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接触器提升灭弧能力助力电池向高电压发展

作者:李宁远 电子发烧友网点击:98 发布时间:2023-09-01


电子发烧友网报道(文/李宁远)接触器是一类利用线圈流过电流产生磁场,使触头闭合,以达到控制负载的电器。接触器控制容量大,不仅能够起到接通和切断电路的功能,还能起到保护作用,适用于频繁操作和远距离控制的电路,是自动化控制系统中的常见的基础元件之一。



随着锂电池技术的发展,储能和汽车两大热门市场的相关应用产品快速迭代以满足日益增长的续航里程及高电压趋势。这种趋势下,整个电源系统的保护要求越来越高。

储能与汽车领域的高压接触器需求升级

在汽车领域,新能源电动汽车用高压接触器广泛应用在新能源电动汽车身、充电桩、蓄电池供电、变频器电容预充电、直流功率控制、电路保护及其他电动车辆的电源开关控制上。电动汽车的电池基本上可以为从发动机到车载计算机再到电动车窗等几乎所有的部件供电,其中高压电池占了其中的很大一部分。

目前电动汽车中使用的最多的锂离子高压电池,都会配有相应的高压接触器,保证电池系统在任何情况下可以安全有效快速地断开电流,起到保护作用。

800V高压电池带来了更高的持续功率、更小的电池体积、更轻的电池组重量、更快的充电速度以及更低的功率损耗,同时也带来了更高的保护要求。为了确保高压系统的安全性,高压接触器能否在紧急情况下安全快速地断开高负载这一能力越来越重要。

在电动汽车中,大功率电气设备在打开和关闭状态之间切换,开关的两个触点之间会产生电弧。这种电弧如果不熄灭,会具有很强的破坏性。越来越多的直流应用需要足够强大的直流开关来防止电弧,只有大功率开关才能熄灭直流源产生的电弧。在向800V平台升级的过程里,高压接触器需要更小的触电发热量、更小的触电粘连概率和更小的电磁干扰。

高压接触器对于不间断电源和可再生能源储能系统来说,同样是也是不可或缺的部分。光伏逆变器、风电变流器等部分都需要使用大功率的高压接触器来切断电弧,并提供相对应的管理电路的作用。从发电端储能侧到用户端用电侧,直流接触器都是关键的安全器件,接触器能够比保险丝更快地断开,并能够在高负载下进行多次断开。

使用高压接触器快速切断电弧

上面提到,大功率电气设备在打开和关闭状态之间切换产生的电弧,破坏性极强。因为大功率电气设备产生的电弧温度很高,大于5000K,会直接熔化掉金属接触材料。进而,金属熔体和等离子体会沉积在周围环境中,导致接触点迅速退化,另一方面,蒸发的材料也会导致接触点之间的绝缘性低,降低设备使用寿命。

而在汽车DCDC系统和储能系统中,直流回路没有电压和电流过零来帮助消除这些可能会产生的电弧,就只能通过相应措施强制将电流消零。高压接触器的电弧吹灭性能就显得格外重要。

比如利用陶瓷封装的内置于密封且填充有气体陶瓷腔体的动触点,动触点受到电磁驱动后断开以此来切断电流,电弧被分段后,通过高压氢气混合物进行冷却,达到保护作用。这种原理的高压接触器灭弧能力非常强,载流能力能到600A以上。

目前高压直流接触器按材料可分为陶瓷真空、陶瓷充气、环氧充气。陶瓷材料因为强度更高,密封性更好,高压大电流场景一般都会选用这种材料。陶瓷真空则相比上面提到的充气方案牺牲了一些灭弧能力,但是接触器内部真空可以将触头开距做得很小,关断时电弧更易熄灭,耐压载流能力安全性等进一步提升,展现出了更稳定和载流能力更强(1000A)的特点。

在电压高,电流大的场景里,这二者是目前最理想的各有特色的灭弧选择。

小结

在储能设备和电动汽车渗透率逐步提高的趋势下,高压接触器也有着广阔的发展空间。现在的高压接触器除了灭弧能力的增强,还特别注重小体积、轻重量并结合高性能开关能力,尽可能将内部的耗散功率降低到绝对最小值。




来源 李宁远 电子发烧友网


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