动力电池系统介绍(8)
一、继电器工作原理
在写动力电池系统介绍(6)-预充电路介绍时，提到要介绍继电器，所以这篇文章就来说说。
1.1 继电器结构
一般来说，大功率场合称为接触器（conductor），小功率场合称为继电器（relay），但其实有各种各样的名字，所以先不要讨论太多的名字，统一先叫继电器。 继电器由线圈、磁路、反力弹簧和触点四部分组成，用符号K表示。(网络图片) 
(1)线圈的目的是通电后产生电磁吸力，驱动磁路的凝聚力吸合，使触点变位。 (2)磁路由铁芯、铁扼和电枢组成，为线圈产生的磁通道建立磁路通道。利用电磁感应原理，实现电枢的吸合或断开，控制电路的连接或断开，从而实现小电流对大电流的控制；同时降低开关触点的电流电荷，保护开关触点不被烧蚀。 (3)反力弹簧的作用是在线圈断电相反的电阻，当线圈断电时，可以帮助电阻和触点复位。 （4）触点的结构通常有三种：常开触点、常闭触点、转换型触点。（图片来源于网络）
| 触点结构 | 表示方法 |
|---|---|
| 常开触点 | normally open，Form A或NO，用H表示 |
| 常闭触点 | normally closed，Form B或NC，用D表示 |
| 转换型触点 | changeover，Form C或CO，用Z表示 |
1.2 继电器驱动电路
继电器驱动电流一般需要20-40mA或更大，线圈电阻为100-200Ω，因此，需要增加驱动电路。
电动汽车中继电器驱动分为高边驱动和低边驱动。简单来说，高边驱动意味着开关放在电源端，低边驱动意味着开关放在接地端。这次我们先提出一个概念，下次再谈高边驱动和低边驱动的区别。 通常使用三极管或MOS驱动开关， 以三极管为例说明驱动电路： (1)开关管基极增加限流电阻和下拉电阻(确保无驱动电流时截止)。 （2）在开关断开时，继电器的线圈电感会产生自感电势，会损坏电路。因此，需要在两端并联一根二极管，为自感电势提供泄漏通路，然后起到保护作用(续流需要选择肖特基二极管，有利于快速泄漏电势)。 （3）为了防止二极管被击穿，电阻通常串联在电路中，电阻值应根据不同类型的继电器参数确定。如果车载高压继电器产品的线圈有自己的反向浪涌吸收装置，则一般不需要在控制板上使用二极管；对于没有反向浪涌吸收装置的继电器，一般建议安装压敏电阻作为浪涌保护器。 (4)线圈驱动电路的功率应大于线圈的额定功率。 （下图摘自CSDN博主「威尼斯海盗」） 但事实上，越来越多的人选择集成在高边驱动和低边驱动电路中MOSFET驱动器开关。优点是控制简单，电路简单，诊断接口丰富。(下图来源网络)
二、继电器选择
2.1 继电器位置
涉及动力电池的相关继电器位置如下图所示(图为微信微信官方账号新能源BMS）： （1）主正、主负继电器； (2)预充继电器； (3)快充继电器； (4)慢充继电器继电器； (5)加热继电器(图片源网络)
2.2 继电器选型
2.2.1 线圈技术参数
| 序号 | 线圈技术参数 |
|---|---|
| 1 | 额定电压：为了使继电器可靠工作，需要给线圈施加电压值 |
| 2 | 动作电压：吸收继电器触点的最大线圈电压值 |
| 3 | 释放电压：断开继电器触点的最大线圈电压值 |
| 4 | 线圈电阻一般指20℃与温度正相关的线圈直流电阻值 |
| 5 | 线圈功耗：额定线圈功率 |
线圈额定工作电压：12V或24V。动作电压、释放电压、线圈电阻电压、释放电压、线圈电阻和功耗。V规格的线圈电阻一般约为24Ω，24V规格的线圈电阻约为96Ω。
2.2.2 触点参数
| 序号 | 触点技术参数 |
|---|---|
| 1 | 接触形式：常开H/常闭D |
| 2 | 接触电阻：指电流通过闭合接触点时的电阻mΩ表示 |
| 3 | 触点材料：AgNi/AgSnO2/AgCdO等 |
| 4 | 触点负载：阻性负载/感性负载/容性负载 |
| 5 | ：指继电器触点可靠切换的最大负载，通常用于交流VA直流用W表示 |
| 6 | 机械耐久性：又称机械寿命，是指继电器的抗机械磨损能力。在空载条件下，以及继电器未失效的开关次数，弹性机构用于测量机械是否失效 |
| 7 | ：电气寿命又称电气寿命，是指继电器的耐电磨损能力。继电器无故障的开关次数。通过测量触点电阻或触点损坏来测量电气故障。一般数据手册中显示的电耐久性是在额定负载、一定温度和运动频率下测量的值。对于不同的负载类型和切换频率，电耐久性会有所不同 |
