高压直流继电器基本介绍及触点分析.pdf

电工材料 2023 No.4朱亚哲等：高压直流继电器基本介绍及触点分析高压直流继电器基本介绍及触点分析朱亚哲，李亚南，庄新军，刘晗，蒋德志，冯朋飞（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）摘要：高压直流继电器因独特的结构和灭弧系统，具备很强的短路分断能力和安全保护功能，广泛应用于新能源汽车和充电桩领域。结合X荧光光谱和能谱分析得出：所分析的DC 750 V、250 A高压直流继电器动、静触点属于同一种材料，触点材料的金相组织均匀，主要成分为Cu，剩余成分Te，含量约为0.3%。关键词：高压直流继电器；短路分断能力；保护功能；新能源汽车；碲铜中图分类号：TM581 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.002Application Characteristics and Contact Analysis of High Voltage DC RelayZHU Yazhe,LI Yanan,ZHUANG Xinjun,LIU Han,JIANG Dezhi,FENG Pengfei(Guilin Coninst Electrical Electronic Material Co.,Ltd.,Guangxi Guilin 541004,China)Abstract:Because of unique structure and arc extinguishing system,high-voltage DC relays have strong short-circuit breaking ability and safety protection functions,and are widely used in the fields of green car and charging piles.By combining X-ray fluorescence spectroscopy and energy spectrum analysis,it can be concluded that:The dynamic and static contacts of the DC 750 V,250 A high-voltage relay analyzed in this article belong to the same material,and the metallographic structure of the contact material is uniform.The main component is Cu,while the remaining component is Te,with a content of approximately 0.3%.Key words:high voltage DC relay;short circuit breaking capacity;protection function;green car;CuTe0引言随着全球变暖和能源日益紧张，国家能源战略的实施以及人类环保意识不断提升，电动汽车已逐步替代传统燃油汽车。由于人们对电动汽车动力性能和续航里程日益提高，电动汽车的用电功率、电流和电压等级不断提升，进而对电动车电气系统的安全性能提出了更高的要求。高压直流继电器作为控制各高压回路通断的执行部件，它是电动汽车安全的重要保障。我国高压直流继电器市场增长较快，2021年高压直流继电器总市场规模约50亿元，车用和充电桩用高压直流继电器总量超过2400万台，预计到2025年高压直流继电器市场规模达到134亿元，高压直流继电器在光伏领域和储能领域也有广泛的应用。本文对高压直流继电器做了基本介绍，触点材料作为高压直流继电器的核心部件，受到了广泛的关注，选取市场上常见的高压直流继电器，对其触点进行了详细的研究。1高压直流继电器1.1高压直流继电器应用场景新能源汽车在电动汽车的电池系统和电机控制器之间配置高压直流继电器，当系统停止运行时起隔离作用，系统运行时起连接作用；当车辆故障时，又能安全地将电池系统从车辆电气系统中分离，起保护作用。每台新能源乘用车需配备58只高压直流继电器。高压直流继电器最常见的应用见图1，主要包括主继电器、预充继电器、快速充电继电器、普通充电继电器、辅助继电器，上述继电器因功能不同，电流等级存在明显的差异。直流充电桩上通常配置2只高压直流继电器，用于充电线路控制和保护。作者简介：朱亚哲（1986-），男（汉族），山东潍坊人，工程师，主要从事的金属材料研究。收稿日期：2023-01-193电工材料 2023 No.4朱亚哲等：高压直流继电器基本介绍及触点分析1.2新能源高压直流继电器结构高压直流继电器结构和触点系统见图2，主要包括触点、线圈、铁芯、静磁极、释放弹簧、灭弧室和外壳等。为降低电弧对触点的烧蚀，继电器内部灭弧室一般充氢气的混合气体，氢气具有还原性可以有效预防触点氧化，降低接触电阻，并且氢气优异的导热性有利于电弧的熄灭。另外，灭弧室通常还会结合电磁吹弧的方式加强继电器的灭弧能力，但继电器设计过程中灭弧磁场位置固定，有的继电器主触点存在正负极之分，如果使用过程中接反，其各项性能会显著下降。1.3新能源高压直流继电器性能要求新能源汽车工作电压通常在200 V400 V，新能源乘用车和大巴车的电动机额定功率一般分别为 30 kW 和 80 kW 以上，功率的峰值分别达到 60 kW和160 kW以上。当电压从400 V提升到800 V后，充电效率明显提高、充电时长明显缩短，线路中的电流更小，产生的功率损耗更小，进而提升了新能源汽车使用体验。但是，电压和功率的提升，对高压直流继电器提出了更高的要求。