一种车用高压直流继电器的制作方法

本发明涉及新能源汽车领域，特别涉及一种车用高压直流继电器。

背景技术：

新能源汽车一般采用高压电池组为电动车提供动力驱动，为保证电气系统正常通断，在电动汽车的电池系统和电机控制器之间需配置高压直流继电器(图1所示)。当系统停止运行后，高压直流继电器起隔离作用；系统运行时，高压直流继电器起连接作用；当车辆关闭或发生故障时，高压直流继电器能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离，起到分断电路的作用。因此，高压直流继电器是新能源汽车关键安全器件。如果没有它，电动车将不能启动、行驶及停车。

目前，乘用车的工作电压一般为370v以上，大巴车将达到576v以上，最新的byd汉和保时捷泰肯的电压平台已达到800v，未来的趋势肯定是电压越来越高。新能源汽车的高压继电器的电压远高于传统汽车的12v/24v，如此高的工作平台电压，要求高压直流继电器产品需具备良好的耐高压、抗冲击和分断能力的特点。

技术实现要素：

本发明提供了的实施例之一，一种车用高压直流继电器，包括低压线圈和触点，所述触点的一端是连接高压电源的高压输入端，所述触点的另一端是连接车辆高压负载的高压输出端，其特征在于，所述高压输入端与高压输出端之间并联一包括开关管q1与断路金属片组成的串联电路，所述开关管q1的导通和断开由所述车用高压直流继电器外部经所述车用高压直流继电器的与所述开关管q1连接的控制输入端进行控制。

本发明公开了一种全新的新能源高压继电器，这种全新的高压继电器有别于目前的纯机械的电磁式高压继电器，是一种带电子装置的混合新能源高压继电器。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1现有高压继电器的原理示意图。

图2现有高压继电器结构之一示意图。

图3现有高压继电器结构之一示意图。

图4现有高压继电器结构之一示意图。

图5现有高压继电器结构之一示意图。

图6根据本发明实施例之一的高压继电器原理示意图。

1——静触点

2——真空室

3——动触点

4——陶瓷体

5——密封圈

6——盖板

7——衔铁

8——壳体

9——电弧

具体实施方式

作为新能源汽车中关键的安全器件——高压直流继电器，需具备耐高压、耐负载、抗冲击、灭弧能力强和分断能力强的基本功能。需要具备这些功能的分述如下。

1.关于耐高压，由于新能源电动汽车的工作平台电压都较高，远高于传统汽车的12v/24v，因此要求其配套的高压直流继电器能够承受较高的工作电压和高压带载中可靠的闭合与分断。

2.关于强耐负载能力，新能源乘用车和大巴车的电动机额定功率一般为30kw和80kw以上，峰值达到60kw和160kw以上，按上述提到的电压平台来看，其电流将分别达到200a和300a左右，在产品性能、成本的双重压力下，要求相同的体积下，产品的耐负载能力强，同时还要具备额定负载电流数倍的瞬时过载能力；或者在相同的耐负载能力下，产品的体积越小越好。

3.关于抗冲击，新能源汽车用高压直流继电器不仅要具备耐受较高的电压和承载足够电流的基本功能，还要抵抗闭合瞬间电容性负载巨大电流的冲击，这个电流一般是负载额定电流的数倍至数十倍等，常规的继电器都无法承受这一瞬间电流的冲击，这个冲击电流的危害就是极易导致继电器触点粘联，继电器触点分离失效，电源切断失控，严重时可造成车毁人亡等安全事故，危害极大。因此新能源车用的直流继电器产品应具有良好的抗冲击性能。

