在電動(dòng)汽車（EV）動(dòng)力總成中討論更激烈的部件旁邊是機(jī)電開關(guān)，稱為接觸器。盡管它們?cè)谝嫔w下平淡無奇，但它們是保持電動(dòng)汽車平穩(wěn)運(yùn)行的功能和安全要素的一部分。鑒于 41 年電動(dòng)汽車注冊(cè)量增長了 2020%1，并且每輛車都有幾個(gè)接觸器，這確實(shí)是一個(gè)重要的組件部分。

Wolfspeed的引擎蓋下是什么系列的這一章重點(diǎn)介紹了在電動(dòng)汽車中扮演各種角色的開關(guān)，從幫助管理電池平衡和路由車載充電器（OBC）以支持快速充電到保護(hù)電池免受過流條件的影響。

什么是接觸器？

它們是機(jī)電開關(guān)，雖然類似于繼電器，但執(zhí)行需要更高載流能力的重載應(yīng)用。接觸器提供低壓控制，可接合和分離銅板以連接或斷開高壓電流路徑的引線。

這些裝置包括一個(gè)螺線管（一個(gè)圓柱形線圈）和一個(gè)柱塞桿，柱塞桿的材料可以抵抗永久磁化，例如鋼。電流通過線圈會(huì)產(chǎn)生吸引柱塞的磁場。連接到柱塞的是厚銅板上的移動(dòng)觸點(diǎn)，該觸點(diǎn)與相同材料的固定觸點(diǎn)嚙合，提供非常低的電阻路徑，通常小于一毫歐，到主電路。該結(jié)構(gòu)允許開關(guān)在控制電路和被開關(guān)的主電路之間提供電氣隔離。

接觸器在運(yùn)行

今天的電動(dòng)汽車通常都使用常開（NO）或常閉（NC）的電磁接觸器。這些設(shè)備發(fā)現(xiàn)自己處于從電池中消耗超過幾安培的任何東西的路徑中 - 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，OBC甚至為12 V和48 V系統(tǒng)供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

保護(hù)電池組的鑰匙接觸器放置在電池組旁邊或嵌入其中，具體取決于 OEM 的選擇。電池和逆變器由這些接觸器隔離，以確保車輛關(guān)閉時(shí)的安全。主正極接觸器位于電池正極端子和逆變器之間，主負(fù)極接觸器位于電池負(fù)極端子和逆變器之間（圖 2）。兩個(gè)電源軌的電氣隔離是為了安全起見，以提供冗余，并最大限度地減少替代電流路徑的意外設(shè)計(jì)。

主接觸器在發(fā)生碰撞或其他故障時(shí)斷開高壓正極和負(fù)極引線，例如高速制動(dòng)導(dǎo)致從電機(jī)到電池的高反電動(dòng)勢。接觸器還允許機(jī)械師安全地脫離電池組以進(jìn)行更換。

圖2所示的預(yù)充電接觸器有一個(gè)串聯(lián)電阻來限制電流，并且兩者都與主接觸器并聯(lián)放置。此設(shè)置是必需的，因?yàn)闋恳孀兤骶哂幸唤M濾波電容器或直流鏈路電容器，當(dāng)主接觸器閉合時(shí)，它們會(huì)吸收高浪涌電流。浪涌電流會(huì)損壞電池及其路徑中的其他組件。因此，預(yù)充電電流路徑位于初始上電期間。

電池 EV （BEV） 還具有一對(duì)直流快速充電接觸器，這些接觸器繞過交流 OBC，在電池和車外快速充電器之間建立直接連接。同樣，OBC 具有接觸器，從 DC-DC 轉(zhuǎn)換器到低壓輔助系統(tǒng)（如加熱器、空氣壓縮機(jī)、泵和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器）的路徑也是如此。

