浅谈直流接触器在电动汽车与充电桩中的应用

新能源电网需要直流接触器，新能源设备和装备都需要直流接触器来控制。近年来新能源汽车及充电设施发展迅猛，其关键电气元件之一的直流接触器的市场容量也随之扩容。针对此新兴行业的特殊需求，各汽车设计、充电桩等直流电气装备设计工程师们如何为其设计理想选择恰当的直流接触器产品？该关注哪些主要关键点？本文谨从产品应用及产品适应性方面抛砖引玉浅谈一二。

一、电动汽车充电设备[GB/T 18487.1 之4.4]的规定：

电动汽车供电设备按照输出电压分类：

交流：单相220V，三相380V；

直流：200V‐500V，350V‐700V，500V‐950V。

直流充电电流优选值：80A，100A，125A，160A，200A，250A。

注：高于950V的供电设备由车辆制造商和供电设备制造商协商决定。

从以上标准中可以看出，使用于商用和乘用电动汽车中的直流接触器具有高电压、大电流的的基本特点，所以需要具备很高的可靠性，较高的绝缘电压。区别于普通工业用接触器产品，其在制造中也要求具备抽真空、气体填充、压力密封、智能控制等专业制造工艺，对设计技术，制造技术要求很高。

二、直流接触器在新能源汽车、充电桩（机）中的应用

1. 在充电桩（机）中的应用

用于直流充电桩、充电站的直流输出侧或用于车载充电机的输出侧。当接触器闭合时，起充电桩和汽车的连通作用；断开时，隔离充电桩和外部的连接,起到安全防护作用。如图1

2.在电动汽车中的应用

在电动汽车的电池系统和逆变器之间配置直流接触器。当系统停止运行后起隔离作用，系统运行时起连接作用，当车辆关闭或发生故障时，能安全的将储能系统从车辆电气系统中分离，起到分断电路的作用。在其他辅助回路中作为用电控制器件。如图2

图2.直流接触器在电动汽车中的应用

重要技术指标：

a) 在系统停止运行后起隔离电源端与负载端作用；（重要技术指标：额定绝缘电压Ui）

b) 系统运行时起连接电源端与负载端作用；（重要技术指标：约定发热电流Ith）

c) 故障时起分断电路的作用。（重要技术指标：最高运行电压U）

三、 产品的适应性设计

1.环境适应性设计：

区别于一般工业用接触器产品，使用环境条件对电动汽车用接触器的适应性要求更加苛刻，必须同时满足宽温度范围、高防护等级、高抗振动性等基本条件。

1）高低温度设计：需满足电动汽车和充电桩（机）在极端天气下正常使用的温度要求。产品储存环境温度：-55~+125℃，正常工作环境温度为-25~+40℃，极限条件下环境温度为-40~+85℃，

2）防护等级设计：需满足恶劣环境条件下的正常工作，在雨水和尘土环境下正常使用，产品完全防止粉尘进入，满足短时浸水要求，防护等级达到IP67。

3）抗振性能设计：产品需具备很强的抗振性和耐冲击性。满足汽车使用于各种路况颠簸振动的特殊需求。

2.安全可靠性设计

安全可靠性是衡量电动汽车直流接触器的第一也是最关键的要素，主要体现在灭弧能力、绝缘电压等方面。

直流电弧具有无过零点，燃弧后电弧难以熄灭的特点。而将产品结构设计为双断点直动式运动形式。并在密封型灭弧腔内填充压缩气体的灭弧技术手段可实现良好的灭弧能力。其主要原理是：在电弧加热后与填充的气体形成高压气体，气体压力的增大使得热游离大幅下降，弧隙和灭弧室内的压力差使气体运动加速，冷却作用加剧，电弧快速熄灭。

四、专用材料及关键工艺

任何一个产品的研发设计必须依靠恰当的原材料选择、先进的工艺措施、稳定的零部件工装、完善的制造流程后才能将其完整转化为产品。原材料、制造工艺、生产线都是设计转化的关键要素。