相对于传统燃油车，新能源车使用工况更恶劣，主要体现在：电压和电流更高；主流车型电压达到 300 V400 V，电流达到 200 A300 A，而传统燃油车额定电压通常DC 12 V和DC 24 V，常见电流通常50 A以内；冲击电流频繁；故障电流大，短路电流甚至超过10 kA；电器件发热量大、温升明显。由此可见，传统燃油车继电器性能较低，无法适用于新能源汽车工况。高压直流继电器常见的试验有：阻性寿命试验，试验电流包括额定电流和过电流；容性负载电寿命试验，通常只接通不分断；极限分断能力试验；抗短路电流能力试验，要求试验过程不能发生爆炸，抗短路耐受试验要求见表1。由于汽车在运行过程使用工况复杂，如遇电气系统短路时，高压直流继电器应能顺利切断电路,而不发生触点粘连或继电器爆炸等异常状况,各个厂家对高压直流继电器性能要求各有差异，一般都会高于标准要求。1.4高压直流继电器触点外观和成分分析全球新能源高压直流继电器市场高度集中，2022年全球前三厂商占据约70%的市场份额。分析了某知名厂家高压直流继电器触点，该继电器额定电压和电流分别为DC 750 V、250 A，具体外观尺寸见表2，动、静触点外观见图3和图4，动触点表面进行了镀银工艺处理，目的为降低接触电阻。通过X荧光光谱对材料成分进行了分析，得出动、静触点成分相同，主要元素为Cu，其余均为添加元素Te，含量约为0.3%。在电弧作用下低熔点金属碲从合金图2高压直流继电器结构和触点系统表1短路耐受试验要求标称工作电流In/A150200250300及以上耐受电流/A3000400050006000电流持续时间/ms101055次数1次及以上1次及以上要求产品不爆炸、不起火、触点不粘连产品不爆炸、不起火、触点不粘连图3动触点外观照片表2外观尺寸触点动静长/mm29.9514.95宽/mm12.9410.01厚/mm3.1114.521为主继电器，电流等级通常100 A300 A；2为预充继电器，电流等级通常10 A40 A；3为快速充电继电器，电流等级通常100 A400 A；4为普通充电继电器，电流等级通常10 A40 A；5为辅助继电器，电流等级通常10 A40 A；6为充电桩用继电器，电流等级通常100 A600 A。图1汽车高压直流继电器4电工材料 2023 No.4朱亚哲等：高压直流继电器基本介绍及触点分析中分解，吸收大量热量对电弧有冷却作用，因此具有一定的抗电弧侵蚀能力；焊接熔池冷却时，碲元素在触点焊点处偏析形成Cu2Te脆性化合物，对抗熔焊性有利1。1.5触点力学性能分析触点电导率见表3，动、静触点电导率略低于纯铜的电导率，纯铜电导率约为58 MS/m。原始态触点硬度见表4，由硬度结果可知，动触点和静触点硬度差异较大。1.6金相组织金相组织见图5。由图5可知，动、静触点金相组织均匀。1.7扫面电镜及能谱结果图6和图7分别为动、静触点30倍视场下的能谱结果。结果显示，动、静触点材料均为碲铜，动触点碲含量为0.32%，静触点碲含量为0.41%。由于能谱属于半定量分析，结合X荧光光谱和金相图片综合判定，动、静触点属于同一种材料，主要元素为Cu，其余元素为Te，含量约为0.3%。表4动、静触点硬度触点动静原始态/(HV0.3)85.8 82.5 86.9 81.5 85.4 84.455.6 59.7 57.4 55.8 56.3 55.6表3动、静触点电导率触点动静原始态/(MS/m)55.2756.89图5动、静触点金相图图4静触点外观照片5电工材料 2023 No.4朱亚哲等：高压直流继电器基本介绍及触点分析2结论（1）高压直流继电器因独特的结构和灭弧系统，具备很强的短路分断能力和安全保护功能，广泛应用于新能源汽车和充电桩领域。（2）高压直流继电器需进行极限分断能力和短路耐受能力等极端试验测试，同时还需要保持低的接触电阻。（3）DC 750 V、250 A高压直流继电器动、静触点属于同一种材料，触点材料的金相组织均匀，主要元素为Cu，剩余添加元素Te，含量约为0.3%。参考文献：1 李权,丁敏,吴爱萍,等.铜基电磁开关触头材料的抗熔焊性能J.中国有色金属学报,2013,23(8):8.2 彭杨茗,刘爽,肖寒,等.电动汽车用高压直流继电器选型与匹配C.中国汽车工程学会年会论文集,2021.3 张朝权.浅析高压直流继电器灭弧系统J.电子元器件与信息技术,2020,4(1):3.图6动触点30倍能谱图7静触点30倍能谱PLC程序设计和WinCC页面组态设计。PLC主程序主要包括系统参数初始化，读取设备启动信号，熔炼关键工艺参数信号采集设计。PLC主程序流程如图4所示。WinCC的组态设计主要是人机交互的界面，设计当前熔炼关键工艺参数的曲线显示。此外，需要设计能够实现上位机控制电弧熔炼炉设备的运行及停止，便于远程监控，同时，还需要设计工艺参数配方库，操作者可以根据不同材料及规格的产品设置相应的生产阈值，实现熔炼过程的工艺参数异常的自动控制，降低操作者的操作难度及技术要求，确保生产工艺的稳定性。3结束语通过电弧熔炼炉数据采集与监视控制系统的设计并实际应用，实现了对设备的熔炼工艺参数的数据采集和实时远程监控，为工艺技术人员进行产品质量分析提供了有效的数据支持。通过改造，设备还实现了电弧熔炼炉整个生产过程的自动化控制，确保了产品质量的稳定性。参考文献：1 杨永维,陈今润,纪亚芳.基于PLC的真空自耗电弧炉控制系统J.自动化技术与应用,2008,27(5):4.2 邹伟,高颀.真空自耗电弧炉电控系统的改造设计与实现J.自动化仪表,2010(4):4.3 邹武装.真空自耗电弧炉控制系统设计及实现J.现代电子技术,2011,34(18):3.4 杨永维,陈今润,熊炜,等.基于Profibus的真空自耗电弧炉控制系统J.计算机测量与控制,2008,16(11):1596-1599.图4PLC主程序流程（上接第02页）6