是选型匹配过程中需要考虑的对象。 (1)额定负载容量:规定电压下电阻负载允许的最大电流。因此，继电器的额定负载容量高于电池的额定电压。 (2)接触过载能力:接触需要瞬时过载能力，一般是额定负载的4-5倍，动作的50-100倍。接触具有短时间过流能力，一般为额定电流的2-3倍，持续时间为30倍S-3min，对继电器寿命影响不大。 （3）容性负载：在继电器触点损坏的事故中，容性负载的事故率最高。原因是人员在选择过程中只注意负载的额定功耗，而忽略了瞬态功耗。 事实上，动力电池系统高压继电器的主要负载来自驱动电机控制器，包括大容量负载。电源瞬时电容内阻小，充电电流大。因此，设置的预充电电路减少了继电器关闭时的电流冲击。 (4)感性负载供电时，启动电流峰值远大于常载电流，可达10倍以上。此时，应在感性负载中并联一个浪涌保护装置。 电动汽车继电器的负载包括电机控制器，DC/DC、空调压缩机总成，PTC其他部件一般都有感性负载，开关开关时会产生传导干扰。因此，Y电容器已经达到了继电器触点输入端的滤波效果，从而减少或消除了对控制板的干扰。 (5)触点弹跳:触点切换瞬间并不能实现理想闭合。当动触点（簧片）在转换与固定触点接通时，由于簧片有弹性，所以，在接触的瞬间会发生回跳，这个震荡过程会产生一串脉冲。由于继电器存在继电器存在这个固有缺点，所以会对电路产生干扰，目前车载高压继电器产品基本都会在触点端设置反向浪涌装置。 （6）若继电器控制的负载既可以在交流端也可以在直流端进行，应优先选择交流端通断。因为在断开感性负载电路时，会存在比电路电压大很多的反向电压，会导致触电材料的消耗和转移量增大。在电流大小相同的情况下，继电器切断的直流电压要比交流电压值小，因为交流电存在零点，产生的电弧容易熄灭，而直流产生的电弧需要触点间隙达到一定距离后才会熄灭，电弧持续的时间更长，触点的损耗更多。外围电路在触点间或负载间加RC灭弧电路。
2.2.3 性能参数
| 序号 | 性能参数 |
|---|---|
| 1 | 绝缘电阻：是指继电器的壳体/线圈与触点之间加以规定直流电源情况下测得的电阻值 |
| 2 | 介质耐压：一般为1min内，施加在继电器（继电器完好）线圈和触点之间断开的触点之间的最高电压 |
| 3 | 动作（置位）时间：从线圈通电开始到触点达到闭合状态所需要的时间，时间与施加在线圈两端的电压值有关，电压越大时间越短 |
| 4 | 释放（复位）时间：从线圈断电开始到触点复位所需要的时间 |
| 5 | 冲击和振动：衡量继电器整体结构可靠性的参数 |
| 6 | 封装方式：继电器常用的封装方式有敞开型、防尘罩型、防焊剂型、塑封型、金属密封型。塑料具有一定的透气性，所以使用环境存在有害气体或有防爆要求的话，需要使用密封型继电器 |
以上部分资料来源: 继电器主要参数（结合宏发继电器HF32FV-G 规格书）。
继电器的外观尺寸、布置方式、密封性、使用温度、湿度、压力范围也都需要根据实际使用场景进行确定。还应以厂商提供的规格为参考依据，为考虑负载的阻抗形式和浪涌电流保留充分的余量。
三、继电器故障诊断
继电器常见故障：线圈烧断、匝间短路、绝缘老化、触点烧蚀等。
3.1 万用表检测
继电器没安装上车之前，可以直接用万用表测量继电器是否正常： （1）开路检测：用万用表R*100Ω档检查（85）脚与（86）脚为线圈电阻；（87）和(87a)脚应导通；而（87）脚与（30）脚之间的电阻为∞。 （2）通路检测：开路检测没有问题的话，可以在85/86之间加12V供电电源，再用万用表测量，（87）脚与30脚应导通。如不符合上述规律，或通电后继电器发热，均说明其已损坏。
3.2 直接观察
如果方便观察继电器的情况下，可以直接从继电器的表面或吸合声判断其是够正常： （1）打开继电器外壳，看触点有没有烧蚀、氧化：如果触点上有凹凸点或锈蚀，说明触电氧化或烧蚀，可能会影响正常工作；另外看线圈有无烧蚀、变色：如果线圈烧蚀有胶状物，线圈发黑或有胶味说明线圈烧蚀短路。 （2）接通点火开关，用耳朵或听诊器去观察继电器内有无“嗒”的吸合声。
3.3 更换继电器
把需要检测的继电器拔下来，换一个相同的工作正常的继电器并打开开关。如果该用电设备回复正常工作，即证明原继电器有问题。
3.4 上下电时序检测
如果继电器已经安装进电池包并在使用过程中发现不能正常上下电，可以通过控制上下电时序来检测继电器的好坏，一般电池包内的继电器故障主要是不能吸合、不能断开。 具体检测方法可以参考链接: 怎么检测继电器的粘连故障。