高壓繼電器，是電動汽車高壓電路上的受控開關(guān)器件，同時也在系統(tǒng)中扮演主動保護器件的角色。它在高壓回路的各個開關(guān)節(jié)點都有應(yīng)用，動力電池主回路、快充回路，高壓用電器供電線路如電機、DCDC、空調(diào)壓縮機，加熱器等。這里我們一起聊一聊高壓繼電器的工作原理，關(guān)鍵特性和在動力電池系統(tǒng)上的應(yīng)用。

一、繼電器定義

繼電器是一種電控器件，當輸入激勵達到某個閾值時，觸發(fā)輸出發(fā)生變化。通常用法就是用低壓控制高壓，用小電流控制大電流回路。

二、繼電器種類

繼電器是低壓電器行業(yè)的一個主流產(chǎn)品，種類繁多，類型劃分的角度也多有不同。

按照輸入控制信號的不同，繼電器可以分為電電磁繼電器、熱控制繼電器、時間控制繼電器、光繼電器、速度繼電器等，其中電磁繼電器是應(yīng)用最普遍，適用場合也最多的一種。

按照額定電壓不同劃分等級，比如250V，500V，750V等，不同廠家的劃分有所不同。額定電壓不僅僅是繼電器所在高壓回路的工作電壓，也是分斷能力的關(guān)鍵影響因素。按照主觸點狀態(tài)不同，劃分成常開、常閉、和Z型觸點3種。電池包內(nèi)選用較多的是常開觸點，閉合動作需要命令信號觸發(fā)才會執(zhí)行。

三、電磁繼電器結(jié)構(gòu)和工作原理

在動力電池系統(tǒng)上使用的主要是電磁繼電器，圍繞這個類型一起看看他的工作原理。

如下圖所示，是基本的電磁繼電器結(jié)構(gòu)，單觸點繼電器。其基本的構(gòu)成部件包括：線圈、鐵芯、銜鐵和動靜觸點等。

1 線圈；2 鐵芯；3 空氣隙；4 銜鐵；5 動觸點；6 定觸點；7 彈簧；8 止擋

單一常開觸點繼電器

線圈，端子接12V或者24V電源，基于電磁鐵的效應(yīng)吸引銜鐵，是驅(qū)動繼電器斷開或者閉合的源動力；

鐵芯，用于集中線圈產(chǎn)生的勵磁磁場，使得小電流可以產(chǎn)生更大的勵磁效果，避免磁場外溢；

銜鐵，電磁回路的一部分，一般是可以轉(zhuǎn)動或者延固定軌跡平行移動。銜鐵與動觸點固定連接在一起，鐵芯吸動銜鐵最終就會帶動動觸點移動。

動觸點，靜觸點，是繼電器高壓導(dǎo)電回路的一部分，動靜觸點接觸在一起就接通回路；動靜觸點分開，則斷開回路。

彈簧，彈簧產(chǎn)生的拉力，一般處于鐵芯吸力的反力方向上，一方面在鐵芯勵磁吸合過程中使得銜鐵處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)避免動靜觸點之間出現(xiàn)過大沖擊；另一方面，彈簧是繼電器斷開的動力源，當?shù)蛪夯芈饭╇娊K止，線圈鐵芯失去吸力，彈簧的拉力就可以把動靜觸點分開。

止擋，動觸點從吸合狀態(tài)被彈簧拉動后向遠離靜觸點的方向運動，最終會停在什么位置上，就由這個止擋結(jié)構(gòu)確定。

從每個零件的角度描述的原理比較支離破碎，下面按照工作過程逐一討論。#p#分頁標題#e#

回路閉合：控制端口連接線圈兩端，線圈和鐵芯共同構(gòu)成一個電磁鐵。當控制電路給線圈供電，鐵芯獲得了磁性，銜鐵被吸合，動觸頭跟隨銜鐵同步運動，與靜觸頭接觸，強電回路閉合。同時反力彈簧被拉伸。

吸合狀態(tài)的保持：控制端口的輸出電流必須大于某個臨界值，否則，反力彈簧的拉力大于電磁鐵的吸引力，則動觸頭發(fā)生顫動，動靜觸頭之間的電阻增大。如果高壓回路電流足夠大，接觸電阻發(fā)熱積累在觸頭上，會造成觸頭表面損毀甚至動靜觸頭融焊在一起。

為了避免融焊的發(fā)生，一方面，促使銜鐵吸合的電流必須保持在要求的“保持電流”以上；另一方面，動靜觸頭系統(tǒng)的設(shè)計中，必須有一方面的觸頭不是剛體，而設(shè)計成能夠產(chǎn)生超行程的彈性結(jié)構(gòu)，即在銜鐵與鐵芯并未接觸之前，動靜觸頭已經(jīng)接觸；待鐵芯與銜鐵達到緊密吸合的狀態(tài)，動觸頭或者靜觸頭已經(jīng)產(chǎn)生了與觸頭閉合方向相反的變形（變形可以由轉(zhuǎn)軸和另一組反力彈簧實現(xiàn)）。

回路斷開：在正常使用情形下，繼電器切斷電路時，回路中不應(yīng)該有電流存在。繼電器斷開的過程如下：控制端口取消繼電器觸發(fā)閉合的信號，線圈上電流消失，銜鐵在反力彈簧拉力的作用下，向遠離鐵芯的方向運動，動觸頭與靜觸頭分開。

帶載分斷：在故障或者策略設(shè)計不合理的情況下，繼電器可能會遇到帶電分斷的狀況，即主回路中存在工作電流，而控制端口給線圈供電電流消失了；沒有電流鐵芯不再具有磁性，銜鐵被反力彈簧反向拉動離開鐵芯，動靜觸頭分離。

