纯电动乘用车高压继电器应用与实践

随着新能源汽车技术发展，电动汽车市场快速发展。中国汽车工业协会数据显示，2021 年，新能源汽车产销量超过350 万辆，市场占有率达13.4%，同比均增长1.7 倍[1]。2022 年，新能源汽车产销量超过680 万辆，市场占有率提升至25.6%，同比均增长约1 倍[2]。

新能源汽车一般采用高压电池组为电动汽车提供动力，在动力电池系统或相关高压总成中配置高压继电器，以保证电气系统正常通断。当系统停止运行后，高压继电器起到高压隔离作用；系统运行时，高压继电器起高压连接作用；当车辆高压下电或发生故障时，高压继电器能安全地将车辆高压电气系统分断。因此，高压继电器是新能源汽车关键安全器件。

电动车领域，针对高压继电器的工况电流，一般评价方法是长时工作电流和短时工作电流，对应是整车在急加速下的最高电流，和最高车速下的工作电流。但综合真实的测试工况或用户使用工况，目前尚未形成明确的数据参考。尤其在新能源超跑车和高性能四驱车的比例越来越多，整车的工作电流（特别是在急加速情况）较传统电动车工作电流有较大提高。

近来越来越多的总成方案将动力电池与高压配电、车载电源进行大集成或将高压配电、车载电源与电驱系统进行大集成。由于集成度高，大集成方案的高压继电器的使用环境（如工作环境温度、振动要求）比普通电池包上布置的高压继电器使用环境更加恶劣，因此大集成方案的高压继电器性能需要有更细致的评估。

本文主要针对电动乘用车的高压继电器性能参数现状进行分析，并依据使用需求、车辆的应用技术情况，对电动乘用车适应的评价工况给出建议，并针对高压继电器的性能要求增加了视觉评估内容。

新能源车主回路用高压继电器一般工作电压较传统在200～1 000 V 以内，额定工作电流一般在400 A 以内。同时需要高压继电器具备抗冲击、灭弧能力强和分断能力强的基本功能（表1）。

表1 高压继电器功能要求

国外主要有松下、欧姆龙和泰科3家企业，国内主要有宏发、国立、比亚迪3家高压继电器生产企业，目前均已经推出了较齐全的量产规格高压继电器产品，未来也在进行轻量化和节能化的产品规划。

高压继电器的重要性能指标之一是高压继电器的工作电流，包括额定工作电流，短时冲击电流。一般规格书中参数如表2所示。

表2 高压继电器电流耐受参数

目前高压继电器的参数一般指标如表3所示。

表3 高压继电器一般指标

目前国内外高压继电器企业主推新款小型化高压继电器，额定电流为250 A∕300 A居多，如表4所示。

表4 企业主推高压继电器现状

目前国内外汽车企业一般应用的高压继电器为额定电流250 A和300 A居多，如表5所示。

表5 车企应用技术现状

综合对比各地区高压继电器应用技术现状，可以看出：

（1）日企多以100 A小电流高压继电器为主，车企应用180 A 及以上，中国车企已经应用了250 A 及以上规格。

（2）欧美日等开始推广250 A 和300 A 规格小型化继电器。

（3）国内主流应用250 A 和300 A 小型化规格高压继电器，目前已有机构在研发电流为400 A 以上的大功率继电器。

朱楚梅[3]针对电动汽车高压继电器控制应用技术进行了研究，总结了例如高压继电器的控制要求、预充保护、高压上下电流程管理以及高压继电器的状态监测信息，内容比较系统全面，目前各主机厂在高压继电器方案设计中均有应用。

根据整车常见工况，进行仿真与实测电流数据整理，主要提取了整车最高车速持续行驶和最高速加速工况的电流，整理后的结果见表6。

表6 电流工况计算A

按表6数据进行估算并参考表2高压继电器的规格参数，选用Ⅰ品牌300 A规格继电器。因为从0到最高车速的加速工况电流在规格书中没有对应参数可参考匹配，故后续通过台架试验进行验证。

刘金配等[4]提出的关于高压继电器的应用选型中，针对高压继电器相关工况的动作寿命和切断能力考核项目提出了比较详细的阐述。

目前高压继电器在各工况电流测试后，一般只会复测基本电气参数以作对比分析。但高压继电器在测试前后的线圈电阻、接触电阻、吸合释放电压参数一般并无明显变化。

目前各家主机厂均存在一部分高压继电器在台架测试上通过，整车试验后期才出现的高压继电器故障，例如粘连。在出现高压继电器粘连后需要做系统性的粘连分析，参考葛俊良等[5]阐述的排查思路做分析。此外，还需要在整车上进行实车电压、电流的采集，如图1所示，并需要对报文进行采集读取分析时序工作，如图2所示。排查问题需要详细分析时序并比对上电期间的电压、电流，分析过程冗长。

