純電動乘用車高壓繼電器應用與實踐

張長濤 李威 曲振寧 盛毅 王伯軍

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

0 引言

隨著新能源汽車技術發展，電動汽車市場快速發展。中國汽車工業協會數據顯示，2021 年，新能源汽車產銷量超過350 萬輛，市場占有率達13.4%，同比均增長1.7 倍[1]。2022 年，新能源汽車產銷量超過680 萬輛，市場占有率提升至25.6%，同比均增長約1 倍[2]。

新能源汽車一般采用高壓電池組為電動汽車提供動力，在動力電池系統或相關高壓總成中配置高壓繼電器，以保證電氣系統正常通斷。當系統停止運行后，高壓繼電器起到高壓隔離作用；系統運行時，高壓繼電器起高壓連接作用；當車輛高壓下電或發生故障時，高壓繼電器能安全地將車輛高壓電氣系統分斷。因此，高壓繼電器是新能源汽車關鍵安全器件。

電動車領域，針對高壓繼電器的工況電流，一般評價方法是長時工作電流和短時工作電流，對應是整車在急加速下的最高電流，和最高車速下的工作電流。但綜合真實的測試工況或用戶使用工況，目前尚未形成明確的數據參考。尤其在新能源超跑車和高性能四驅車的比例越來越多，整車的工作電流（特別是在急加速情況）較傳統電動車工作電流有較大提高。

近來越來越多的總成方案將動力電池與高壓配電、車載電源進行大集成或將高壓配電、車載電源與電驅系統進行大集成。由于集成度高，大集成方案的高壓繼電器的使用環境（如工作環境溫度、振動要求）比普通電池包上布置的高壓繼電器使用環境更加惡劣，因此大集成方案的高壓繼電器性能需要有更細致的評估。

本文主要針對電動乘用車的高壓繼電器性能參數現狀進行分析，并依據使用需求、車輛的應用技術情況，對電動乘用車適應的評價工況給出建議，并針對高壓繼電器的性能要求增加了視覺評估內容。

1 國內外高壓繼電器技術現狀

新能源車主回路用高壓繼電器一般工作電壓較傳統在200～1 000 V 以內，額定工作電流一般在400 A 以內。同時需要高壓繼電器具備抗沖擊、滅弧能力強和分斷能力強的基本功能（表1）。

表1 高壓繼電器功能要求

國外主要有松下、歐姆龍和泰科3家企業，國內主要有宏發、國立、比亞迪3家高壓繼電器生產企業，目前均已經推出了較齊全的量產規格高壓繼電器產品，未來也在進行輕量化和節能化的產品規劃。

1.1 高壓繼電器主要參數指標-工作電流

高壓繼電器的重要性能指標之一是高壓繼電器的工作電流，包括額定工作電流，短時沖擊電流。一般規格書中參數如表2所示。

表2 高壓繼電器電流耐受參數

1.2 高壓繼電器參數-一般指標

目前高壓繼電器的參數一般指標如表3所示。

表3 高壓繼電器一般指標

1.3 高壓繼電器應用現狀

目前國內外高壓繼電器企業主推新款小型化高壓繼電器，額定電流為250 A∕300 A居多，如表4所示。

表4 企業主推高壓繼電器現狀

目前國內外汽車企業一般應用的高壓繼電器為額定電流250 A和300 A居多，如表5所示。

表5 車企應用技術現狀

綜合對比各地區高壓繼電器應用技術現狀，可以看出：

（1）日企多以100 A小電流高壓繼電器為主，車企應用180 A 及以上，中國車企已經應用了250 A 及以上規格。

（2）歐美日等開始推廣250 A 和300 A 規格小型化繼電器。

（3）國內主流應用250 A 和300 A 小型化規格高壓繼電器，目前已有機構在研發電流為400 A 以上的大功率繼電器。

2 純電動乘用車高壓繼電器應用

2.1 高壓繼電器控制要求

朱楚梅[3]針對電動汽車高壓繼電器控制應用技術進行了研究，總結了例如高壓繼電器的控制要求、預充保護、高壓上下電流程管理以及高壓繼電器的狀態監測信息，內容比較系統全面，目前各主機廠在高壓繼電器方案設計中均有應用。

