电动汽车用高压直流继电器选型与匹配 附汽车熔断丝和导线选型匹配方法

电动汽车用高压直流继电器选型与匹配

引言继电器作为控制各高压回路通断的关键部件，是电动汽车高压安全的重要

保障，良好的继电器设计、匹配选型能够有效提高车辆的安全性能。

目前几个主流继电器厂家所提供的产品的额定工作电压通常为DC12^1000V,

目前电动汽车电压平台主要在48〜800V,继电器基本能够满足车辆电压的需求。

然而，继电器额定工作电流选择的自由性较差，不同额定电流的继电器产品的

性能差异较大。因此，了解不同规格、不同厂家继电器中存在的差异，根据系统工

作特性对继电器进选型匹配对车辆的安全性尤为重要。

1.高压直流继电器工作原理

如图1所示，高压直流继电器主要由线圈、衔铁、触点、灭弧室、弹簧、外壳

等部位组成。目前电动车用继电器需具有带载切断功能。由于带载切断过程中会产

生高温高压电弧对继电器的触点造成损伤，导致触点粘连，严重时还会导致继电器

爆炸，严重影响电动汽车的安全。为降低电弧对继电器触点的伤害，车载高压直流

继电器的触点一般都置于灭弧室内。在大多数情况下，灭弧室内采用真空、氢气或

其他混合气体作为绝缘介质，虽然以氢气和其他气体适当混合的气体作为绝缘介质

不如真空型或六佩化硫型继电器器那样具有高绝缘性和低泄露电流，但氢气具有还

原性可以有效预防触点氧化，并且其优异的导热性也容易降低电弧产生过程中触点

的温升高，从而保护触点灭弧室通常还会结合电磁吹弧的方式来加强灭弧能力，但

继电器设计过程中灭弧磁场的分布位置不同，有的继电器的高压触点是存在正负极

之分的。若使用过程中高压正负极接反的话，反而会降低继电器的带载切断能力，

这是在使用过程中需要注意的。

图1继电器原理图

2.主要技术参数

2.1线圈参技术参数（表1）表1列出了继电器线圈主要技术参数。电动汽车用

继电器的线圈的额定工作电压通常分为12V和24V,其需要根据车辆控制电源的规

格进行选择。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。目前市面上常用的继电器中，无论是12V还是24V,其线圈功耗基本