4.关于强灭弧能力，电弧是新能源高压继电器触点闭合与分断动作过程中不可避免的问题，它大大降低了继电器触点的使用寿命。采用一些特殊的快速灭弧手段降低电弧能量，减少对继电器触点的损害，延长产品的使用寿命。因此，灭弧能力强也是继电器需具备的基本特点。目前业界有很多种减缓电弧能量的方法，如真空灭弧、惰性气体灭弧、永久磁铁灭弧、触点机械设计灭弧等。但是这往往回带来制造上的很多挑战，而且这些方法都没有办法从根本上消灭电弧，特别是当未来新能源汽车电压进一步提高，这些减缓电弧的设计即将面临瓶颈。

5.关于强分断能力，汽车在运行过程使用工况复杂，在紧急情况下，如电气系统短路时，回路中的瞬间电流骤升，此时要求继电器在极限大电流下能够顺利的切断电路，而不发生触点粘连或继电器爆炸等异常状况的发生，防止电池过放短路起火或爆炸的安全危害，这就要求继电器触点具有良好的抗冲击和抗粘连的能力。

现有的新能源高压直流继电器的现状是，高压继电器与目前的低压继电器结构类似，也属于电磁继电器。通过给高压继电器线圈供电产生磁力，吸合动触点将触点两端进行电气连接，高压回路连通。断开线圈回路电流，动触点释放，高压触点回路断开。当前高压继电器的缺点是：继电器在切换负载的瞬间，继电器的触点间会生产电弧，电弧的大小随系统电压呈指数增加，电压越高则电弧越大，而电弧是继电器触点磨损的主要因素之一。因为系统电压很高，继电器触点之间的空气被电离而击穿导电，在此时，即使继电器触点之间是分离的，电离的气体也会使得分离的回路导通。电弧是困扰目前新能源高压继电器的主要因素之一。

现有的新能源高压继电器为了减小电弧的方法有以下几个。

第一个，采用继电器触点真空室法或真空室填充惰性气体的方法，如图2所示是典型的真空室结构。

第二个，优化触点接触结构。电真空元件的触点材料一般采用钼铜或无氧铜，触点结构设计多数为桥式结构。图3为传统结构，图4为对传统结构优化后的结构。虽同为桥式结构，但图4中的结构更有利于电弧的熄灭。在传统的设计中，其动触点的长度超过两只静触点的宽度，当动静触点因切换负载而产生电弧时，电弧位于动静触点之间，不利于电弧熄灭。而优化后的图4结构，动触点的边缘略收于两静触点的中心线的内侧，当电弧产生后，由于电弧外侧无动触点阻碍，电弧会向外侧扩散，有利于电弧冷却从而快速熄灭，减少了触点的烧蚀。

第三个，永久磁铁灭弧。新能源汽车继电器虽然采用真空室抑制电弧的产生，但这仅是排除了电离空气导通而产生电弧的因素，当触点在切换高压大电流负载时，在真空状态下仍会因触点烧熔电离发射而产生电弧。因此，在新能源汽车继电器的设计中，仍需采用永久磁铁灭弧，以减轻触点的烧蚀。

永久磁铁灭弧原理是载流导体在磁场中会产生电动力，因此，如果把电弧看作为一根软的导体，两块永久磁铁提供稳定的磁场，当电弧发生后会受到电动力而发生变形，即横向拉长，横向拉长后的电弧变得更稀薄且与周围介质发生相对运动而得到了快速冷却，这样就加快了电弧的熄灭速度，从而降低触点的磨损与烧蚀。在动静触点两侧设计了两块同向放置的永久磁铁，有利于电弧的快速分散与冷却，延长继电器的使用寿命。图5中表示电弧在磁场中被电动力f拉向两侧。

上述方法只是在一定程度上减小电弧对触点的损伤，并不能完全消除电弧。特别真空室的生产制造，由于真空器件对绝缘介质材料要求较高，显著的增大了制造的复杂度和生产管控的难度。为了解决现有高压继电器的缺陷，本发明提供以下的技术方案实施例。

