高壓接觸器在新能源車型上運用和安全

伍 昆

（奇瑞商用汽車有限公司，安徽 蕪湖 241001）

1 引言

當前，能源危機和環境污染與日俱增，發展高效、節能、零排放的環保型純電動汽車已成為國內外汽車工業發展的必然趨勢。相比傳統燃油車，電動汽車內含有高壓部件，包括所謂的大三電 （電機、電機控制器、動力電池）和小三電 （電動壓縮機和高壓加熱PTC、DC／DC）等，新能源系統圖詳見圖1。

圖1 新能源系統圖

高壓電源的控制和分配主要通過新能源汽車高壓配電盒內的繼電器通斷實現，常見的高壓配電盒為BDU電池包配電單元和PDU動力配電單元，高壓接觸器分布 （圖2）是一個典型電池包配電單元，BDU包括總正、總負、快充正負、附件、預充總計5類高壓直流接觸器。PDU包括電機、DC／DC、加熱、OBC等幾類高壓直流接觸器。

這些高壓部件通過繼電器控制如高壓系統控制 （圖3）紅線所示，高壓直流接觸器作為目前新能源車輛上使用的關鍵安全器件，一直受到整車廠和高壓盒以及接觸器廠家的高度關注，重點表現在接觸器在緊急狀態下需要直接進行帶載分斷，以保證整車的安全。

2 高壓繼電器常見問題現象描述

一般情況下，當使用高壓直流接觸器作為安全開關時，在實際的調試車和路試過程中，我們遇到了各種各樣因為直接或者間接由繼電器反映出來的問題，主要有以下幾個方面。

1）接觸器觸點粘連主要包括：①控制異常導致過大的沖擊電流；②預充未達預期效果導致過大的沖擊電流；③低壓電路保護電路問題或者反向電流。

2）接觸器觸點與銅排連接接觸面積不夠，發熱嚴重，或熔焊。

3）使用環境及其他導致的問題主要包括：①超過接觸器使用溫度范圍，會導致接觸器的動作參數超過指標范圍，常見于混動車型靠近排氣管等外因；②異物、油污等容易導致接觸器觸點發熱異常；③裝配和運輸導致。

以上3大類問題中最為嚴重和常見故障為接觸器觸點粘連，以下為具體的機理分析和診斷。

3 高壓繼電器粘連失效機理和對應的誘因

高壓直流繼電器接通引起的粘連失效機理：由于整個動力母線上存在容性負載如電機控制器、DC／DC、空調壓縮機等，當繼電器接通的瞬間，在主回路上會產生很大的接通浪涌電流，如果預充回路元器件或者BMS控制邏輯設計不合理會直接導致繼電器受到遠超其能承受的電流沖擊，觸點在閉合時，觸點回跳時所產生的反復拉弧可能在短時間內釋放巨大的熱量 （尤其是受到大電流沖擊時），使接觸面局部快速加熱、軟化、熔化，然后迅速冷卻、凝固導致觸點材料連接一體，進而在分斷過程中阻礙觸點脫離接觸形成類似于電焊過程的粘連。如果繼電器兩端的壓差不是很大，預充不充分的情況下浪涌電流不是太大 （幾百安培）可能導致繼電器微粘連或者在觸點產生燒結點，影響繼電器使用壽命。

同樣整車下電斷開繼電器也是如此，所以一定要控制好通斷時的電流，無論是完全粘連還是微粘連都會導致整車無法斷高壓，高壓主回路都帶大于60VDC的電壓，給售后維修人員和駕駛員的安全都帶來了隱患。所以需要在高壓安全和電池包系統以及整車路試多輪的試驗中反復驗證，杜絕此類事件發生。

