1為什麼要監測繼電器狀態

1。1 一個事故

在資料中看到這樣一個案例。一輛樣車，在試執行幾天以後的一個早上，試車員初次上電時，出現故障，開啟高壓箱，發現熔斷器，正負極繼電器全部燒燬，預充繼電器和電阻沒有什麼損傷。經過逐步分析確認，推測事故的發生的過程如下：

前一天傍晚，試車員駕駛樣車路試回停車場，偶然發生了緊急情況，本應該踩剎車制動，情急之下，除了剎車還拍了緊急停車按鈕。這個按鈕的許可權很高，可以直接斷高壓。車子正常停住了，重新上電後，並沒有什麼異常，開回了停車場。然後出現前面說的早晨上電故障問題。

急停開關拍下去以後，系統直接斷高壓，正負極繼電器被要求先後斷開，此時車輛高速行駛中，迴路中負荷著較大的工作電流。表面上看，急停後高壓下電正常（設計中沒有繼電器檢測功能），但實際上繼電器已經嚴重損傷；分斷後，馬上重新上電，損傷較嚴重的正極動靜觸頭隨之融焊到一起。

早晨再次上電，按照正常策略，應該先閉合負極，再閉合預充繼電器進行預充。然而正極已經是接通狀態，負極剛剛接通，大電流發生，熔斷器熔斷，負極繼電器進一步損壞。下面是一個簡圖，K1預充電繼電器，K2，正極繼電器；K3負極繼電器；R預充電電阻。

1。2 繼電器狀態不明確的危害

如果繼電器發生粘連，而管理系統並不瞭解這個情形，則有可能發生前面故障案例中提到的問題，繼電器粘連，造成預充電迴路失效，迴路中發生了大電流衝擊；如果繼電器粘連發生在系統正在工作的狀態，收到斷開訊號而不能斷開，輕則系統不能正常下電，需要維修；重則，在遇到碰撞事故時不能及時斷開，發生人員觸電或者增加電池整體熱失控風險。

如果繼電器的問題不是粘連，只是接觸電阻增大，也會輕重兩個極端。後果輕微的情形，是接觸電阻消耗了電池的能量，使得能量效率降低，續航里程減小；嚴重的後果，接觸電阻大，如果再疊加大電流工作情形，則很可能進一步引發粘連的發生。繼電器電阻檢測還不是太普遍。

2 繼電器為什麼會粘連

下圖所示，為單一常開觸點繼電器。參考圖中各個組成部分的名稱，閱讀下文。

單一常開觸點繼電器

1 線圈； 2 鐵芯； 3 空氣隙； 4 銜鐵； 5 動觸點； 6 定觸點； 7 彈簧； 8 止擋

繼電器的粘連最容易發生在閉合階段和剛剛分斷短時間又重新閉合的情形下。具體的原因有下面幾類。

負載電流過大

某些種類的繼電器，為了提高大電流分斷能力，將動靜觸頭系統設計成斥力觸頭。在正常工作狀態，電流比較小，斥力雖然存在，但與吸合力相比過於微弱，因而不會發揮太大的作用。當迴路出現短路電流時，較大的電流使得觸頭之間的斥力能夠協助機械機構實現速分斷。

當系統中承載了超過繼電器負荷能力的電流時，這種斥力作用也會變得比較顯著，抵消了一部分動靜觸頭之間的接觸壓力，觸頭之間的電阻增大，配合大電流，使得觸頭之間的熱量產量增加；大的負荷電流，也有可能造成迴圈合分的情況，出現短距離拉弧。這些都提高了粘連發生的風險。

吸合電壓不穩定

電動汽車主迴路中常用的繼電器型別是常開觸點，迴路閉合需要給繼電器線圈供電，克服觸頭彈簧的拉力。線圈電源不穩定，產生的吸合力就會忽大忽小，觸頭之間的電阻也跟著忽大忽小，甚至出現微小的距離變化，出現拉弧情形，進而發生前面大電流帶來的類似現象，增加融焊機率。

大負載分斷

迴路正在大功率工作的時候，突然斷開繼電器，是對繼電器最嚴酷的考驗。動靜觸頭分開的瞬間，觸頭表面正處於高溫狀態，高電壓擊穿介質，將電子發射到對面觸頭表面，形成電弧；電弧的燃燒又會進一步電力周邊介質，形成更大的離子通道。只有當動靜觸頭的距離拉開足夠遠，弧阻足夠大，迴路電流才會降下來，進而熄滅，達到真正的斷開狀態。電弧燃燒的過程中，觸頭表面被損壞，金屬近似熔融狀態。即使第一次分斷正常分開，如果在短時間內重新閉合，則觸頭非常容易融焊到一起。

在2017年12月10號的文章《動力電池包高壓繼電器怎樣考慮分斷能力 》中主要討論了繼電器分斷大負載的問題，可以參考閱讀。

3 怎樣防止繼電器黏連

防止繼電器粘連的發生，一方面，選擇分斷能力、負載能力高的繼電器，減小前面所述幾種粘連情形發生的可能。更重要的一個方面是，設計合理的上下電流程和執行安全策略，儘量避免帶載分斷和大電流衝擊情況的發生。控制理念不同，關注的安全專案不同，管理系統具備的功能不同，策略差距會比較大，此處僅作為一個案例。