图1 实车采集电压电流

图2 报文时序分析

近来有高压电驱与高压配电、车载电源进行大集成或动力电池与高压配电、车载电源集成的多合一进行大集成的趋势，比如华为及比亚迪公司的电驱多合一方案。多合一集成后高压继电器相应的需要集成至电驱内或者靠近车载电源部件，高压继电器的使用环境温度较原动力电池包内更为恶劣，需要充分考虑环境温度、工况变换对继电器的影响。

丁永根等[6]针对新能源汽车驱动电机壳体冷却结构做了热仿真的分析，参考此内容建议多合一内高压配电部分在设计初进行模型热仿真，以减少后期设计更改的风险。参照衡凤琴[7]提出的配电盒仿真设计，可做出如图3的设计模型，进行相关热仿真，评估继电器的热风险。

图3 高压配电热仿真模型

近来有不少文章针对高压继电器的失效做了较详细的分析。如赵小巍等[8]针对其故障进行了较详细的故障诊断方**述。伍昆[9]也针对在整车系统中出现故障的排查分析做了较详细的阐述。目前未有针对高压继电器在整车故障前各项测试期间进行问题提前预警分析的研究内容。

按某项目采用的多合一方案中高压配电的数据模型，参照王燕兵等[10]提出的继电器仿真模型并做相应简化，参照衡凤琴[7]提出的配电盒仿真设计进行热仿真设计，形成初步计算数据，如图4。

图4 高压配电热仿真模型

针对使用工况，进行了4项测试，如表7所示。

表7 高压继电器测试工况

各个测试继电器样件触点温升测试结果满足要求。

测试前后对高压继电器进行线圈电阻、接触电阻、吸合电压、释放电压参数作对比；测试后，拆解测试样品，观察比较触点变化。

某项目采用3个品牌300 A规格的高压继电器做前期测试对比。根据路试中相关采集的数据发现，该高压继电器使用中电流较大的路试工况主要有：

（1）急加速冲击工况：按0 A～1 200 A～0 A，共持续15 s冲击，间隔30 s，进行20个循环，如图5所示。

图5 急加速工况电流

（2）耐久工况，峰值电流600 A 持续4 s,平均额定电流＜240 A，总持续时间为45 min，如图6所示。

图6 耐久工况电流

按实际使用工况，持续电流小于高压继电器的额定工作电流；大冲击电流频次较前期试验明显增多，试验方案需要进行相应的调整。

在各个工况测试前、中、后分别对高压继电器参数进行记录，并对比如表8所示。

表8 继电器参数对比

根据表8数据，能看出测试前后并无太大变化，基本参数信息并不能明显表征各高压继电器试验前后的变化。

王燕兵等[10]针对继电器触点瞬态接触传热进行了模拟分析；翟国富等[11]针对继电器触点侵蚀及失效模式做了相关分析。本项目测试后，对拆解后的继电器触点进行观察比较。拆解高压继电器触点观察，如图7所示。

图7 台架测试后高压继电器触点状态

在测试后能明显看出各继电器触点受损情况（触点有较浅熔池痕迹、拍打痕迹、材质转移），实际情况也是触点的损伤越大，后期越容易发生粘连。发生粘连的高压继电器触点均有明显熔池及材质转移。

在整车实际使用中，因为有不同的高压上电下电及充电的相关工况，需要针对工况做更细化的测试后进行触点状态评估确认。

根据路试工况，准备Ⅰ品牌、Ⅴ品牌和Ⅵ品牌的相同规格高压继电器，在台架上进行如表9所示的工况比较测试。

表9 工况比较

以上所有测试完成后，多家企业各款高压继电器基本动作状态均良好。

整车在所有耐久和动力性试验完成后，高压继电器均正常。未进行基本参数测试对比，仅拆解部分继电器进行触点评估，如表10所示。

表10 高压继电器触点形态

高压继电器在经受不同的使用工况后，触点形态表现出明显不同。在整车环境中应避免出现容性接通和大电流分断及短路情况。

不同品牌的高压继电器触点在相同的使用条件下，触点状态也有所不同。测试后触点无明显变化的继电器性能更好。

高压配电部分按布置环境数据，对高压继电器及其相关的电连接部件，提前进行热仿真分析。

高压继电器考核要点见表11所示。

表11 高压继电器考核工况

高压继电器结合实际试验工况及用户使用工况，进行台架测试：

按表11进行试验考核，试验前后分别检测高压继电器基本性能参数。

以上结合真实的测试工况或用户使用工况，来更好地用整车工作电流评估高压继电器的应用情况。

在测试后需要评估高压继电器触点状态，以更好地应用高压继电器。

（1）试验后检测继电器基本性能；

（2）最终需要进行继电器拆解评估触点状态。

本文梳理了现有电动乘用车主要应用的高压继电器规格，并对其应用参数进行相关分析，重点提出高压继电器的考核不能仅测试工况后检查基本参数，还需要对高压继电器触点进行评估分析。由此对电动乘用车，尤其是包含高压继电器的多合一集成部件后，对高压继电器可靠应用进行了详细论述。