根据一个或者多个实施例，如图6所示，一种车用高压直流继电器，包括低压线圈和触点，所述触点的一端是连接高压电源的高压输入端，所述触点的另一端是连接车辆高压负载的高压输出端。所述高压输入端与高压输出端之间并联一包括开关管q1与断路金属片组成的串联电路，所述开关管q1的导通和断开由所述车用高压直流继电器外部经所述车用高压直流继电器的与所述开关管q1连接的控制输入端进行控制。

所述低压线圈串接开关管q2后接地，所述开关管q2的导通和断开也是经由所述车用高压直流继电器的控制输入端进行控制。

优选的，所述车用高压直流继电器包括逻辑处理单元，所述车用高压直流继电器的控制输入端接入所述逻辑处理单元，所述逻辑处理单元的第一输出端连接开关管q1，所述逻辑处理单元的第二输出端连接开关管q2。

优选的，所述逻辑处理单元的第一输出端经过高压器件驱动电路连接所述开关管q1。优选的，所述开关管q1与断路金属片组成的串联电路的两端并联一高压触点电压差隔离检测电路，所述逻辑处理单元的第三输出端接入所述高压触点电压差隔离检测电路。所述逻辑处理单元的第四输出端连接所述车用高压直流继电器的诊断输出端。

优选的，所述低压线圈并联一线圈剩余能量消除电路。

本发明实施例与现有高压继电器的区别在于，

1.触点端新增加一路高压电子器件并联回路(q1和短路金属片回路)；

2.增加高压触点端电压差检测电路和高压器件的驱动电路；

3.增加线圈端控制回路(可以实现pwm控制，显著的降低对线圈的发热)；

4.增加了逻辑处理单元可以实时采集当前高压继电器的状态信息并反馈给整车。

以下结合图6对本发明实施例的高压继电器的控制原理予以详细说明。

首先要介绍一下电动汽车的预充电过程。电动车的整车，为了防止上电瞬间流过高压继电器的瞬间电流太大，预先会对逆变器的电容进行充电，这样就保证了在吸合前高压继电器触点端电压差比较小，高压继电器触点电弧的产生主要在断开时产生。预充电是通过预充继电器实现的。预充继电器串联一个电阻，以限定的电流给逆变器的电容充电，当逆变器的电容充满接近电池端电压时，预充继电器完成使命，断开预充回路。

至于为什么需要预充继电器，是由于电压非常高，逆变器的电容容量也比较大，如果主继电器在逆变器电容电压很小的情况下直接吸合，那么瞬间的电流会非常的大(因为电容这个时候几乎等于短路，电流可能会超过10000a)，那么主继电器将无法承受这么大的电流而立即损坏。所以新能源汽车在主继电器吸合前都会通过预充继电器的预充回路给逆变器电容充电，预充时间通常在几百毫秒左右。然后才吸合主继电器。

本发明实施例的高压继电器控制过程包括吸合过程和断开过程。

1，吸合过程：当整车低压电源上电并给高压继电器的控制输入信号发送吸合信号，逻辑处理单元根据高压触点端电压检测电路检测的触点两端的电压差情况，在电压差比较小的情况下通过控制q2使高压继电器线圈通电吸合高压继电器动触点。触点端电压检测电路检测的触点两端的电压差持续比较大的情况下，逻辑处理单元则可以通过诊断线路通知整车预充出现问题(这里假设正常的预充不正常导致触电两端压差持续比较大)，当触点两端的压差比较小之后通过控制q2使高压继电器线圈通电吸合高压继电器动触点，完成高压继电器的吸合动作，同时维持线圈电流保持触点处于吸合状态，并关闭高压电子开关器件q1。

