高壓直流接觸器驅動線圈泄放回路淺析

【摘" 要】文章介紹高壓直流接觸器在動力電池PACK中的應用特性，分析高壓直流接觸器驅動線圈泄放回路的工作原理。針對其應用特性改進線圈泄放回路設計，從而延長接觸器的電氣壽命，提高整車電氣安全。

【關鍵詞】高壓直流接觸器；線圈；泄放；電弧；開斷時間

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0068-02

Analysis of the Drive Coil Current Discharge of HVDC Contactor

GE Man

（Shanghai Xuanyi New Energy Development Co.，Ltd.，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In this article，the application characteristics of HVDC contactor in power battery PACK are introduced，and the working principle of the drive coil drain circuit of HVDC contactor is analyzed. According to its application characteristics，the coil bleed circuit design is improved，thus extending the electrical life of the contactor and improving the electrical safety of the vehicle.

【Key words】HVDC contactor；coil；discharge；electric arc；breaking time

1" 引言

在新能源汽車不斷發展逐漸成為汽車消費主流的當下，新能源汽車的關鍵部件動力電池PACK經過不斷發展也已日漸成熟。而高壓直流接觸器作為動力電池PACK的重要電氣部件，它的性能表現直接影響整車的基本功能和電氣安全。

在動力電池PACK的電氣拓撲回路（圖1）中，高壓直流接觸器有承載工作電流和隔離電池電壓的基本功能，在整車故障時，高壓直流接觸器又起著切斷故障電流，保護人員安全的關鍵作用。各高壓直流接觸器廠家也在通過升級材料和工藝以提高接觸器的電流耐受、開斷能力，從而延長其電氣壽命。但是在高壓直流接觸器的應用環節，有一個關鍵點很容易被大家忽視，就是高壓直流接觸器驅動線圈的泄放回路設計，該回路設計的正確與否直接影響接觸器的開斷能力和電氣壽命等關鍵性能。

2" 高壓直流接觸器驅動線圈泄放回路原理

2.1" 傳統設計

在傳統工業設計中，一般會在接觸器或繼電器的驅動線圈兩端并聯續流二極管作為其開斷時驅動線圈的泄放通道，從而達到保護驅動電路的目的，如圖2所示。在接觸器或繼電器開斷時，驅動線圈作為一個電感元件，會產生很高的反向電動勢。

在整車故障時，需要高壓直流接觸器開斷故障電流，由于是高壓直流電路，接觸器開斷時會在接觸器觸點兩端產生電弧。跟交流電路不同，交流回路中的電弧會因電壓過零點而自行熄滅，而直流電路中的電弧需要輔助滅弧才能熄滅。當電弧不能快速熄滅時，高溫高壓的電弧可能會導致接觸器粘連不能分斷，甚至接觸器爆裂、電弧泄漏等更嚴重故障，所以接觸器開斷時電弧的及時熄滅相當重要。除了接觸器本身的磁吹滅弧以外，接觸器觸點的開斷速度對電弧的熄滅也有著重要影響，觸點分斷速度越快，電弧越易被迅速拉長冷卻，從而更快更容易熄滅。但是仍使用續流二極管來保護驅動線圈電路時，驅動線圈中的電流衰減較慢，會減緩觸點的分斷速度，從而影響電弧的熄滅，最終導致接觸器故障或電氣壽命縮短。

2.2" 設計改進

設計一種電路，既能保護驅動線圈電路又能不影響觸點的分斷速度。在原先的二極管回路上串聯一個TVS管，如圖3所示。在接觸器開斷時，由于線圈的電感特性，線圈電流快速減小，反向電動勢快速變大，當電動勢達到TVS管的導通電壓時，線圈兩端電壓被鉗制在該電壓值，如圖4所示，從而保護了線圈的驅動回路，同時由于線圈的電流快速減少，接觸器觸點得以快速分斷。

2.3" TVS選型分析

TVS的參數主要包括額定反向關斷電壓V_RWM、最大鉗位電壓V_C（MAX）、最大峰值脈沖功率P_PK。選型時，以12V電氣系統為列，TVS額定反向關斷電壓V_RWM需要大于被保護電路的最大工作電壓V_CC，一般最大工作電壓V_CC=16V，V_RWM＞16V，可取V_RWM=18V。最大鉗位電壓V_C（MAX）應滿足驅動回路不超過其耐壓值V_MAX，驅動回路耐壓值V_MAX一般選擇其最大工作電壓的1.8倍，即V_MAX=1.8×V_CC=28.8V，V_C（MAX）＜28.8V，可取V_C（MAX）=26V。最大峰值脈沖功率P_PK=V_C（MAX）×I_P，I_P為驅動回路最大電流，即I_P=V_CC/R，R為驅動回路電阻，近似為線圈電阻，所以P_PK=V_C（MAX）×（V_CC/R）。若線圈電阻R=24Ω，則P_PK=26×（16÷24）≈17.3W。綜上所述，選擇的TVS管參數為：V_RWM=18V，V_C（MAX）=26V，P_PK=17.3W。可選型號為SMAJ16A-E3/61。

3" 仿真分析

為了對比2種方案對觸點開斷速度的影響，使用Multisim軟件進行仿真，仿真電路如圖5所示。使用電阻和電感串聯模擬接觸器線圈，R1與L1模擬接觸器線圈1，兩端并聯二極管D1，R2與L2模擬接觸器線圈2，兩端并聯二極管D3和TVS管D4，三極管Q3、Q1通過開關S1控制斷開，使用示波器測量R1、R2電阻兩端電壓。以R1、R2兩端電壓到達0V時作為接觸器觸點完全斷開的時間。以一個常用的額定電流200A，額定驅動電壓12V的高壓直流接觸器為例，電源V1電壓設置為12V，R1、R2阻值設置為24Ω，電感L1、L2電感值設置為130mH，D4型號為SMAJ16A-E3/61，額定反向關斷電壓V_RWM為16V，最大鉗位電壓V_C（MAX）為26V，最大峰值脈沖功率P_PK為400W。

閉合S1，使Q3、Q1導通，待R1、R2兩端電壓穩定后，斷開S1，使Q3、Q1斷開，觀察示波器波形，記錄電壓從12V衰減到0V的時間。仿真結果顯示，僅并聯續流二極管的方案，電壓從12V衰減到0V耗時大約12.5ms（圖6藍色曲線），并聯二極管加TVS管的方案，電壓從12V衰減到0V耗時大約2.4ms（圖6紅色曲線）。顯然并聯二極管和TVS管的線圈電流衰減更快，從而觸點分斷也更快速。

4" 總結

從原理分析以及仿真結果可知，在新能源汽車動力電池PACK中，高壓直流接觸器驅動線圈回路使用TVS管加二極管的泄放回路能大大提高接觸器的開斷速度，減少故障電流和觸點電弧的存在時間，從而延長了接觸器的電氣壽命，提高了整車電氣安全。

參考文獻：

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-08-03

作者簡介

葛滿（1987—），主要從事動力電池系統設計工作。