1）电动汽车直流接触器的关键零部件材料属性需求

2）关键工艺设计及设备保障

制造工艺做为确保产品质量可靠、性能稳定的充分条件，必须依靠一定的硬件设施才能得以保障，工装设备及生产线首当其冲。

1.焊接工艺及设备：

激光焊接工艺是产品质量可靠性的关键保障工艺，焊接的主要目的是为了保证良好的密封效果，使线圈和触头免受氧化和污染，保证其接触电阻的稳定性。

采用激光焊接技术对灭弧室进行密封焊接，使灭弧罩和磁轭之间，磁轭和密封套之间实现不漏气的焊接。

对焊接后的灭弧室进行气密性检测，以保证实际使用中不漏气。对完成焊接的触头系统和完成灌胶后的整机进行抽气和充气。将工件内部抽成真空后按照工艺规定的气体类型及压力完成充气，并对充气口进行自动封口。

必备关键设备：激光焊接机、气密性检测装置、抽真空充气装置。

2.封装工艺及设备

灌胶工艺是环氧胶密封类接触器的关键工艺之一，灌胶后胶和产品本体的结合程度、胶体的致密程度都是需要保证的关键点。

在灌胶工艺中，产品内部的空气、胶体内部的气泡、灌注过程产生的气泡等都会影响胶水的渗透效果及胶体的密度，进而影响产品密封性能。利用真空灌胶系统，将胶料罐内所有空气抽光且保持在一定的真空状态。在灌胶前先将产品内部的空气抽干净，达到一定的负压，再进行产品灌胶，在负压的作用力下，胶水能够快速、均匀的渗入到产品内部，由灌注冲击及胶水与产品接触所产生的气泡也会被抽走，从而保证了胶水在产品接触面的均匀覆盖及胶体的均匀密度，达到良好的灌胶效果。

灌胶完成后需要将产品放入烘干箱中进行固化，烘胶时保持恒定均匀的温度场，合理的固化时间及升温冷却速率。使其固化内应力和温度内应力达到最小值，保证了良好的固化效果和胶接效果，从而达到良好的密封效果。

必备关键设备：灌胶机、真空工作台、烘胶装置。

3.检测工艺及设备

接触器具有可靠的电气寿命是非常关键的一项性能指标，带载失效试验为产品出厂前的最后一道保障关卡。

必备关键设备：直流电源、电阻负载、智能控制及保护装置

五、产品特殊需求选择

1. 对于部分充电柜需要完成电池充电和放电功能需求的，可选择使用主触头无极性型直流接触器产品(此项设计已由天水二一三电器有限公司申请发明专利),突破专门为电流方向引线的结构设计局限。

2. 根据安装空间受限情况，选择合理的接线方式产品，如图示。

GSZ8-200 铜排接线方式

GSZ8-200 螺钉接线方式

六、市场产品概况：

目前电动汽车接触器主流产品主要分为两大类：陶瓷型腔密封结构和环氧胶密封结构。

外观型式以天水二一三电器有限公司产品为例，如下所示：

GSZ8系列陶瓷型腔密封结构

GSZ9系列环氧胶密封结构

额定电流有10A、20A、25A、40A、60A、50A、80A、100A、120A、150A、200A、250A、300A、400A等多个等级。控制电压9~36VDC。额定绝缘电压1000VDC，可分断电压900VDC。

结束语：

电动汽车接触器产品的一致性影响着产品的可靠性和稳定性，而产品的一致性贯穿于所有的产品形成过程：设计、材料一致性、零部件工装的稳定性、装配工艺的稳定性、装配工装的稳定性等。博观而约取，厚积而薄发，本土民族品牌电动汽车接触器产品的研制成功、批量生产，能够提供更加适合我国新能源汽车发展所需的产品解决方案，必将成为新能源汽车设计、充电桩（机）等直流电气装备设计工程师的喜爱，为实现工程师的设计理想提供强有力的支持。