圖2 高壓繼電器分布圖

4 高壓繼電器粘連的現象描述和初步判斷

在第一輪電池包調試過程中發現，總正繼電器時而粘連，時而恢復正常。初步判斷為BMS控制邏輯異常或者預充不充分導致繼電器微粘，具體分析如下。

4.1 高壓繼電器閉合及斷開過程邏輯

1）VCU監測整個高壓系統的狀態，BMS監測電池包狀態并控制繼電器。

2）VCU監控MCU以及BMS，并決定允許高壓繼電器閉合上電或不同等級下電，BMS控制高壓繼電器的高邊或者低邊閉合或者斷開。

3）BMS在收到VCU上電指令，進行絕緣和自檢完成后進行預充并監控電流和電壓，閉合總正和總負繼電器，整車上電。

圖3 高壓系統控制圖

4）如整車需要下電或者電池包內部故障，BMS也需要發高壓繼電器的斷開請求，VCU通知所有高壓部件有序地卸載降低電流，以防繼電器在大電流的情況下閉合或者斷開。

5）在緊急情況或電池包內部故障，VCU在規定時間沒有完成上述動作，BMS可以強制斷開，執行高壓繼電器斷開過程，反饋繼電器狀態。

6）BMS對高壓回路進行保護監測到粘連故障后，在下一次上電時禁止其他繼電器閉合確保安全。

4.2 高壓繼電器粘連判斷過程

測試上電完成后，BMS在發出下電指令后，在上位機讀出總正負載一側仍然有電壓，后用萬用表對圖4的4個點進行測量，判斷為總正繼電器粘連。

圖4 檢測點

實測 （圖5）標識出的4個檢測 點 a／b ／c ／d，其中以電池負極（a點）為整個采樣電路的參考地，粘連檢測的過程被嵌入到整車上電和下電的過程中。

BMS在高壓繼電器判斷過程的局限性：采樣電壓值的方法還涉及到負電壓和母線電容殘留電壓的影響，這種方法很麻煩，也不太準確，尤其是主負繼電器的故障判斷；只能判斷有粘連，沒有辦法判斷為啥粘連和粘連的過程分析。只能通過車輛的診斷，報出主正繼電器粘連故障碼具體的問題，還需要用示波器對上電時序過程進行仔細地調查分析和驗證。

圖5 實測圖

5 高壓繼電器粘連的測試和時序分析

1）測試目的：高壓時序問題進行現場驗證測試上電時，主負繼電器、預充繼電器與主正繼電器閉合時序。

2）硬件環境：包含整車控制器、電機、電池包、電池管理系統等。

3）軟件環境：電池管理系統、CANOE、BMS上位機等相關軟件。

4） 測試工具：示波器（圖6）、CANOE、萬用表、筆記本電腦。

圖6 示波器

5）測試方法：①電腦通過CANOE接到CAN回路，上位機通過電池包內CAN回路使用CAN軟件實時監控報文；②示波器探頭分別連接到電池包內部引出主負、放電、預充繼電器線束輸入和高壓端。

6）測試結果：①測試波形 （圖7）為整車帶電機等負載進行上電時序的波形。②根據波形分析上電時序不正常，預充繼電器在主正繼電器閉合后延時約50ms斷開導致預充不足，壓差太高，導致沖擊電流過大；③總正繼電器粘連的原因是預充不充分，導致閉合的瞬間有700A以上的沖擊電流，優化預充方案，BMS監控壓差并控制繼電器在閉合前的壓差，降低沖擊電流，壓差過大禁止閉合繼電器。

圖7 測試波形

6 結論

主繼電器閉合前，應先閉合預充繼電器進行預充。預充必須充分，以降低壓差至合適的范圍，減小沖擊電流；壓差控制為系統電壓的5%，壓差過大禁止閉合繼電器。

最后，緊急情況下如碰撞 （圖8）等，如果有大電流又必須切斷回路而繼電器不粘連前提下實現，可以通過MSD的熔斷絲或者通過PDD（Power Disconnect Device）電源切斷裝置，在發生過流情況下先切斷主回路，保護繼電器，如圖9所示。

圖8 碰撞

圖9 保護裝置