2，断开过程：当整车需要高压继电器开时发送断开控制信号，高压继电器收到断开控制信号后，在触点保持吸合的状态下先控制高压电子开关器件q1，使q1保持导通状态。然后在控制q2断开线圈电流使得触点端释放(同时线圈端的剩余能量消除电路快速的消除线圈的剩余能量，使得继电器触点端快速的断开)。由于q1回路的存在，此时触点端在开始断开时触点两端的电压差保持很小，这样就可以保证在触点断开的时候完全杜绝电弧的产生(电弧的产生是由于有电压差，现在电压差很小所以可以保证完全消除电弧)。q1回路在触点端完全断开后即可关闭，实现高压继电器完全的断开。

所述的逻辑处理单元，可以包括微控制器mcu、单片机等，在本发明中用以完成高压直流继电器控制的逻辑判断和控制。

所述的高压器件驱动电路，作用是将mcu、单片机或dsp输出的脉冲进行功率放大，以驱动igbt(或者高压mos管等)，保证igbt的可靠工作。驱动电路起着至关重要的作用，例如对igbt驱动电路的基本要求如下：

(a)提供适当的正向和反向输出电压，使igbt可靠的开通和关断。

(b)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使igbt能迅速建立栅控电场而导通。

(c)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。

(d)足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

所述的高压电路的压差隔离检测电路，包括电压差采样电路，采样后经过放大或滤波处理，由于高压的存在，需要隔离后在进行采样、放大和滤波。

分析本发明实施例的技术方案，可以了解本发明的高压直流继电器的特点包括：

1.利用增加的并联高压电子器件回路，在高压继电器需要断开的时候，先断开机械继电器，此时由并联的高压电子回路保持线路的联通，机械触点端没有很大的电压差，则保证断开的时候可以完全杜绝电弧的产生。然后在关闭高压电子器件，实现回路的断开。由于高压电子回路仅需要在机械触点断开的瞬间(该时间范围与机械设计有关，大致在几ms的范围内)工作，可以充分利用高压电子器件的开关速度可以精确的达到机械触点断开之后很短的时间内断开高压电子回路。

2.包含触点两端电压差采集电路，可以实现继电器的失效及时诊断以及通知整车。

3.正常吸合时可以pwm控制线圈的电流，减少线圈端的发热。(电磁继电器通常吸合的电流要远远大于吸合后保持的电流，具备pwm控制后就可以在保持阶段减小线圈端的电流)。

4.由于此种设计从原理上消除了电弧的产生，结构设计上就可以按照普通电磁继电器的机构来进行设计，也无需真空室等。在结构上设计上对材料的要求和制造端的控制有突出的优势。

5.由于消除了电弧，本发明的高压继电器的耐负载能力、寿命将远远超过目前的机械式高压继电器。

6.本发明的高压继电器的分断能力是取决于并联的高压电子器件q1和断路金属片。分断能力是此种高压继电器唯一的相对弱项。高压电子器件q1的种类没有限制，可以是igbt、晶闸管、高压mosfet等等，由于对于电子器件的开关速度没有太高的要求，工作时间也非常的短，可以充分的选择脉冲耐受能力高的电子器件。由于高压电子器件q1回路仅在高压继电器触点断开的瞬间工作，对于q1的发热和散热几乎不需要考虑。增加的断路金属片(该断路金属不能够常时承载正常的电流，但短时(q1的工作时间)可以承受很大的电流)的目的是为了保证当分断能力超过了高压电子器件的安全工作区间后导致q1短路失效后，可以保证回路的完全断开。此种失效模式类似于普通高压继电器的触点粘连，粘连后就无法达到断路的目的了。而新发明的高压继电器在紧急情况选可以保障可靠的断开。

总结本发明的有益效果包括：

(1)触点端在吸合和断开的情况下可以保证无电弧，大幅提升产品寿命；

(2)由于完全消除了电弧，高压继电器无需真空室，降低产品制造难度与生产成本；

(3)机电混合式，仅需普通继电器生产要求，适合大批量自动化生产，提升生产效率；

(4)带诊断电路，在高压继电器有故障的情况下可以通知整车；

(5)线圈可以pwm驱动，在保持吸合状态下可以减小线圈端发热。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。