高壓上電

整車控制器接收到ACC訊號，高壓上電過程啟動。管理系統首先進行初始化和自檢。自檢的內容包括系統串並數，電壓、電量、溫度等基本引數；如果自檢出錯，則發出故障報警等待人工處理，否則系統判斷自檢步驟完成，進入下一步；

高壓互鎖檢測，如果出現連線故障，則報警，否則進入下一步；

高壓繼電器狀態檢測，繼電器均處於常開狀態，狀態有誤，報警；否則，進入下一步；

按此方式再完成絕緣檢測，無故障，則閉合總負和預充繼電器，給電機控制器進行預充電，過程時長一般在幾百毫秒。

當電機控制器並聯電容電壓達到設定值，一般是系統電壓的90%以上，以電壓值為依據判斷預充電結束。也有按照時間結束預充電過程的控制策略，但可能會發生預充達不到要求電壓的情形，需要重新進行預充過程。

系統判斷預充電過程結束後，閉合主正繼電器，上電過程結束。上電之前對繼電器狀態及其他高壓安全因素的檢測，是避免文章開始所描述事故的重要方法。

高壓執行

電動汽車執行過程中，整車控制器按照幾個模式去管理系統的執行狀態，起步模式、正常驅動模式、制動模式、失效保護模式、空檔模式、充電模式等，根據輸入輸出引數，判斷引數符合哪種模式，控制車輛的整體執行狀態。

與這些模式並行的高壓安全系統，在車輛執行過程中，其主要責任是檢查系統關注的高壓安全狀態，比如高壓互鎖狀態、繼電器狀態、絕緣電阻等，並處理相應故障。故障處理的方式是否恰當，則直接影響繼電器的工作狀態和使用壽命。

故障斷開控制策略

電動汽車系統故障有很多種，但在系統設計完成時，已經對每種故障分配固定的故障等級，一般按照2級或者3級故障執行。等級低的故障，一般採取報警提示駕駛員即可；中等故障，除了報警提示以外，系統可能需要執行臨時處理措施，比如溫度比較高時，系統會自動降功率執行；遇到故障等級最高的特殊情形，為了保護人員安全，節約處理反饋時間，則系統有許可權自動下電，比如發生碰撞事故。

系統自動下電過程中，比較理想的方式是先指令負載停止工作，再指令繼電器分斷。如果遇到不能兩全的情形，則只能犧牲繼電器。

在指令繼電器斷開過程中，還需要考慮繼電器並不能夠執行斷開動作的情形，配合繼電器狀態檢測功能，對不能完成命令的情形必須報警提示駕駛員。

高壓下電

正常的下電過程比較簡單，先要求負載停止工作，再進行高壓繼電器斷開動作，避免繼電器帶載斷開的情形。另外如果動力電池溫度過高，則繼續執行冷卻程式，直至達到可以下電條件，再斷開高壓繼電器。

4 怎樣檢測繼電器狀態

趙春明在他的文章《電動汽車高壓電系統狀態引數線上監測》中介紹了一種繼電器觸點監測方法，按照檢測方法、應用例項和線上監測的順序表述。

4。1 檢測方法

高壓回路繼電器，有很多種情形都可能造成繼電器的損壞，可以說繼電器是高壓回路上的一個比較脆弱而重要的環節。監控繼電器的狀態，確保它出現故障，不能正常執行指令的時候能夠及時發現，提前處理，則是高壓安全的重要手段

繼電器狀態檢測，當前主要有兩種方法，其一是檢測繼電器線圈帶電情形；其二是直接檢測繼電器觸點狀態。

方法一

，檢測低壓線圈電壓，採用直接測量的方式就可以實現；

方法二

，原理如下圖所示。圖中開關K為待測繼電器，測量結果由電壓表顯示。如果電壓表無法測量到輔助迴路電源電壓，則繼電器處於斷開狀態；電壓表可以測得電壓，則繼電器處於閉合狀態。

4。2 方法二的實際應用

作者設計了一個模擬應用的實驗。採用64V鉛酸電池作為主迴路電源，測量回路選擇12V電池作為輔助電源，R0取200 kΩ，實際測量結果如下表所示。測量結果顯示，採用這個測試方法，可以準確區分繼電器的接通和斷開兩個狀態，並且驗證了主迴路電流對電壓測量值的影響並不顯著。

4。3 線上監測應用

將上述方法應用到實際執行的電動汽車中。作者認為，當電機處於工作狀態時，系統不需要進行繼電器監測，因為系統必然是通路。只有在母線電流為0時，系統才需要對繼電器狀態進行確認，監測週期500ms；可以檢測到近似輔助電源，電壓說明繼電器閉合；無法檢測到近似輔助電源電壓，繼電器斷開。作者的方法已經被應用於自己的專案。

參考資料

1 申彩英，純電動汽車高壓預充電研究；

2 龍成冰，電動汽車高壓電預充智慧管理探索；

3 李東豔，電動汽車高壓上下電控制電路及系統研究；

4 宋炳雨，總純電動汽車高壓電安全管理系統研究與設計；

5 張俊，總純電動汽車高壓電安全監控系統研究；

6 喬鑫磊，高壓直流大功率繼電器觸頭動熔焊現象研究；

7 趙春明，電動汽車高壓電系統狀態引數線上監測；

8 符興鋒，增程式純電動汽車動力電池高壓電安全管理；