容錯(cuò)中的故障

雖然接觸器主要用于提高BEV系統(tǒng)的安全性和容錯(cuò)能力，但它們本身并非沒有操作缺陷和可靠性問題，如下所述。

彈跳：每當(dāng)接觸器打開或關(guān)閉時(shí)，設(shè)備中的彈簧動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)反彈幾次，然后在新位置停止。從長遠(yuǎn)來看，這會(huì)損壞觸點(diǎn)，并導(dǎo)致電路中立即出現(xiàn)電壓尖峰（圖3），從而損壞其他元件。物理損傷使接觸面粗糙并加劇火花。電壓尖峰可以被容性負(fù)載阻尼，但會(huì)導(dǎo)致感性負(fù)載出現(xiàn)問題。

感性負(fù)載突降：當(dāng)接觸器斷開以斷開大電流承載電路時(shí)，路徑中的感性負(fù)載（例如牽引逆變器和電機(jī)）會(huì)在電路中引起高反電動(dòng)勢（EMF）或電壓過沖。感應(yīng)作用會(huì)暫時(shí)導(dǎo)致比最初施加的電壓高得多的電壓，這可能會(huì)損壞接觸器和其他組件。請(qǐng)注意，聯(lián)系人跳出也會(huì)加劇此問題。

保持電流：機(jī)電開關(guān)通常需要連續(xù)的電流流過電磁閥以保持開關(guān)關(guān)閉（或在 NC 接觸器的情況下打開）。盡管所需的能量很低，但對(duì)于追求效率高于一切的應(yīng)用來說，這是一個(gè)重要的考慮因素。

儲(chǔ)存能量：由于接觸器本身由電感器（電磁閥）操作，因此低壓控制電路中也會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)能量的問題。該感性能量必須通過續(xù)流二極管（圖4）或高端MOSFET耗散。

閂鎖：當(dāng)接觸器作為其正常工作的一部分被“鎖定”或關(guān)閉時(shí)，它需要相反方向的磁力來打開攜帶大電流的高壓端子。切換非常高的電流有時(shí)會(huì)導(dǎo)致接觸焊接，從而使接觸器保持鎖定狀態(tài)。如果發(fā)生故障，這可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障，包括火災(zāi)。

引發(fā)：當(dāng)電動(dòng)汽車中的高壓電路閉合或斷開時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。電流彌合了導(dǎo)致火花的觸點(diǎn)之間的間隙。接觸器通常封裝在堅(jiān)固的外殼中，以防止火花影響周圍環(huán)境。但是，火花會(huì)導(dǎo)致模塊中足夠高的功耗，從而破壞銅接口并導(dǎo)致更高的電阻。周圍組件上的電磁干擾（EMI）也會(huì)影響其功能。

原始設(shè)備制造商可能必須在兩種緩解選項(xiàng)之間進(jìn)行選擇——充滿惰性氣體的接觸器有助于最大限度地減少或熄滅火花，或者帶有附加電磁鐵的接觸器，將火花從觸點(diǎn)“拉伸”到溜槽中，在那里它被“吹滅”。

固態(tài)接觸器的未來

為了解決上述缺點(diǎn)，包括Wolfspeed設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的業(yè)界正在研究使用固態(tài)開關(guān)（如高性能碳化硅MOSFET）來取代機(jī)電接觸器。基于 MOSFET 的接觸器將通過低壓隔離柵極驅(qū)動(dòng)器輸入提供高電流路徑的低壓控制。

像這樣的固態(tài)接觸器將具有顯著的優(yōu)勢：

沒有運(yùn)動(dòng)部件受到機(jī)械磨損，從而延長了使用壽命

避免觸點(diǎn)反彈、火花和觸點(diǎn)氧化，提高可靠性

與機(jī)電開關(guān)相比，開關(guān)速度呈指數(shù)級(jí)增長 — 以納秒為單位 — 提供更高的系統(tǒng)安全性和容錯(cuò)能力

更輕，占地面積更小

然而，在這種接觸器成為主流之前，必須克服某些挑戰(zhàn)。其中第一個(gè)與抵抗有關(guān)。由于機(jī)電接觸器提供<1 mΩ，因此可能需要并聯(lián)多個(gè)固態(tài)開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)相同的性能。MOSFET的浪涌電流能力也遠(yuǎn)低于機(jī)械開關(guān)。電感拋負(fù)載問題對(duì)氣隙兩端具有非常高電壓的機(jī)電開關(guān)提出了挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致MOSFET擊穿。

審核編輯：郭婷