动力锂电池包高压回路,BMS通过主正主副两个继电器控制回路通断。理想的高压上下电策略,高压回路下电后,继电器再执行断开回路的动作。但在很多系统中,并没有实现这种理想,继电器总会遇到带载分断的情形。传统低压电气回路,分断由断路器执行。无论从空间还是结构设置,断路器才是最适应分断的电器元件。而传统继电器并没有分断的使命,只是用来实现控制功能。
设计合理的上下电策略,是内功,练好了,以柔克刚;玩命提高继电器的分断能力,练的是硬气功,遇到打击,就靠一口气死杠。扛得过去也会受点伤,影响后面的战斗力;扛不过去,武功尽废。
继电器含义
继电器是一种电控器件,当输入激励达到某个阈值时,触发输出发生变化。通常用法就是用低压控制高压,用小电流控制大电流回路。
继电器种类
继电器是低压电器行业的一个主流产品,种类繁多,类型划分的角度也多有不同。这里只体现与动力锂电池包中用到的继电器相关的分类。
按照输入控制信号的不同,继电器可以分为电电磁继电器、热控制继电器、时间控制继电器、光继电器、速度继电器等,其中电磁继电器是应用最普遍,适用场合也最多的一种。
按照额定电压不同划分等级,比如250V,500V,750V等,不同厂家的划分节点有所不同。额定电压不是继电器高压回路的工作电压,是与标称的分断电流相对应的分断电压值,同样的短路电流,系统电压越高,分断的难度越大。出于对电池包总电量的追求,动力锂电池包内电池串数越来越多,标准最高电压已经达到750V,相应的充电机系统也跟随这个电压要求,并且1000V高压系统标准问题已经正在讨论中。
按照主触点状态不同,划分成常开、常闭、和Z字型触点3种。电池包内选用较多的是常开触点,闭合动作要命令信号触发才会执行。
电磁继电器结构和工作原
回路闭合:控制电路的控制端口连接线圈两端,线圈和铁芯共同构成一个电磁铁。当控制电路给线圈供电,铁芯获得了磁性,衔铁被吸合,动触头跟随衔铁同步运动,与静触头接触,强电回路闭合。同时反力弹簧被拉伸。
吸合状态的保持:控制端口的输出电流必须大于某个临界值,否则,假如反力弹簧的拉力大于电磁铁的吸引力,则动触头发生颤动,动静触头之间的电阻增大。假如电流足够大,接触电阻发热积累在触头上,会造成触头表面损毁甚至动静触头融焊在一起。
为了防止融焊的发生,一方面,促使衔铁吸合的电流必须保持在要求的保持电流以上;另一方面,动静触头系统的设计中,必须有一方面的触头不是刚体,而设计成能够出现超行程的结构,即在衔铁与铁芯并未解除以前,动静触头已经接触;待铁芯与衔铁达到紧密吸合的状态,动触头或者静触头已经出现了与触头闭合方向相反的变形(变形可以由转轴和另一组反力弹簧实现)。
回路断开:在正常使用情形下,继电器切断电路时,回路中不应该有电流存在。继电器断开的过程如下:控制端口取消继电器触发闭合的信号,线圈上电流消失,衔铁在反力弹簧拉力的用途下,向远离铁芯的方向运动,同时动触头与静触头分开。
带载分断:在故障或者策略设计不合理的情况下,继电器可能会遇到带电分断的状况,即主回路中存在工作电流,而控制端口给线圈供电电流消失了;没有电流铁芯不再具有磁性,衔铁被反力弹簧反向拉动离开铁芯,动静触头分离。
动触头刚刚离开静触头一小段距离的时候,系统电压全部加载在动静触头之间,高电压击穿小缝隙之间的气体,使之电离,于是动静触头之间出现了电弧。动触头继续向远离静触头的方向移动,电弧随之拉长,同时更大量的周边气体被电离,触头上的金属融化并喷洒到周围环境中。反过来,金属颗粒新增了空气的导电性,同样的压差,可以使距离更远的两个触头之间继续维持拉弧状态。随着拉弧的进行和蔓延,高温电弧使触头金属逐渐融化甚至气化。
假如动静触头自然状态距离比较远,分断的过程中,动触头远离的速度比较快,系统电压比较低,负载电流比较小,使得整个燃弧过程在中间的某一步就停止了,则造成的影响会停留在当时状态,比如触头被部分烧损;或者电弧没来的及燃起已经被继电器设计的灭弧措施扑灭,则可能只是在触头上留下一些痕迹。不同的情形对继电器的伤害程度会有差别,但一般遇到短路电流分断情形,继电器不会建议继续使用。
对壳体要求高:与普通电力系统中的高压直流继电器相比,电动汽车使用的继电器一个最显著的不同是,要适应行车状态的震动环境。当前的继电器,为了提高灭弧效果,一般都采用密封壳体燃弧腔内充满氮气或者氢气的方式。一边是剧烈震动的使用环境,一边是严格的密封要求,这对继电器壳体提出了很高的要求。
无极性继设计:动力锂电池包的设计中,广泛存在着充放电同口的现象,放电电流和充电电流都通过同一段回路进出。这样,在分断大电流时,就要求继电器的分断设计不能与电流方向有关(比如永磁铁吹弧,电弧内的电流方向必须是固定的才能出现吹的用途,假如电流反向,则用途方向也相反,变成拉了)所谓无极性。
传统的拉弧灭弧手段不能使用,一些宣称无极性的产品,采用两组动静触点串联的形式,分断过程中,让系统电压分别加载在两组触头上,每组触头的电压只是原来的一半,降低了分断难度。但双断点毕竟也要空间,对载流密度要求不断提高,又不能采取成熟的灭弧措施,双断点的分断能力要做一些测试验证。