引擎盖下：接触器实现电动汽车安全

在电动汽车（EV）动力总成中讨论更激烈的部件旁边是机电开关，称为接触器。尽管它们在引擎盖下平淡无奇，但它们是保持电动汽车平稳运行的功能和安全要素的一部分。鉴于 41 年电动汽车注册量增长了 2020%1，并且每辆车都有几个接触器，这确实是一个重要的组件部分。

Wolfspeed的引擎盖下是什么系列的这一章重点介绍了在电动汽车中扮演各种角色的开关，从帮助管理电池平衡和路由车载充电器（OBC）以支持快速充电到保护电池免受过流条件的影响。

什么是接触器？

它们是机电开关，虽然类似于继电器，但执行需要更高载流能力的重载应用。接触器提供低压控制，可接合和分离铜板以连接或断开高压电流路径的引线。

这些装置包括一个螺线管（一个圆柱形线圈）和一个柱塞杆，柱塞杆的材料可以抵抗永久磁化，例如钢。电流通过线圈会产生吸引柱塞的磁场。连接到柱塞的是厚铜板上的移动触点，该触点与相同材料的固定触点啮合，提供非常低的电阻路径，通常小于一毫欧，到主电路。该结构允许开关在控制电路和被开关的主电路之间提供电气隔离。

接触器在运行

今天的电动汽车通常都使用常开（NO）或常闭（NC）的电磁接触器。这些设备发现自己处于从电池中消耗超过几安培的任何东西的路径中 - 电机驱动器，OBC甚至为12 V和48 V系统供电的DC-DC转换器。

保护电池组的钥匙接触器放置在电池组旁边或嵌入其中，具体取决于 OEM 的选择。电池和逆变器由这些接触器隔离，以确保车辆关闭时的安全。主正极接触器位于电池正极端子和逆变器之间，主负极接触器位于电池负极端子和逆变器之间（图 2）。两个电源轨的电气隔离是为了安全起见，以提供冗余，并最大限度地减少替代电流路径的意外设计。

主接触器在发生碰撞或其他故障时断开高压正极和负极引线，例如高速制动导致从电机到电池的高反电动势。接触器还允许机械师安全地脱离电池组以进行更换。

图2所示的预充电接触器有一个串联电阻来限制电流，并且两者都与主接触器并联放置。此设置是必需的，因为牵引逆变器具有一组滤波电容器或直流链路电容器，当主接触器闭合时，它们会吸收高浪涌电流。浪涌电流会损坏电池及其路径中的其他组件。因此，预充电电流路径位于初始上电期间。

电池 EV （BEV） 还具有一对直流快速充电接触器，这些接触器绕过交流 OBC，在电池和车外快速充电器之间建立直接连接。同样，OBC 具有接触器，从 DC-DC 转换器到低压辅助系统（如加热器、空气压缩机、泵和转向驱动器）的路径也是如此。

容错中的故障

虽然接触器主要用于提高BEV系统的安全性和容错能力，但它们本身并非没有操作缺陷和可靠性问题，如下所述。

弹跳：每当接触器打开或关闭时，设备中的弹簧动作会导致触点反弹几次，然后在新位置停止。从长远来看，这会损坏触点，并导致电路中立即出现电压尖峰（图3），从而损坏其他元件。物理损伤使接触面粗糙并加剧火花。电压尖峰可以被容性负载阻尼，但会导致感性负载出现问题。

感性负载突降：当接触器断开以断开大电流承载电路时，路径中的感性负载（例如牵引逆变器和电机）会在电路中引起高反电动势（EMF）或电压过冲。感应作用会暂时导致比最初施加的电压高得多的电压，这可能会损坏接触器和其他组件。请注意，联系人跳出也会加剧此问题。

保持电流：机电开关通常需要连续的电流流过电磁阀以保持开关关闭（或在 NC 接触器的情况下打开）。尽管所需的能量很低，但对于追求效率高于一切的应用来说，这是一个重要的考虑因素。

储存能量：由于接触器本身由电感器（电磁阀）操作，因此低压控制电路中也会出现存储能量的问题。该感性能量必须通过续流二极管（图4）或高端MOSFET耗散。

闩锁：当接触器作为其正常工作的一部分被“锁定”或关闭时，它需要相反方向的磁力来打开携带大电流的高压端子。切换非常高的电流有时会导致接触焊接，从而使接触器保持锁定状态。如果发生故障，这可能导致灾难性故障，包括火灾。

引发：当电动汽车中的高压电路闭合或断开时，就会发生这种情况。电流弥合了导致火花的触点之间的间隙。接触器通常封装在坚固的外壳中，以防止火花影响周围环境。但是，火花会导致模块中足够高的功耗，从而破坏铜接口并导致更高的电阻。周围组件上的电磁干扰（EMI）也会影响其功能。

原始设备制造商可能必须在两种缓解选项之间进行选择——充满惰性气体的接触器有助于最大限度地减少或熄灭火花，或者带有附加电磁铁的接触器，将火花从触点“拉伸”到溜槽中，在那里它被“吹灭”。

固态接触器的未来

为了解决上述缺点，包括Wolfspeed设计团队在内的业界正在研究使用固态开关（如高性能碳化硅MOSFET）来取代机电接触器。基于 MOSFET 的接触器将通过低压隔离栅极驱动器输入提供高电流路径的低压控制。

像这样的固态接触器将具有显着的优势：

没有运动部件受到机械磨损，从而延长了使用寿命

避免触点反弹、火花和触点氧化，提高可靠性

与机电开关相比，开关速度呈指数级增长 — 以纳秒为单位 — 提供更高的系统安全性和容错能力

更轻，占地面积更小

然而，在这种接触器成为主流之前，必须克服某些挑战。其中第一个与抵抗有关。由于机电接触器提供<1 mΩ，因此可能需要并联多个固态开关才能实现相同的性能。MOSFET的浪涌电流能力也远低于机械开关。电感抛负载问题对气隙两端具有非常高电压的机电开关提出了挑战，可能导致MOSFET击穿。

审核编辑：郭婷