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新能源汽车高压电路的安全切换技术 ——高可靠、高性价比的高压直流继电器方案

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新能源汽车高压电路的安全切换技术 ——高可靠、高性价比的高压直流继电器方案

作者:
来源:
厦门宏发电力电器有限公司
日期:
2018/01/15 13:55
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众所周知,新能源汽车主回路电压一般都大于200Vdc,远高于传统汽车的12~48V。由于直流电的电流是连续不变,且是高电压,所产生的电弧较难熄灭,如果没有及时、干脆地熄灭电弧,可能会导致漏电、着火、爆炸等极端情况,因此新能源汽车电源主回路中必须安装具备很强灭弧能力、安全可靠的安全分断设备——高压直流继电器。

 

高压直流继电器是在直流电路中用来控制高电压、大电流的继电器,用于动力电池包与整车用电系统的安全连接,它是新能源汽车不可或缺的核心关键零部件,具有动作快、体积小、灭弧安全性高、动作可靠性高、寿命长久等特点。

 

厦门宏发电力电器有限公司从2006年开始研发高压直流继电器系列产品,经过十余年的技术发展,并通过与国内外众多主流整车、电池电控企业的技术输入与研发合作,已形成多个成熟的、具有很高性价比的高压直流继电器产品系列,广泛应用于纯电动、混合动力乘用车、大巴以及48V系统等领域。

 

除了应用于新能源汽车及配套的充电桩领域外,宏发高压直流继电器还可广泛用于光伏/风能发电系统的逆变器、云端服务器的驱动电源、军事领域、地面供暖系统、施工设备、AGV、UPS、医疗器械等领域。

 

本文中,我们主要介绍宏发高压直流继电器在新能源汽车领域的技术与应用。

 

一、主要关键技术与专利情况

 

厦门宏发电力电器有限公司高压直流继电器采用陶瓷腔体密封触点,在陶瓷腔体内充填灭弧保护气体,产品具有分断接通高电压大电流的能力、可靠性高等特点,产品系列的典型结构见下图:

 

图1 厦门宏发电力电器公司高压直流继电器典型结构图

 

作为国内较早进行高压直流继电器产品研发并实现批量生产的企业,在多年的研发与改进过程中,宏发高压直流继电器积累了自身独特的关键技术,从而使产品性能达到国际先进水平:

 

1、真空密封灭弧设计技术:引入绝缘等级最高的陶瓷材料,通过陶瓷腔体将继电器触点密封,同时在密封腔体内填充以氢气为主的气体,使触点工作在一个高压、密闭的稳定环境内,提高了触点接通与分断直流高压大负载的能力、保证触点在高温、电弧的侵蚀下不易氧化,相比市面上环氧密封类直流继电器产品,宏发高压直流继电器在寿命的中、后期仍具有良好的载流、导电能力,提高了继电器的使用寿命。

 

2、模块化技术方案:产品设计采用模块式结构,将产品分成灭弧部分、接触部分、驱动部分、安装部分四部分进行分块设计;并从保证零部件及产品整体的可靠性、优化结构、简化装配方式、适应自动化批量生产、提高产品稳定性等方面进行设计。

 

3、直流抗短路结构设计技术:宏发电力电器公司在高压直流继电器产品设计中,使用了抗短路结构设计技术“一种抵抗/匹配电动斥力的灭弧磁路及其直流继电器”,该技术已经获得国内发明专利,从而使产品具有较强的抗短路能力。

 

4、电接触可靠性设计技术:通过桥式接触结构设计方案及独特设计的动动簧片与球面静触点的电接触方案,提高了继电器的分断能力,近一步降低了接触点的接触压降,实现了产品高可靠接触。

 

5、双重绝缘设计技术:继电器强弱电之间采用双重绝缘设计结构,产品强、弱电之间的耐压达4000V,大大提升了产品的安全性、反向负载分断能力,在同国内外标杆企业的产品对比试验中,宏发公司产品性能表现优异。

 

6、节能驱动设计:优异的节能板设计电路加螺线管式电磁铁方案设计,有效降低了产品的待机功耗、提高了产品驱动的电磁吸力。

 

针对在自主研发过程中的研发成果,厦门宏发电力电器有限公司十分重视对知识产权的保护,目前产品技术成果已经申请并受理了50项各种专利,其中国际专利7项,国内发明专利18项,实用新型专利25项。

 

 

 

二、厦门宏发电力电器有限公司高压直流继电器产品的优势

 

1、系列全:陶瓷气密封结构,额定电流从10A-1000A、额定电压从12VDC-1000VDC,拥有方形和圆形外形结构,灵活的安装形式,满足不同客户、不同应用场合的需求。

 

2、可靠性高:独特双重绝缘设计技术,绝缘电阻达1000MΩ(1000VDC),介质耐压达到4kV,满足IEC60664-1标准。高抗短路能力:短路能力达到6000A 20ms不爆炸。

 

3、低功耗节能环保:触点接触电阻低(最小达到0.07mΩ),延长新能源汽车电池续航里程;驱动线圈采用PWM、节能板设计,待机功耗更低。

 