動觸頭剛剛離開靜觸頭一小段距離的時候，系統(tǒng)電壓全部加載在動靜觸頭之間，高電壓擊穿小縫隙之間的氣體，使之電離，于是動靜觸頭之間產(chǎn)生了電弧。動觸頭繼續(xù)向遠離靜觸頭的方向移動，電弧隨之拉長，同時更大量的周邊氣體被電離，觸頭上的金屬融化并噴灑到周圍環(huán)境中。反過來，金屬顆粒增加了空氣的導(dǎo)電性，同樣的壓差，可以使距離更遠的兩個觸頭之間繼續(xù)維持拉弧狀態(tài)。隨著拉弧的進行和蔓延，高溫電弧使觸頭金屬逐漸融化甚至氣化。

如果動靜觸頭自然狀態(tài)距離比較遠，分斷的過程中，動觸頭分離的速度比較快，系統(tǒng)電壓比較低，負載電流比較小，使得整個燃弧過程在中間的某一步就停止了，則造成的影響會停留在當時狀態(tài)，比如觸頭被部分燒損；或者電弧沒來的及燃起已經(jīng)被繼電器設(shè)計的滅弧措施撲滅，則可能只是在觸頭上留下一些痕跡。不同的情形對繼電器的傷害程度會有區(qū)別。

四、繼電器的關(guān)鍵特性

哪些性能屬于關(guān)鍵特性，站在選型的角度討論如下。

工作電壓，繼電器的電壓等級，除了決定繼電器絕緣耐壓能力，更是繼電器分斷能力的一個關(guān)鍵指標。同樣的短路電流，系統(tǒng)電壓越高，分斷的難度越大。另一方面，工作電壓還直接決定著系統(tǒng)可能產(chǎn)生的最大短路電流的大小。因此，系統(tǒng)電壓的提高，對繼電器是一種考驗。#p#分頁標題#e#

工作電流，我們選擇額定電流滿足系統(tǒng)額定電流要求的產(chǎn)品。對于工況中的沖擊電流承載能力的評估，其最終的限制條件是溫升和最高溫度。因此，載流能力的選擇需要結(jié)合著工作環(huán)境溫度和最高溫升及溫度要求一起考慮。

分斷能力，是我們選擇繼電器的一個重點關(guān)注參數(shù)。該參數(shù)需要與系統(tǒng)所用熔斷器及其他負責(zé)大電流分斷器件的參數(shù)結(jié)合在一起考察。分斷能力一定程度上是由拉弧距離決定的。在空間受限的情況下，分斷能力的提高存在上限。

短路耐受能力，系統(tǒng)出現(xiàn)短路的極大電流時，繼電器不能出現(xiàn)起火爆炸等風(fēng)險狀態(tài)，主要的與觸頭的通流能力以及觸點之間接觸的緊密性有關(guān)。同樣的，需要結(jié)合負責(zé)大電流分斷器件的參數(shù)一起考察。

工作溫度，范圍大于等于系統(tǒng)可能提供的環(huán)境溫度范圍。當環(huán)境溫度過高時，繼電器需要降容使用，以滿足最高承受溫度條件為準。

環(huán)境濕度，對密封腔體類型的繼電器，環(huán)境濕度的影響只體現(xiàn)在絕緣性能上；而對于非密封腔體的繼電器，環(huán)境濕度的影響較大，尤其在低溫環(huán)境下。

壽命，還可以進一步細分成機械壽命和電氣壽命。機械壽命指繼電器不帶載，反復(fù)斷開閉合一定次數(shù)，繼電器功能正常；電氣壽命，是繼電器帶載（系統(tǒng)正常應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的合理載荷）反復(fù)斷開閉合一定次數(shù)，繼電器功能正常。對于壽命的需求，主要取決于系統(tǒng)的壽命和應(yīng)用工況，以及具體設(shè)計的各個場景的上下電策略。

極性，主要與分斷能力有關(guān)。對于有極性的繼電器，分斷順極性的電流能力較強，而反極性分斷能力會大大降低。這種現(xiàn)象，主要與繼電器滅弧措施有關(guān)，比如永磁吹弧，永磁鐵極性是有方向的，順極性磁吹可以把電弧拉長拉斷，而對反極性的電弧則不會產(chǎn)生這樣的作用甚至發(fā)生反作用。針對目前高壓電路中，存在著充放電同口的現(xiàn)象，即放電電流和充電電流都通過同一段回路進出，無極性的繼電器已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其有針對性的滅弧措施，避免了電流方向的影響。

五、應(yīng)用

動力電池包高壓回路， BMS通過繼電器控制回路通斷。理想的高壓上下電策略，在高壓回路沒有電流或者電流非常小以后，繼電器再執(zhí)行斷開回路的動作；上電過程中，在負載投入工作前繼電器兩端沒有壓差，高壓回路接通后短時間內(nèi)沒有電流。這樣的上下電過程，基本上就是一次機械操作。而機械壽命和電氣壽命的差異是數(shù)量級上的差距。

設(shè)計合理的上下電策略，是內(nèi)功，練好了，以柔克剛；玩命提高繼電器的電氣壽命，練的是硬氣功，遇到打擊，靠死杠。扛得過去也會受點傷，影響后面的戰(zhàn)斗力；扛不過去，武功盡廢?？梢哉f，良好的應(yīng)用可以提高繼電器的壽命，反過來，如果壽命要求不變，則可以降低對繼電器性能的要求，降低成本則順理成章。#p#分頁標題#e#