高壓繼電器，是電動(dòng)汽車(chē)高壓電路上的受控開(kāi)關(guān)器件，同時(shí)也在系統中扮演主動(dòng)保護器件的角色。它在高壓回路的各個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)都有應用，動(dòng)力電池主回路、快充回路，高壓用電器供電線(xiàn)路如電機、DCDC、空調壓縮機，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(dòng)力電池系統上的應用。

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(gè)閾值時(shí)，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(lèi)

繼電器是低壓電器行業(yè)的一個(gè)主流產(chǎn)品，種類(lèi)繁多，類(lèi)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(shí)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用最普遍，適用場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)狀態(tài)不同，劃分成常開(kāi)、常閉、和Z型觸點(diǎn)3種。電池包內選用較多的是常開(kāi)觸點(diǎn)，閉合動(dòng)作需要命令信號觸發(fā)才會(huì )執行。

三、電磁繼電器結構和工作原理

在動(dòng)力電池系統上使用的主要是電磁繼電器，圍繞這個(gè)類(lèi)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構，單觸點(diǎn)繼電器。其基本的構成部件包括：線(xiàn)圈、鐵芯、銜鐵和動(dòng)靜觸點(diǎn)等。

1 線(xiàn)圈；2 鐵芯；3 空氣隙；4 銜鐵；5 動(dòng)觸點(diǎn)；6 定觸點(diǎn)；7 彈簧；8 止擋

單一常開(kāi)觸點(diǎn)繼電器

線(xiàn)圈，端子接12V或者24V電源，基于電磁鐵的效應吸引銜鐵，是驅動(dòng)繼電器斷開(kāi)或者閉合的源動(dòng)力；

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

銜鐵，電磁回路的一部分，一般是可以轉動(dòng)或者延固定軌跡平行移動(dòng)。銜鐵與動(dòng)觸點(diǎn)固定連接在一起，鐵芯吸動(dòng)銜鐵最終就會(huì )帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)。

動(dòng)觸點(diǎn)，靜觸點(diǎn)，是繼電器高壓導電回路的一部分，動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸在一起就接通回路；動(dòng)靜觸點(diǎn)分開(kāi)，則斷開(kāi)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(guò)程中使得銜鐵處于比較平穩的狀態(tài)避免動(dòng)靜觸點(diǎn)之間出現過(guò)大沖擊；另一方面，彈簧是繼電器斷開(kāi)的動(dòng)力源，當低壓回路供電終止，線(xiàn)圈鐵芯失去吸力，彈簧的拉力就可以把動(dòng)靜觸點(diǎn)分開(kāi)。

止擋，動(dòng)觸點(diǎn)從吸合狀態(tài)被彈簧拉動(dòng)后向遠離靜觸點(diǎn)的方向運動(dòng)，最終會(huì )停在什么位置上，就由這個(gè)止擋結構確定。

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

回路閉合：控制端口連接線(xiàn)圈兩端，線(xiàn)圈和鐵芯共同構成一個(gè)電磁鐵。當控制電路給線(xiàn)圈供電，鐵芯獲得了磁性，銜鐵被吸合，動(dòng)觸頭跟隨銜鐵同步運動(dòng)，與靜觸頭接觸，強電回路閉合。同時(shí)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(gè)臨界值，否則，反力彈簧的拉力大于電磁鐵的吸引力，則動(dòng)觸頭發(fā)生顫動(dòng)，動(dòng)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(huì )造成觸頭表面損毀甚至動(dòng)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(dòng)靜觸頭系統的設計中，必須有一方面的觸頭不是剛體，而設計成能夠產(chǎn)生超行程的彈性結構，即在銜鐵與鐵芯并未接觸之前，動(dòng)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(dòng)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（變形可以由轉軸和另一組反力彈簧實(shí)現）。

回路斷開(kāi)：在正常使用情形下，繼電器切斷電路時(shí)，回路中不應該有電流存在。繼電器斷開(kāi)的過(guò)程如下：控制端口取消繼電器觸發(fā)閉合的信號，線(xiàn)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(dòng)，動(dòng)觸頭與靜觸頭分開(kāi)。

