科帕奇”记忆犹新。这款明星上有颗赫赫有名的气件,就是Kilovac的高压继电器且已经走向民间。Kilovac从1964年就开始做高压方面的,主要是跟着美国的国防和太空计划,在空间站上用的,后来在直升机/战斗机上用,美国军方玩的是200V+的直流系统,这家公司推动了真空、加压高压继电器和接触器的发展。
2002年泰科(TEConnectivity) 收购了Kilovac品牌的高压接触器产品,Kilovac都是高大上的运用,航空航天级的。所以高压高电流产品随着新能源汽车的发展,也被“拿来主义”运用起来。这颗EV200最早是科帕奇直升机上用的。之前的文章我有聊到,新能源汽车及其部分核心气件渊源于军事用途,从此可以窥见一斑。
高压继电器的应用领域非常广泛,如前几年火爆的光伏市场等,新能源汽车领域如直流充电桩、DC、水暖PTC 充电机、风暖PTC、动力电池、高压箱、电动空调等涉及到高电压部分的地方,都会用到高压继电器,与熔断器算是一对好基友了,下文主要这个核心气件聊聊在PUD里面的应用。
先来看看高压配电盒,简称PDU(Power Distribution Unit),新能源车高压系统解决方案中的高压电源分配单元。通过母排及线束将高压元器件电连接,为新能源汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。PDU也能够集成BMS主控、充电模块、DC模块、 PTC控制模块等功能,与传统PDU相比多了整车功能模块,功能上更加集成化,结构上更复杂,具有水冷或是风冷等散热结构。PDU配置灵活,可以根据客户要求进行定制开发,能够满足不同客户不同车型需求。BDU(Battery Disconnect Unit )电池包断路单元,专为电池包内部设计,也是高压配电盒的一种。
高压继电器原理介绍:
高压继电器简单理解就是用较小的电流去控制较大电流的一种自动开关。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。高压继电器控制的主要目的是保证电池系统上下电的正常进行,在汽车启动时闭合高压继电器上电,在汽车停车熄火时断开高压继电器下电。高压继电器控制属于汽车电子电气系统,其失效形式可能会对驾驶员的生命安全造成伤害,因此应该按照ISO26262标准进行开发,以满足功能安全要求。
高压继电器状态监控主要是通过检查高压继电器的触点状态来判断高压继电器工作状态是否符合控制要求,避免在高压继电器打开的情况下给高压回路施加电气负载,以及在高压回路有较大电气负载的情况下断开高压继电器。高压继电器的触点检测可以准确发现高压继电器粘连情况,防止在高压继电器粘连情况下误操作损坏高压回路元器件,同时合理操作高压继电器(打开/闭合),延长继电器使用寿命。高压继电器触点检测方法采用带辅助触点检测的高压继电器,也可以单独设计辅助触点检测电路,通过检测高压继电器两段的电压来判断高压继电器触点的打开/闭合状况。
高压继电器的两种典型技术路线(陶瓷密封和环氧树脂密封)
陶瓷密封,这个技术路线以松下为代表;另一种是环氧树脂密封,这个以TE为代表。其实还有种是固态的,目前应用不多,有知道的小伙伴,欢迎补充。
高压直流继电器为什么要充气体?气体的灭弧原理是什么?陶瓷封装的(松下)为什么充氢气,而环氧封装的(TE)为什么充氮气? 直流电和交流电的区别主要在于直流电没有过零点,一旦形成电弧,不会自己熄灭,会持续燃弧,这对触点是致命的损伤!而电弧的本质是什么?是电子在电场力作用下的逸出,是极端放电。因而灭弧有两种方法,其中一种方法是加大触点间隙(磁吹灭弧的本质是利用洛伦茨力改变电弧的通路,可以理解为加大了触点间隙,如果只是物理上加大触点间隙,而不用磁吹灭弧,相应的继电器磁间隙也要很大,那同样的负载能力下,体积和重量大的无法想象),另外一种方法就是在触点之间有一种物质,可以阻断电子的路径,能想到的最好的方法就是充气体了。充气就很讲究了,第一要求气体很活跃,气体活跃就更容易与电弧逸出的电子碰撞,从而产生阻断效应,并且更容易带走热量。第二要求气体本身的分子结构很稳定,本身自带的电子不容易逃逸。根据以上两个要求,自然而然想到氢气是灭弧的首选气体,氢气分子量在所有气体里面最小,也最活跃,分子结构也足够稳定。所以这是松下,宏发等的技术路线,因为他们走的是陶瓷封装的路线。TE为什么不充氢气,而是充氮气,因为他们是环氧树脂封装。氢气是最好的灭弧气体,但他分子量小,要封住使之不泄露,环氧树脂做不到,只能退而求其次选择氮气。
对灭弧处理方式不同,是他们产品在尺寸、使用寿命、价位等方面的差异,没有绝对的优劣,只有适合自己的选择。
典型的陶瓷密封高压继电器 典型的环氧树脂密封高压接触器
高压继电器的初选:
1. 了解客户初步需求:如额定电压,额定电流,充放电峰值电流,峰值电流持续时间,抗震性能,工作环境要求,海拔高度,车辆的运行模拟工况等等;
2. 高压继电器的常用参数:触点参数、常开触点、常闭触点、性能参数、绝缘电阻、耐压、工作电流、工作电压、安装孔尺寸、安装孔大小等等;
3. 先根据额定电压选匹配型号,大多高压继电器电压范围很广,可以匹配大多应用场景,这个只是参考;
4. 根据额定电流继续缩小范围选择型号,选择比额定电流大,且接近的高压继电器,比如额定电流200A,比如某厂商额定电流200A高压继电器上面规格是额定电流250A继电器,暂时选择250A后,进一步确认信息,高压继电器技术参数见下页图1;
5. 根据客户提供峰值电流预估预期使用寿命,见下页图2高压继电器预期寿命;
6. 根据电池包电气性能预估短路电流,根据预估短路电流估算短路电流,根据电路电流预估高压继电器失效时间;
7. 比较重要的一步:把短路时高压继电器失效时间和熔断器失效时间做对比,短路时继电器失效时间比熔断器失效时间要长,自行比对或者让继电器厂商做比对都可以。
图1
图2
市场性前瞻:
如在前面提到的,高压继电器与熔断器是对好基友,有熔断器的地方基本都会用到高压继电器,当然,MSD除外。一辆新能源车上会用到6-10个不同电流的高压接触器,再加上充电桩等,市场蛋糕还是不错的。产品品牌方面如上文提到的TE和松下,国内的宏发、苏州安来强科技等也在发力,表现抢眼。国内的部分企业有配套着中国的军方需求,也开始切入民用市场,如蚌埠的40所等等;还有低压直流接触器向上拓展的东亚电子等等不再一一累述。
还有部分大市场应该是在低速车,随着铅酸电池锂电化,高压继电器将是迎来又一春,您有关注吗?
以上仅是针对在PDU高压接触器的部分见解与认。高压接触器在直流充电桩、动力电池、电动空调等场景应用不尽相同,电流持续时间,抗震性能,工作环境要求,海拔高度,寿命要求等,需要设计选型根据不同的工况来综合考虑,本文不作为您设计与选型最终参考。
近期技术文章预告:PDU核心电气件介绍与选型--聊聊高压连接器和MSD,敬请期待。
(来源:电动汽车资源网EV江湖 Bentty李清)
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