动力电池系统介绍（八）

一、继电器工作原理
- 1.1 继电器结构
- 1.2 继电器驱动电路
二、继电器选择
- 2.1 继电器位置
- 2.2 继电器选型
- - 2.2.1 线圈技术参数
  - 2.2.2 触点参数
  - 2.2.3 性能参数
三、继电器故障诊断
- 3.1 万用表检测
- 3.2 直接观察
- 3.3 更换继电器
- 3.4 上下电时序检测

一、继电器工作原理

在写“动力电池系统介绍（六）——预充回路介绍”的时候有提到要展开介绍继电器，所以这篇就来讲讲。

1.1 继电器结构

一般来说，大功率场合的叫接触器（conductor），小功率场合叫继电器（relay），但实际上怎么叫的都有，所以对于名称方面先不做过多讨论，统一先叫继电器。
继电器由四部分组成：线圈、磁路、反力弹簧和触点，用符号K表示。（图片来源于网络）

（1）线圈的用途是通电后，它能产生电磁吸力，带动磁路的衔铁吸合，并使得触点产生变位动作。
（2）磁路由铁芯、铁扼和衔铁构成，为线圈产生的磁通建立磁路通道。利用电磁感应原理，实现对衔铁的吸合或断开，以此控制回路的接通或者断开，从而实现小电流控制大电流；同时也减小开关触点的电流电荷，保护开关触点不被烧蚀。
（3）反力弹簧的作用是为衔铁提供与动作相反的斥力，当线圈断电后它能帮助衔铁和触点复位。
（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100-200Ω，因此需要加驱动电路。

电动汽车中继电器驱动分为高边驱动和低边驱动，简单来说就是高边驱动就是开关放在电源端，低边驱动就是开关放在接地端。这次就先提出个概念，下次再展开讲高边驱动和低边驱动的区别。

通常使用三极管或MOS对开关进行驱动，以下以三极管为例说下驱动电路：
（1）开关管基极加了一个限流用的电阻和一个下拉电阻(确保没有驱动电流时是截止的)。
（2）在开关断开瞬间，继电器里面的线圈电感将产生的自感电动势，这个自感电势会对回路造成破坏，所以需要在其两端并联一个二极管，为自感电势提供泄放通路，进而起到保护作用（续流需要选择肖特基二极管，有利于快速泄放电势）。
（3）为防止二极管被击穿，一般在电路中串联一个电阻，电阻值应根据不同型号的继电器参数来确定。如果车载高压继电器产品的线圈已经自带反向浪涌吸收装置，那么在控制板上一般就不需要采用二极管；对于未设置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）在实际使用过程中，线圈驱动电路的功率应大于线圈额定功率。
（下图摘自CSDN博主「威尼斯海盗」）

但实际上，在高边驱动与低边驱动电路中，越来越多地去选择集成的MOSFET驱动器做开关。优点是控制简单，电路实现简洁，并提供丰富的诊断接口。（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（图自微信公众号“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（图片来源网络）

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：为使继电器可靠工作，需要给线圈施加的电压值
2	动作电压：能使继电器触点吸合的最大线圈电压值
3	释放电压：能使继电器触点断开的最大线圈电压值
4	线圈电阻：一般是指在20℃时测量的线圈的直流电阻值，该值与温度正相关
5	线圈功耗：额定线圈功率

线圈额定工作电压：12V或24V。而不同规格的继电器，其动作电压、释放电压、线圈电阻和功耗等是存在差异的。12V规格的线圈电阻一般约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	触点形式：常开H/常闭D
2	接触电阻：指电流流过闭合的接触点时的电阻，一般以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	最大切换电压/电流：是指继电器触点能可靠切换的最大负载，一般交流用VA表示，直流用W表示
6	机械耐久性：也称机械寿命，是指继电器的抗机械磨损的能力。在空载的条件下，及继电器未失效的开关次数，机械上是否失效用弹性机构来衡量
7	电耐久性：也称电气寿命，是指继电器的抗电磨损能力。在带载的情况下，继电器未失效的开关次数。电气上是否失效通过测量触点电阻或触点损坏来衡量。一般数据手册表明的电耐久性是在额定负载，一定温度、动作频率下测得的值，对于不同的负载种类和切换频率，电耐性会有所不同

最大切换电压/电流、电耐久性是选型匹配过程中需要重点考虑的对象。
（1）额定负载容量：规定在某个电压下，阻性负载时允许通过的最大电流。因此继电器额定负载容量要高于电池的额定电压。
（2）触点过负载能力：触点需要有瞬时过载能力，一般为额定负载的4-5倍，动作50-100倍。触点具有短时间过电流能力，一般为额定电流的2-3倍，持续时间30S-3min，在此范围内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当中，容性负载的事故率最高。原因是涉及人员在选型过程中只注意了负载的额定功耗而忽略了瞬态功耗。
实际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，其中就有大容性负载，在供电的瞬间电容内阻很小，充电电流很大，所以才设置的预充回路减小继电器闭合瞬间电流冲击。
（4）感性负载供电时，其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等零部件，一般都带有感性负载，在开关切换时会产生传导干扰，因此一般在继电器触点输入端涉及有Y电容已达到滤波效果，从而降低或消除其对控制板的干扰。
（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。

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