帶載分斷：在故障或者策略設計不合理的情況下，繼電器可能會(huì )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(xiàn)圈供電電流消失了；沒(méi)有電流鐵芯不再具有磁性，銜鐵被反力彈簧反向拉動(dòng)離開(kāi)鐵芯，動(dòng)靜觸頭分離。

動(dòng)觸頭剛剛離開(kāi)靜觸頭一小段距離的時(shí)候，系統電壓全部加載在動(dòng)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(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生了電弧。動(dòng)觸頭繼續向遠離靜觸頭的方向移動(dòng)，電弧隨之拉長(cháng)，同時(shí)更大量的周邊氣體被電離，觸頭上的金屬融化并噴灑到周?chē)h(huán)境中。反過(guò)來(lái)，金屬顆粒增加了空氣的導電性，同樣的壓差，可以使距離更遠的兩個(gè)觸頭之間繼續維持拉弧狀態(tài)。隨著(zhù)拉弧的進(jìn)行和蔓延，高溫電弧使觸頭金屬逐漸融化甚至氣化。

如果動(dòng)靜觸頭自然狀態(tài)距離比較遠，分斷的過(guò)程中，動(dòng)觸頭分離的速度比較快，系統電壓比較低，負載電流比較小，使得整個(gè)燃弧過(guò)程在中間的某一步就停止了，則造成的影響會(huì )停留在當時(shí)狀態(tài)，比如觸頭被部分燒損；或者電弧沒(méi)來(lái)的及燃起已經(jīng)被繼電器設計的滅弧措施撲滅，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(huì )有區別。

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(gè)關(guān)鍵指標。同樣的短路電流，系統電壓越高，分斷的難度越大。另一方面，工作電壓還直接決定著(zhù)系統可能產(chǎn)生的最大短路電流的大小。因此，系統電壓的提高，對繼電器是一種考驗。#p#分頁(yè)標題#e#

工作電流，我們選擇額定電流滿(mǎn)足系統額定電流要求的產(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合著(zhù)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(gè)重點(diǎn)關(guān)注參數。該參數需要與系統所用熔斷器及其他負責大電流分斷器件的參數結合在一起考察。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，系統出現短路的極大電流時(shí)，繼電器不能出現起火爆炸等風(fēng)險狀態(tài)，主要的與觸頭的通流能力以及觸點(diǎn)之間接觸的緊密性有關(guān)。同樣的，需要結合負責大電流分斷器件的參數一起考察。

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

環(huán)境濕度，對密封腔體類(lèi)型的繼電器，環(huán)境濕度的影響只體現在絕緣性能上；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(jìn)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，反復斷開(kāi)閉合一定次數，繼電器功能正常；電氣壽命，是繼電器帶載（系統正常應用過(guò)程中可能出現的合理載荷）反復斷開(kāi)閉合一定次數，繼電器功能正常。對于壽命的需求，主要取決于系統的壽命和應用工況，以及具體設計的各個(gè)場(chǎng)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(huì )大大降低。這種現象，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(cháng)拉斷，而對反極性的電弧則不會(huì )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(zhù)充放電同口的現象，即放電電流和充電電流都通過(guò)同一段回路進(jìn)出，無(wú)極性的繼電器已經(jīng)廣泛應用，其有針對性的滅弧措施，避免了電流方向的影響。

五、應用

動(dòng)力電池包高壓回路， BMS通過(guò)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(méi)有電流或者電流非常小以后，繼電器再執行斷開(kāi)回路的動(dòng)作；上電過(guò)程中，在負載投入工作前繼電器兩端沒(méi)有壓差，高壓回路接通后短時(shí)間內沒(méi)有電流。這樣的上下電過(guò)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量級上的差距。

設計合理的上下電策略，是內功，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?？傅眠^(guò)去也會(huì )受點(diǎn)傷，影響后面的戰斗力；扛不過(guò)去，武功盡廢?？梢哉f(shuō)，良好的應用可以提高繼電器的壽命，反過(guò)來(lái)，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(yè)標題#e#