淺談新能源汽車用先進陶瓷繼電器產品開發與關鍵技術*

楊 倩 閻蛇民

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

1 陶瓷繼電器在國內的發展概況

電控技術是衡量新能源節能電動汽車發展水平的重要標志，高壓直流陶瓷繼電器是電控系統的核心元件。傳統的繼電器受自身制造技術，特別是觸點間隙小的限制，在接通高壓直流、低功率因素感性負載時，繼電器觸點非常容易出現粘接失效或連續電弧燒火接觸系統失效。為了克服現有技術的不足，本項目研發出一種新型高壓直流真空繼電器，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中，陶瓷絕緣子滑動連接在動觸點組件與推動桿之間，利用陶瓷絕緣子零件良好的真空性能與電絕緣性能，使動觸點和靜觸點無論是在導通或斷開的任何狀態下都與繼電器的導磁軛鐵板、鐵芯等零件構成的磁路系統保持良好的電絕緣，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負載時的斷弧能力，電弧是汽車自燃的主要原因。只有采用“無弧”接通分斷的繼電器產品，才是從根本上解決“自燃”問題的良方。

我國近年來高度重視電動汽車技術的發展。在“十五”期間，啟動了“863 計劃”電動汽車重大科技專項，確立了“三縱三橫”(三縱：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車；三橫：電池、電機、電控)的研發布局，取得了一大批電動汽車技術創新成果。在“十一五”期間，組織并實施了“863 計劃”節能與新能源汽車重大項目——聚焦動力系統技術平臺和關鍵零部件研發。經過兩個五年計劃的科技攻關以及北京奧運會、上海世博會、深圳大運會、“十城千輛”等示范工程的實施，我國電動汽車從無到有，在關鍵零部件、整車集成技術以及技術標準、測試技術、示范運行等方面都取得重大進展，初步建立了電動汽車技術體系，科技創新為我國新能源汽車戰略性新興產業的形成奠定了扎實的基礎。

2 陶瓷繼電器在國外的發展概況

目前，在國際上高壓直流繼電器只有日本松下、美國TE公司及韓國知名公司可以生產，產品銷售價格較高。國內企業在高壓直流繼電器的研發、生產領域尚處于起步階段，因此應加快高壓直流繼電器的產業化。本項目總體目標為采用微晶氧化鋁粉料，通過研制新型微晶氧化鋁陶瓷配方，選用選進的成形工藝制備高致密陶瓷殼體，并優化殼體金屬化參數，最終批量生產出優質高壓直流真空陶瓷繼電器產品。

從國際發展趨勢看，隨著技術的不斷創新與突破，面對金融危機、油價攀升和日益嚴峻的節能減排壓力，2008 年以來，以美國、日本、歐盟為代表的國家和地區相繼發布實施了新的電動汽車發展戰略，進一步明確了產業發展方向，加大了研發投入與政策扶持力度。日本以產業競爭力為第一目標，全面發展混合動力、純電動、燃料電池3種電動汽車，研發和產業化均走在世界前列；美國以能源安全為首要任務，強調插電式電動汽車的發展；歐盟以CO2排放法規為主驅動力，重視發展純電驅動汽車，僅德國國家電動汽車平臺就計劃投入近50億歐元。

3 新型陶瓷繼電器的發展

節能、環保是當今社會發展面臨的重要問題。汽車的大量使用，加劇了能源危機和大氣污染問題，電動汽車由于具有節能和低污染等優點，而成為當代汽車發展的主要方向，其研發與應用已成為世界汽車工業發展的大趨勢，也被認為是汽車產業新的增長點。

從技術層面看，混合動力電動汽車技術逐漸成熟，已進入產品市場競爭期，率先實現產業化，正成為汽車市場銷售新的增長點，其中日本市場混合動力電動汽車已占到汽車銷量的10%左右；純電動汽車電池技術進步加速，使整車產品更接近消費者的需求，插電式電動汽車作為一種具有純電動和混合動力雙重特征的電動汽車技術已成為全球新的研發熱點，以電池租賃為代表的純電動汽車商業模式創新取得進展，世界主要汽車制造商加快了純電動汽車量產步伐，率先上市的日產LEAF 車型銷售勢頭良好，各大汽車公司多種小型純電動轎車已在2013～2015年密集上市；燃料電池轎車在動力性、安全性、續航里程、低溫啟動等性能指標方面已接近汽油車水平，且燃料電池汽車整車成本顯著下降。