都:S6W。不过12V规格的线圈电阻一般约24Q,而24V规格的线圈电阻约96C。

表1继电器线圈主要技术参数

序号主要技术参数

1璃定电压

2动作电压

3群放电压

4饯圈电阻

5线图功耗

2.2触点技术参数（表2）表2为继电器触点的主要技术参数。其中电流过载

能力、电气寿命和最大分断电流是选型匹配过程中需要重点考虑的对象。

表2继电器触点主要技术参数

一号主要技术集数

1触点形式

2触点材料

3接触乜阻

4触点而定电流

5触点额定电压

6机械寿命

7电气寿命

X版大分断电流

9吸合/绛放时间

1()电流耐受能力

如图2所示，电流过载能力为继电器能在一定电流条件下正常通电的时间。继

电器在满足车辆额定电流工况的条件下，还需考虑是否能够承受短时的大电流工

况，例如车辆均速行驶额定工作电流为190A,那么可选择额定电流为200A的继电

器，然后需要根据该200A规格继电器的电流耐受曲线校核是否能够承受车辆短时

的过载电流，如百米加速、加速超车等工况。

图2继电器电流的受曲送

图3为继电器的电气寿命曲线，其表示继电器触点能在对应电流下带载通断的

次数。通常位于容性负载回路的继电器在预充过程中易出现大电流条件下的动作，

如动力电池上高压电过程中，当预充结束后，电容与电池间仍有几伏的压差，而此

时回路中的电阻仅有几十微欧，在主正继电器闭合过程中，继电器会通过上百安培

的电流。囚此，需要根据车辆整个生命周期内的」一下电次数评估继电器的电气寿命

是否满足要求。

图3维电需不同电流下电气寿命曲送

最大分断电流为继电器能够正常切断的最大电流。其主要为了确保车辆在短路

时，继电器能够在信号控制下正常切断1次，以保证能够安全断开高压电。最大分

段电流对车辆的电气安全起着重要的作用。2.3结构及使用环境技术参数继电器的

外观尺寸、布置方式、密封性、使用温度、湿度、压力范围、力学条件也都需要根

据车辆实际使用场景进行确定。

3.高压直流继电密应用分析

3.1线圈缺陷分析及对策由于继电器线圈属于感性元件，在给继电器线圈上电

瞬间，线圈就会产生反电动势。用普通示波器即可测量这个反向电脉冲，幅值可达

几十伏，而大功率继电器甚至达100V以上。因此需要加以遏制，以消除传导干扰

对系统接插件端口信号的影响。我们一般选择在线圈上串联反向二极管。为防止二

极管被击穿，一般在电路中串联一个电阻，电阻值及二极管型号的选择应根据不同

型号继电器参数来确定（目前车载高压继电器产品的线圈一般都自带反向浪涌吸收

装置，建议在控制板上不采用二极管，对于未设置反向浪涌吸收装置的继电器，

般建议安装压敏电阻作为浪涌保护器）。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。

3.2触点缺陷分析及对策触点是继电器控制输出、带动负载的零件，使用时应

该注意如下几个问题。

3.2.1额定负载容量产品手册有详细说明，但是要注意它给出的是在某个电压

下，阻性负载时允许通过的最大电流。为此，选用时必须注意应用场合，切换的电

压不能比产品规定值高，因为触点负载电压高，断开时容易拉弧损坏触点；其次是

要根据阻性、容性、感性不同负载和降额使用准则选择继电器。

3.2.2触点过负载能力根据继电器设计总规范规定。触点具有瞬时过载能力，

一般为额定负载的4Y倍，动作50〜100次。触点具有短时间过电流能力，一般为

额定电流的2〜3倍，持续时间为30s~3min,在此范围内对继电器寿命影响不大。

3.2.3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

是设计人员在选型过程只注意到了负载的额定功耗而忽略了瞬态功耗。实际上电动

汽车中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，其中就有大的容

性负载，在供电的瞬间电容的内阻很小，充电电流很大。为减小汽车起动时对继电

器及电池系统的瞬时电流冲击，一般采用在电池主继电器上增加预充电回睇，回路

含预充电电阻以及一个小电流的继电器，电阻及继电器参数的选择应根据电机控制

器容性负载容值及预充电时间来确定。

3.2.4感性负载感性负载供电时，继电器的选择比较复杂，其启动电流峰值远

大于常载电流，可达10倍以上，当LlR>lms时，应在感性负载回路中并联一个浪

涌保护装置。电动汽车继电渊负载包括电机控制器、DC/DC、空调压缩机总成、PTC

等零部件。这些零部件一般都带有感性负载，在负载切换时会产生传导干扰，因此

一般在继电器触点输入端设计有Y电容以达到滤波效果，从而降低或消除其对控制

板的千扰。接入Y电容后可使供电负载既有容性又有感性，若不对其启动电流加以

控制，往往会造成触点严重超载，发生故障。

3.2.5触点弹跳触点的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（静态触点和动合触点）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。由于继电器存在这个固有缺点，

