新能源汽车用直流接触器技术分析

新能源汽车用直流接触器技术分析
摘要：近几年新能源领域的快速发展使低压直流系统广泛应用，特别是光伏
系统、电动汽车、轨道交通等行业，其中，电动汽车用户对于电池容量与充电功
率的需求在快速提升，这使得车载高压BMS系统所需承载的电压和电流不断提升，线路故障电流保护难度随之加大，对关键保护器件直流接触器、熔断器的性能要
求提高。

关键词：直流接触器；保护功能；配电设计
前言：
近几年，随着新能源汽车的不断发展，整车厂商对于车载高压配电系统的研
发不断突破创新，一方面为了解决现有系统设计不可靠造成使用过程中多发的过载、短路等负载工况，另一方面是为了提升新能源车的行驶里程，解决续航焦虑。

多数车企前几代采用的是400V的高电压充电技术，随着系统架构的成熟度提升
以及不同车载零部件的快速发展，800V的车载系统随之诞生，并逐步替代400V
系统，未来将全面覆盖成为主流，其优缺点见表1。

表1
一、车载高压系统配电设计及保护需求
对于车载高压配电系统，最主要的功能是要对使用过程中突发的过载电流或短路电流进行快速切换保护，同时不会对系统造成破坏影响。

传统的保护方案一般用直流接触器+熔断器来实现，正常工况下，系统存在两个主接触器和一个预
充接触器，主接触器常规选用250A~300A
的产品，预充接触器选择50A的产品，
工作时首先闭合预充接触器和主负接触器，使回路通电，预充回路预充电阻存在的目的是为了保护电机免受瞬时大电流的冲击破坏，当母线电容充电至一定程度后，主正接触器闭合预充接触器断开，回路正常通电且在安全控制保护范围内。

若系统发生故障，当出现较小的过载电流时（目前整车厂提供数据为2000A以下），由于熔断器为反时限特性，会出现动作时间偏长或者不动作的情况，因此这时主要靠直流接触器进行切断，因此直流接触器还需要具有一定的过载分断能力，且过后仍能正常通断，当出现短路电流时（目前整车厂提供数据为最大15kA 左右），由于直流接触器的产品固有特性使其无法可靠分断，因此需要熔断器快速响应切断回路进行保护，且动作时间为5ms以内，同时在此段时间内，直流接触器不能出现熔焊的情况。

图1
图2
基于保护方案的适配性，电气厂商需针对直流接触器的大电流分断能力及短路电流抗熔焊能力进行设计。

直流接触器常见的形式分为环氧密封型和陶瓷密封型，其中陶瓷密封型由于安全级别更高目前已被广泛应用于车载系统。

结构如下图所示。

图3
图4
二、过载分断能力设计
与常规的空气式接触器不同，陶瓷密封型直流接触器采用陶瓷与金属焊接工艺，实现灭弧室密闭的效果，通过在其灭弧室内部充入高压氢气，从而达到快速熄灭电弧的效果，相同电压电流等级下，密封型产品较空气式产品体积更小可靠性更高。

对于2000A以下的过载电流可靠分断，通过充高压氢气进行压缩冷却电弧，另一方面通过增大开距、提升触头终压力、增大永磁体吹弧力等拉长电弧进行可靠分断。

增大开距常见的方法为加高灭弧室高度，使触头开距可从常见的
2mm提高至4mm。

通过进行电弧磁吹力仿真优化设计计算，可将分断性能明显提升，为了控制产品成本，制造厂商一般选用铁氧体作为磁性材料提供吹弧力，但这种材料由于矫顽力较小，能够提供的吹弧力较低，且随着与触头接触面的距离增大，其吹弧力下降明显，因此无法可靠分断大电流。

选用矫顽力大的材料即为这一优化方向的主要前提，通过大量的计算及试验验证，目前可选用的替换材料
为钕铁硼磁性材料，其矫顽力是铁氧体的数倍之高，同时在承受大电流分断的高
温作用后，不会出现由于超过居里温度点使导磁性能下降的现象，长期使用性能
稳定。

触头终压力的设计主要依靠产品磁系统提供，常见的产品一般采用单线圈
设计磁系统，这种结构设计简单，可通过理论计算结合Ansys仿真工具设计计算
得到可靠方案，但由于车载高压系统自身体积的限制，其散热设计也相对较难，
因此对内部器件的发热上限有明确要求，通过控制磁系统功率来控制发热是常见
方法，而由于单线圈磁系统功率的限制，使得电磁吸力无法提升。

三、短路电流抗熔焊能力设计
直流接触器触头的熔焊现象分为静熔焊和动熔焊两种，其中，静熔焊主要是
由于大电流通过触头接触面时由于接触电阻发热并传导至触头材料，使得金属铜
材发生软化，在接触面压力存在的情况下，两电极软化材料互相流动熔融形成新
的金属键，当熔焊面积越大时与金属键共同作用产生的熔焊力越大，若这一熔焊
力大于触头终压力，当磁系统断电时触头将无法打开从而处于熔焊状态。

动熔焊
主要是由于大电流通过触头接触面时，由于接触面导电斑点形成了电流收缩产生Holm力，这一力大于作用在动触头上的终压力，从而出现动触头斥开的现象，产
生电弧烧蚀触头材料，铜基触头对快速吸收大量能量变为熔融状态，接近于二次
冶金加工，当熔断器阻断短路电流后，触头熔焊。

为了解决动熔焊现象，首先需要对动触头通过短路电流发生斥开的现象进行
优化改进，即Holm小于压紧力。

Holm是由于接触面发生电流线收缩引起的现象，基于物理特性无法排除，且随着电流的增大明显提升，一般不会对其进行过多设计，常见的方法为通过其它力对其进行抵消。

直流接触器主回路系统中，用于抵
消Holm力的方向包括洛伦兹力(回路力)、触头终压力、增磁块反向补偿力，洛
伦兹力是由导电回路的结构产生，通过电流同向相吸异向相斥理论，将流过动触
板电流的方向设计成与流过静触头的电流方向同向，既可以抵消一部分Holm力。

总结：
以上内容主要介绍了车载高压系统的配电方案设计及保护需求，针对传统的
直流接触器+熔断器保护方案，梳理了实际使用过程中需要重点关注的配合功能，
同时介绍了针对不同保护需求产品的设计理论及优化改进方向，具体理论还需依据实际开发过程遇到的具体问题进行量化设计。

参考文献：
[1]陈晨,迟长春.电动汽车用直流接触器的电动斥力仿真及优化[J].上海电机学院学报,2022,25(02):76-81.
[2]赵小巍,王林,邱巍.电动汽车高压接触器故障诊断方法[J].上海汽
车,2021(06):4-7+19.。