4 我院研制的陶瓷繼電器的性能、節能分析及其優勢

高壓直流陶瓷繼電器主要分兩個部分：陶瓷殼體和金屬動觸件。其中最主要的陶瓷殼體材質為95氧化鋁陶瓷，目前主要選用微晶氧化鋁材料，配以燒結助劑，經特珠工藝燒結為成品，咸陽陶瓷研究設計院有限公司下屬的精細工業陶瓷廠能批量加工生產氧化鋁陶瓷，其相關設備有：氧化鋁襯球磨機，超細粉碎機、壓力式噴霧干燥機、熱壓注機和蠟機、雙通道高溫推板窯、雙面磨床等硬件設施，項目落實后再增加部分金屬化設備就可完全滿足項目產品試驗和生產要求。

采用微晶氧化鋁粉料為原料，通過研制氧化鋁陶瓷配方，選用先進的成形工藝，制備出高致密陶瓷殼體。利用正交試驗法優化殼體金屬化參數，最終研制并批量生產出優質高壓直流真空陶瓷繼電器產品。傳統的繼電器受自身制造技術，特別是觸點間隙小的限制，在接通高壓交流、高壓直流、大直流電機、低功率因素感性負載時，繼電器觸點非常容易出現粘接失效或連續電弧燒火接觸系統失效。為了克服現有技術的不足，本項目參照真空高壓開關產品，研發出一種新型高壓直流真空繼電器，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中，陶瓷絕緣子滑動連接在動觸點組件與推動桿之間，利用陶瓷絕緣子零件良好的真空性能與電絕緣性能，使動觸點和靜觸點無論是在導通或斷開的任何狀態下都與繼電器的導磁軛鐵板、鐵芯等零件構成的磁路系統保持良好的電絕緣，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負載時的斷弧能力；構成真空腔體及其內部所有的零件均具有足夠低的飽和蒸汽壓，且經過高溫烘烤排氣，使真空腔體中的真空度能夠長期保證繼電器切換大電流、直流高電壓負載的工作需要。

未來10年將是全球汽車產業轉型升級的重要戰略機遇期。我國汽車產銷規模已居世界首位，為應對日益突出的燃油供需矛盾和環境污染問題，發展節能與新能源汽車已成必然趨勢。目前，節能與新能源汽車示范運行范圍逐步擴大，基礎配套設施在逐步完善，國民消費理念逐漸形成，推廣空間將更為廣闊。陜西省節能與新能源汽車發展具有一定基礎和優勢，部分產品已走在全國前列，產業發展潛力較大，在今后一個時期內，國家政策支持力度將進一步加大，市場需求引導作用更趨明顯，必須抓住機遇，采取有力措施，推動陜西省節能與新能源汽車產業的發展。

電動汽車作為一種純電動力的車輛，采用蓄電池工作方式，功率在50 kW以上，電壓在300 V以上，車輛內各種控制線路復雜交錯。傳統的直流繼電器經過若干次切換后，接觸電阻增大，自身發熱量高，影響蓄電池的利用率。而應用本項目開發的“無弧”直流繼電器切換10萬次以上，接觸電阻也不會發生變化，更加不存在傳統直流繼電器在起弧的瞬間對系統造成的電磁干擾。該款產品將電力電子器件與有觸點產品有機結合，大幅度地提高了滅弧性能，相對于國外產品使用高昂的觸頭合金材料和復雜的加工工藝，降低了成本，并且電氣壽命高達10萬次。與傳統繼電器相比，可以無弧通斷感性負載、安全的隔離功能、結構簡單、可靠性高；與功率半導體器件相比，無需外配散熱器件，大大減小了產品體積，無需單獨配置驅動電路，產品的應用前景將更加廣闊。陜西省目前著力增強關鍵零部件研發配套能力，鼓勵整車企業控(參)股關鍵零部件企業，加大技術合作和研發投入，加大關鍵零部件基礎研發，提升產品核心競爭力和技術水平，提高配套能力。本項目的實施和產品開發基本滿足我省節能與新能源汽車發展供應需求。與之相應以節能與新能源汽車發展，吸引和帶動社會資本、民營企業投資汽車基礎關鍵零部件研發生產。

5 結論

高壓直流陶瓷繼電器是新能源汽車行業技術含量較高的新材料類產品，也是國家及陜西省重點扶持產業。本項目的技術成果無論在經濟、技術還是市場前景方面都有良好的發展趨勢，并且項目的實施可提高新能源產業在國際上的技術水平，對提高民族企業技術水平和競爭實力有著深遠的影響。