4、负载分断能力强:极限分断10倍额定电流。

 

5、电寿命能力强:尤其是反向电寿命能力明显高于其它品牌产品;抗容性冲击性能优于同类型产品。

 

三、国际水平对比分析

 

宏发高压直流继电器从2006年至今,经过十余年的技术发展,产品性能方面已经达到国际先进水平,部分性能甚至超越国外主流产品。以HFE18V-200为例,宏发高压直流产品与国外主流品牌对比,在接触压降、正向/反向电气寿命、最大切换电压、介质耐压、动作时间方面都优于对方,如要性能对比如下:

 

项目 宏发HFE18V-200 某国外主流品牌200A产品
额定负载 200A 750Vd.c. 200A 400Vd.c.
环境温度 -40℃~+85℃ -40℃~+85℃
振动 正弦振动49m/s2 正弦振动43m/s2
VW80000 随机振动D类要求
冲击:稳定性 激励与非激励状态:196m/s2(20g) 激励状态:196m/s2(20g)
非激励状态:98m/s2(10g)
强 度 490m/s2(50g) 490m/s2(50g)
安装方式 法兰螺钉安装内螺纹安装 内螺纹安装
工作位置 任意 任意
密封性能 H2混合气体 H2混合气体
接触压降 0.06V(测试电流200A) 0.1V(测试电流200A)
机械寿命 20万次 20万次
触点最大切换电压 1000Vd.c. 600Vd.c.
最大切断电流 2000A 750Vd.c.(1次以上) 2000A 350Vd.c.(1次以上)
电气寿命 3000次(200A 450Vd.c.) 3000次(200A 400Vd.c.)
反向电寿命 100次(-200A 450Vd.c.) 100次(-200A 200Vd.c.)
介质耐压 触点间:3000Va.c. 触点间:2500Va.c.
(漏电流小于等于1mA) (漏电流小于等于10mA)
触点与线圈间:4000Va.c. 触点与线圈间:2500Va.c.
(漏电流小于等于1mA) (漏电流小于等于10mA)
绝缘电阻 1000MΩ  1000VDC 100MΩ  500VDC
吸合时间 ≤30ms ≤50ms
释放时间 ≤10ms ≤30ms
额定功耗 启动时:34W  保持时:4W 5.4W
抗短路 5000A TBD
动作电压 60%额定电压 75%额定电压

 

四、成果应用情况

 

厦门宏发电力电器有限公司从2006年开始立项研究开发高压直流继电器,至今已有10余年,经过多年的深耕、积累,目前拥有齐全的产品系列,能够替换TE、松下、LS等国际品牌的全系产品,为高压直流产品国产化提供高性价比的产品和服务,同时,给客户更加全面的选择空间,在此基础上,得到各类车厂的广泛认可,在大巴、乘用车及物流车上都得到了广泛的应用,其中主继电器的主要批量代表客户有:

 

类别 大巴 乘用车 物流车
代表客户 宇通、厦门金龙、南京金龙、苏州金龙、中通、银隆 奇瑞、江淮、江铃、北汽、知豆、众泰等 通家、成功物流、成都雅俊、申龙、南京金龙、东风、江铃等;
主要产品 HFE18V-300 HFE82V-25、HFE82V-200、HFE82V-150B、HFE85V-250、HFE85V-200 HFE18V-250、HFE18V-200
行业份额 40% 20% 40%

 

与此同时,厦门宏发电力电器有限公司积极布局全球,与特斯拉、大众、奔驰、保时捷等众多整车厂及德科斯米尔、三星、马夸特等一级供应商保持紧密合作,并陆续完成多家厂商的供应商审核,得到国际市场的认可,部分产品已开始小批量供货。

 

宏发高压直流继电器针对新能源大巴、乘用车,形成了一系列全套解决方案,从主继电器、预充继电器到充电继电器等,都有多种型号可供选择,不仅可以完全匹配主流的电池包、电机功率需求,安装方式灵活、性能可靠,而且可以无缝替换国外品牌产品,为客户带来更具性价比的选择。部分典型的应用方案如下:

 

 

 

 

五、成果的产能建设情况

 

厦门宏发电力电器有限公司现有5条高压直流继电器生产线,年生产能力400万只;为了适应不断扩张的市场,公司将于2018年初启用全新的厦门海沧生产基地,占地面积90亩,新建厂房8.1万平方米,其中规划建筑面积22000平方米用于“高压直流继电器产业化”项目建设,届时高压直流继电器生产线将达到8条,生产能力达600万只。

 

为了适应全球新能源汽车快速发展的需要,公司规划高压直流继电器将在2020年达到16条以上,年产能超过1200万只,成为世界高压直流继电器最主要研发、制造基地商。

 

  生产线建设 生产能力(万只)
2017年 5 400
2018年 8 600
2019年 12 800
2020年 16 1200

 

作为国内继电器行业龙头企业,宏发将不断紧跟市场、提升性能、精耕服务,为全球新能源汽车行业提供最具性价比的高压直流继电器解决方案。

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