在電動汽車（EV）動力總成中討論更激烈的部件旁邊是機電開關(guān)，稱為接觸器。盡管它們在引擎蓋下平淡無奇，但它們是保持電動汽車平穩(wěn)運行的功能和安全要素的一部分。鑒于 41 年電動汽車注冊量增長了 2020%1，并且每輛車都有幾個接觸器，這確實是一個重要的組件部分。

Wolfspeed的引擎蓋下是什么系列的這一章重點介紹了在電動汽車中扮演各種角色的開關(guān)，從幫助管理電池平衡和路由車載充電器（OBC）以支持快速充電到保護電池免受過流條件的影響。

什么是接觸器？

它們是機電開關(guān)，雖然類似于繼電器，但執(zhí)行需要更高載流能力的重載應(yīng)用。接觸器提供低壓控制，可接合和分離銅板以連接或斷開高壓電流路徑的引線。

這些裝置包括一個螺線管（一個圓柱形線圈）和一個柱塞桿，柱塞桿的材料可以抵抗永久磁化，例如鋼。電流通過線圈會產(chǎn)生吸引柱塞的磁場。連接到柱塞的是厚銅板上的移動觸點，該觸點與相同材料的固定觸點嚙合，提供非常低的電阻路徑，通常小于一毫歐，到主電路。該結(jié)構(gòu)允許開關(guān)在控制電路和被開關(guān)的主電路之間提供電氣隔離。

接觸器在運行

今天的電動汽車通常都使用常開（NO）或常閉（NC）的電磁接觸器。這些設(shè)備發(fā)現(xiàn)自己處于從電池中消耗超過幾安培的任何東西的路徑中 - 電機驅(qū)動器，OBC甚至為12 V和48 V系統(tǒng)供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

保護電池組的鑰匙接觸器放置在電池組旁邊或嵌入其中，具體取決于 OEM 的選擇。電池和逆變器由這些接觸器隔離，以確保車輛關(guān)閉時的安全。主正極接觸器位于電池正極端子和逆變器之間，主負極接觸器位于電池負極端子和逆變器之間（圖 2）。兩個電源軌的電氣隔離是為了安全起見，以提供冗余，并最大限度地減少替代電流路徑的意外設(shè)計。

主接觸器在發(fā)生碰撞或其他故障時斷開高壓正極和負極引線，例如高速制動導致從電機到電池的高反電動勢。接觸器還允許機械師安全地脫離電池組以進行更換。

圖2所示的預充電接觸器有一個串聯(lián)電阻來限制電流，并且兩者都與主接觸器并聯(lián)放置。此設(shè)置是必需的，因為牽引逆變器具有一組濾波電容器或直流鏈路電容器，當主接觸器閉合時，它們會吸收高浪涌電流。浪涌電流會損壞電池及其路徑中的其他組件。因此，預充電電流路徑位于初始上電期間。

電池 EV （BEV） 還具有一對直流快速充電接觸器，這些接觸器繞過交流 OBC，在電池和車外快速充電器之間建立直接連接。同樣，OBC 具有接觸器，從 DC-DC 轉(zhuǎn)換器到低壓輔助系統(tǒng)（如加熱器、空氣壓縮機、泵和轉(zhuǎn)向驅(qū)動器）的路徑也是如此。

容錯中的故障

雖然接觸器主要用于提高BEV系統(tǒng)的安全性和容錯能力，但它們本身并非沒有操作缺陷和可靠性問題，如下所述。

彈跳：每當接觸器打開或關(guān)閉時，設(shè)備中的彈簧動作會導致觸點反彈幾次，然后在新位置停止。從長遠來看，這會損壞觸點，并導致電路中立即出現(xiàn)電壓尖峰（圖3），從而損壞其他元件。物理損傷使接觸面粗糙并加劇火花。電壓尖峰可以被容性負載阻尼，但會導致感性負載出現(xiàn)問題。

感性負載突降：當接觸器斷開以斷開大電流承載電路時，路徑中的感性負載（例如牽引逆變器和電機）會在電路中引起高反電動勢（EMF）或電壓過沖。感應(yīng)作用會暫時導致比最初施加的電壓高得多的電壓，這可能會損壞接觸器和其他組件。請注意，聯(lián)系人跳出也會加劇此問題。

保持電流：機電開關(guān)通常需要連續(xù)的電流流過電磁閥以保持開關(guān)關(guān)閉（或在 NC 接觸器的情況下打開）。盡管所需的能量很低，但對于追求效率高于一切的應(yīng)用來說，這是一個重要的考慮因素。

儲存能量：由于接觸器本身由電感器（電磁閥）操作，因此低壓控制電路中也會出現(xiàn)存儲能量的問題。該感性能量必須通過續(xù)流二極管（圖4）或高端MOSFET耗散。

閂鎖：當接觸器作為其正常工作的一部分被“鎖定”或關(guān)閉時，它需要相反方向的磁力來打開攜帶大電流的高壓端子。切換非常高的電流有時會導致接觸焊接，從而使接觸器保持鎖定狀態(tài)。如果發(fā)生故障，這可能導致災(zāi)難性故障，包括火災(zāi)。

引發(fā)：當電動汽車中的高壓電路閉合或斷開時，就會發(fā)生這種情況。電流彌合了導致火花的觸點之間的間隙。接觸器通常封裝在堅固的外殼中，以防止火花影響周圍環(huán)境。但是，火花會導致模塊中足夠高的功耗，從而破壞銅接口并導致更高的電阻。周圍組件上的電磁干擾（EMI）也會影響其功能。

原始設(shè)備制造商可能必須在兩種緩解選項之間進行選擇——充滿惰性氣體的接觸器有助于最大限度地減少或熄滅火花，或者帶有附加電磁鐵的接觸器，將火花從觸點“拉伸”到溜槽中，在那里它被“吹滅”。

固態(tài)接觸器的未來

為了解決上述缺點，包括Wolfspeed設(shè)計團隊在內(nèi)的業(yè)界正在研究使用固態(tài)開關(guān)（如高性能碳化硅MOSFET）來取代機電接觸器?；?MOSFET 的接觸器將通過低壓隔離柵極驅(qū)動器輸入提供高電流路徑的低壓控制。

像這樣的固態(tài)接觸器將具有顯著的優(yōu)勢：

沒有運動部件受到機械磨損，從而延長了使用壽命

避免觸點反彈、火花和觸點氧化，提高可靠性

與機電開關(guān)相比，開關(guān)速度呈指數(shù)級增長 — 以納秒為單位 — 提供更高的系統(tǒng)安全性和容錯能力

更輕，占地面積更小

然而，在這種接觸器成為主流之前，必須克服某些挑戰(zhàn)。其中第一個與抵抗有關(guān)。由于機電接觸器提供<1 mΩ，因此可能需要并聯(lián)多個固態(tài)開關(guān)才能實現(xiàn)相同的性能。MOSFET的浪涌電流能力也遠低于機械開關(guān)。電感拋負載問題對氣隙兩端具有非常高電壓的機電開關(guān)提出了挑戰(zhàn)，可能導致MOSFET擊穿。

審核編輯：郭婷