2.2 應用需求及設計選型

根據整車常見工況，進行仿真與實測電流數據整理，主要提取了整車最高車速持續行駛和最高速加速工況的電流，整理后的結果見表6。

表6 電流工況計算A

按表6數據進行估算并參考表2高壓繼電器的規格參數，選用Ⅰ品牌300 A規格繼電器。因為從0到最高車速的加速工況電流在規格書中沒有對應參數可參考匹配，故后續通過臺架試驗進行驗證。

2.3 高壓繼電器應用

劉金配等[4]提出的關于高壓繼電器的應用選型中，針對高壓繼電器相關工況的動作壽命和切斷能力考核項目提出了比較詳細的闡述。

目前高壓繼電器在各工況電流測試后，一般只會復測基本電氣參數以作對比分析。但高壓繼電器在測試前后的線圈電阻、接觸電阻、吸合釋放電壓參數一般并無明顯變化。

目前各家主機廠均存在一部分高壓繼電器在臺架測試上通過，整車試驗后期才出現的高壓繼電器故障，例如粘連。在出現高壓繼電器粘連后需要做系統性的粘連分析，參考葛俊良等[5]闡述的排查思路做分析。此外，還需要在整車上進行實車電壓、電流的采集，如圖1所示，并需要對報文進行采集讀取分析時序工作，如圖2所示。排查問題需要詳細分析時序并比對上電期間的電壓、電流，分析過程冗長。

圖1 實車采集電壓電流

圖2 報文時序分析

2.4 多合一集成中高壓繼電器應用

近來有高壓電驅與高壓配電、車載電源進行大集成或動力電池與高壓配電、車載電源集成的多合一進行大集成的趨勢，比如華為及比亞迪公司的電驅多合一方案。多合一集成后高壓繼電器相應的需要集成至電驅內或者靠近車載電源部件，高壓繼電器的使用環境溫度較原動力電池包內更為惡劣，需要充分考慮環境溫度、工況變換對繼電器的影響。

丁永根等[6]針對新能源汽車驅動電機殼體冷卻結構做了熱仿真的分析，參考此內容建議多合一內高壓配電部分在設計初進行模型熱仿真，以減少后期設計更改的風險。參照衡鳳琴[7]提出的配電盒仿真設計，可做出如圖3的設計模型，進行相關熱仿真，評估繼電器的熱風險。

圖3 高壓配電熱仿真模型

2.5 高壓繼電器失效分析

近來有不少文章針對高壓繼電器的失效做了較詳細的分析。如趙小巍等[8]針對其故障進行了較詳細的故障診斷方法論述。伍昆[9]也針對在整車系統中出現故障的排查分析做了較詳細的闡述。目前未有針對高壓繼電器在整車故障前各項測試期間進行問題提前預警分析的研究內容。

3 多合一集成中高壓繼電器應用案例

3.1 高壓繼電器仿真

按某項目采用的多合一方案中高壓配電的數據模型，參照王燕兵等[10]提出的繼電器仿真模型并做相應簡化，參照衡鳳琴[7]提出的配電盒仿真設計進行熱仿真設計，形成初步計算數據，如圖4。

圖4 高壓配電熱仿真模型

3.2 應用測試與驗證

針對使用工況，進行了4項測試，如表7所示。

表7 高壓繼電器測試工況

各個測試繼電器樣件觸點溫升測試結果滿足要求。

測試前后對高壓繼電器進行線圈電阻、接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓參數作對比；測試后，拆解測試樣品，觀察比較觸點變化。