所以会对电路产生干扰，但是目前车载高压继电器产品都会在触点端设置反向浪涌

装置。对于未设置反向浪涌装置的继电器，建议在触点测设置防浪涌电路。

3.2.6辅助触点为防止继电器触点粘连所带来的风险，一般要求主继电器上设

置继电器粘连辅助触点。当触点控制端检测到粘连信号或者接触不良信号后，可迅

速对该故障进行处理。

3.3电磁干扰分析及对策继电器是靠电能转换成势能。因此，继电器应避开磁

场和铁磁物质使用。继电器的安装支架和仪器的安装支架都不能用铁磁材料。另外

设备做力学振动试验时，因为振动台有一定漏磁，支架容易磁化，同样会对继电器

产生磁性干扰。

3.4安装缺陷分析及对策汽车是一个移动的系统，为确保汽车在运行环境中维

持整个电池系统的正常工作，所选择继电器产品需具备一定抗振能力。因此在选用

继电器时，除了必须注意继电器的使用力学环境条件，不要超标使用，还必须注意

继电器的安装要求。如果发生谐振，振动量级就会超过器件的使用条件。

超规范使用会大大降低继电器的可靠性。继电器应避开电磁场干扰。要注意继

电器周围电磁环境，如变压器、电感器件、电机、扼流圈、磁控部件、动量轮等器

件（部件）对继电器的影响。目前常见的中度混合动力车上，高压继电器一般都离

电源变换器及电机控制器很近，它们内部磁性器件比较多，设计时都要认真考虑磁

性器件对继电器的千扰。另外，继电器本身也是磁性器件，它们之间也会产生电磁

干扰，因此其周围控制板也应采取相应的防电磁干扰措施。

3.5继电器与熔断器匹配在电动汽车动力电池系统中，通过高压继电器与熔断

器的协同配合，才能实现对负载以及电池的有效保护，为电动汽车的安全工作保驾

护航。目前电动汽车常用的高压直流熔断器为限流式直流熔断器，其具有开断时间

短、分断能力强的特点。

图4为典型的电动汽车电气原理图，从中可以看到车载高压继电器在电动汽车

上的使用情况。

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2电网箱制&7—快依然隔。12性7峭1

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PC/DC,空期、PTC等】

图4电动汽车电气原理图

正极主继电器(1())与负极主继电器(11)的主要功能是对动力电池实现过电流保

护；按控制板要求实现为各用电负载［驱动电机⑴、电机控制器(2)］可控供电。快

充正极继电器⑹与快充负极继电器⑼的主要功能是对动力电池及快充回路提供快

充过电流保护；按快充电流程要求实现对电池组(12)可控充电。主熔断器⑶的主要

功能是对动力回路主回路提供短路保护；为电池提供短路保护。附件熔断器(14)的

主要功能是对各支路负载提供短路保护。

根据设计经验，主熔断器⑶的额定电流值一般为附件熔断器(14)额定值和的

1.6~1.8倍，熔断器的分断能力一般为动力电池组短路电流的6~1()倍，动力电池组

短路电流值可以由动力电池组额定电压与电池组内阻值的比值计算得到(电池组额

定电压及内阻可参考动力电池厂商提供的电池参数)。主熔断器(3)的分断时间要小

于电池组所能承受短路电流的最大时间。

对于正极主继电器与负极主继电器，一旦其发生故障，车上的用电负载将不能

正常工作，故对其可靠性及稳定性要求都非常高c因此在选型过程中对继电器的机

械寿命、电气寿命(带载切断)、使用条件都要特别关注，一定要根据该车型的要

求来进行选择。

主熔断器的主要功能是对动力电池主回路提供短路保护，熔断器是通过过载电

流产热致使熔体熔断实现断开高压回路的，其熔断时间(J-T仙线)是由熔体物理特

性决定的，如图5所示。熔断器具有一定的保护盲区(图中A区域)，当过载电流

不是很大的时候，熔断器熔断时间较慢，熔断时间超过了此时系统在对应电流下能

承受的时间，可这样会发生过载危险。此时可通过控制主继电器断开来实现在熔断

器保护盲区内对回路的保护。继电器电流耐受曲线和熔断器熔断时间一电流曲线存

在交点Q,为了确保在熔断器盲区能迅速断开回路，继电器的释放时间Tr应位于交

点Q之下。

同时，继电器的最大切断电流应位于交点Q右侧，这样才能确保继电器在交点

前的任何电流情况下能实现至少一次带载切断。当短路电流,交点Q对应的电流