3.3 使用工況分析及建議

某項目采用3個品牌300 A規格的高壓繼電器做前期測試對比。根據路試中相關采集的數據發現，該高壓繼電器使用中電流較大的路試工況主要有：

（1）急加速沖擊工況：按0 A～1 200 A～0 A，共持續15 s沖擊，間隔30 s，進行20個循環，如圖5所示。

圖5 急加速工況電流

（2）耐久工況，峰值電流600 A 持續4 s,平均額定電流＜240 A，總持續時間為45 min，如圖6所示。

圖6 耐久工況電流

按實際使用工況，持續電流小于高壓繼電器的額定工作電流；大沖擊電流頻次較前期試驗明顯增多，試驗方案需要進行相應的調整。

3.4 繼電器分析

在各個工況測試前、中、后分別對高壓繼電器參數進行記錄，并對比如表8所示。

表8 繼電器參數對比

根據表8數據，能看出測試前后并無太大變化，基本參數信息并不能明顯表征各高壓繼電器試驗前后的變化。

王燕兵等[10]針對繼電器觸點瞬態接觸傳熱進行了模擬分析；翟國富等[11]針對繼電器觸點侵蝕及失效模式做了相關分析。本項目測試后，對拆解后的繼電器觸點進行觀察比較。拆解高壓繼電器觸點觀察，如圖7所示。

圖7 臺架測試后高壓繼電器觸點狀態

在測試后能明顯看出各繼電器觸點受損情況（觸點有較淺熔池痕跡、拍打痕跡、材質轉移），實際情況也是觸點的損傷越大，后期越容易發生粘連。發生粘連的高壓繼電器觸點均有明顯熔池及材質轉移。

在整車實際使用中，因為有不同的高壓上電下電及充電的相關工況，需要針對工況做更細化的測試后進行觸點狀態評估確認。

3.5 應用復測工況

根據路試工況，準備Ⅰ品牌、Ⅴ品牌和Ⅵ品牌的相同規格高壓繼電器，在臺架上進行如表9所示的工況比較測試。

表9 工況比較

以上所有測試完成后，多家企業各款高壓繼電器基本動作狀態均良好。

3.6 繼電器復測評估

整車在所有耐久和動力性試驗完成后，高壓繼電器均正常。未進行基本參數測試對比，僅拆解部分繼電器進行觸點評估，如表10所示。

表10 高壓繼電器觸點形態

高壓繼電器在經受不同的使用工況后，觸點形態表現出明顯不同。在整車環境中應避免出現容性接通和大電流分斷及短路情況。

不同品牌的高壓繼電器觸點在相同的使用條件下，觸點狀態也有所不同。測試后觸點無明顯變化的繼電器性能更好。

4 高壓繼電器使用工況分析與建議

4.1 高壓繼電器仿真設計

高壓配電部分按布置環境數據，對高壓繼電器及其相關的電連接部件，提前進行熱仿真分析。

4.2 高壓繼電器考核要點

高壓繼電器考核要點見表11所示。

表11 高壓繼電器考核工況

4.3 應用工況設計評估

高壓繼電器結合實際試驗工況及用戶使用工況，進行臺架測試：

按表11進行試驗考核，試驗前后分別檢測高壓繼電器基本性能參數。

以上結合真實的測試工況或用戶使用工況，來更好地用整車工作電流評估高壓繼電器的應用情況。

4.4 繼電器觸點評估

在測試后需要評估高壓繼電器觸點狀態，以更好地應用高壓繼電器。

（1）試驗后檢測繼電器基本性能；

（2）最終需要進行繼電器拆解評估觸點狀態。

5 結論

本文梳理了現有電動乘用車主要應用的高壓繼電器規格，并對其應用參數進行相關分析，重點提出高壓繼電器的考核不能僅測試工況后檢查基本參數，還需要對高壓繼電器觸點進行評估分析。由此對電動乘用車，尤其是包含高壓繼電器的多合一集成部件后，對高壓繼電器可靠應用進行了詳細論述。