时，继电器的过载时间变小，同时电流可能已经超过了继电器的最大切断电流，导

致继电器不能正常切断，此时，熔断器的熔断时间应小于继电器和系统回路能承受

的时间，确保其能迅速断开，爆护继电器和回路安全。

4结语

高性能车载高压继电器是电动汽车动力电池系统必不可少的保护设备与控制

设备，因此，只有熟悉继电器特性，才能对具正脩选型匹配，从而确保整个系统设

备的安全运行以及人车安全，促进电动汽车行业的健康发展。

汽车熔断丝和导线选型匹配方法

1引言

整车所有电器的正常工作都需要电源分配系统供给电源，蓄电池电源通过不

同形式的熔断器逐级分配给相应用电器，而电源分配系统最主要的零部件便是熔

断丝和导线，熔断丝和导线的选型及匹配是电源分配的主要工作，同时也是关系

整车安全及行驶稳定性的主要因素，下面将分别介绍熔断丝和导线的选型方法以

及最终匹配校核的方法。

2常用熔断丝的种类

汽车熔断丝又称为保险，其主要作用是保护汽车线路，防止线路在出现短路、

过载等情况下导线绝缘层发烟融化，点燃线束防护及周边塑料件，引起烧车，保

证车辆及人员的安全，汽车熔断丝常用的有3大类。

I）大电流熔断丝：例如起动机熔断丝、发电机熔断丝、EPS熔断丝、Cooling

Fan熔断丝、机舱熔断丝盒总熔断丝等，对于纯电动汽车则包括DC-DC输出电

源熔断丝及蓄电池输出电源熔断丝等，该类熔断丝通常采用MEGA、MIDI.BF1

形式，通常具有时间延时特性，Littelfuse称其为“DiffusionpillTechnology”。

2）慢融熔断丝：主要用于中等电流电机类（雨刮电机、座椅调节电机等），

电阻类(后除霜通常采用MAXI、JCASE、LP-JCASE等)。

3)快融熔断丝：主要用于低电流负载，也是整车上使用数量最多的熔断丝，

常用的MINI、Micro类。

整车电源系统常用熔断丝类型举例如图1所示。

图1整车电源系统常用熔断丝类型举例口］

3熔断丝选型的方法

1)根据冗余系数计算熔断丝额定电流(Cuirenlrating),Litlelfuse对其定

义：Thenominalamperagevalueofthefuse.Itisestablishedbythemanufacturerasa

valueofcurrentwhichthefusecancarry,basedonacontrolledsetoftest

conditions.ThetestconditionarepartofUL!CSA/ANCE(Mexico)

248-14uFusesfbrsupplementaryovercurrentprotection”,Somecommonvariationof

thesestandardsinclude：fullyenclosedfuscholdcrs,highcontactresistances,air

movement,transientspikes,andchangesinconnectingcablesize(diameterand

length)o熔断丝是温度敏感型设备，当熔断丝100%满载时，测试条件的微小变

化就会对熔断丝的寿命产生很大影响，在实际车辆使用过程中，温度、湿度、振

动等条件是非常恶劣的，为了保证熔断丝在整个生命周期的可靠性，通常建议负

载工作电流不超过熔断丝额定容量的75%o

例如对于一个正常工作电流在2.25A的用电器，其选择的熔断丝规格要大于

3Ao

熔断丝的额定容量是在25C环境温度条件下测得的，通常在选择熔断丝时，

设置座舱环境温度为85C,发动机舱环境温度为105℃,温度升高对熔断丝熔断

的影响通过温度系数来表示，温度系数可通过TemperaturereartingCurve来读取。

温度折减系数曲线如图2所示。

图2温度折减系数曲线［1］

计算公式：

式中：If_理想的熔断丝额定值；In——额定工作电流；RR——环境温度

修正系数。

上述负载位于座舱，环境温度设置为85℃,其温度系数取0.94。

所以，可选择标称5A的熔断丝规格。

2)对于电机类、灯类(卤素灯)其工作电流不是稳定的状态，存在脉冲电

流或者浪涌电流，特别是在电机起动和灯丝点亮瞬间，在选择熔断丝的时候不可

能按照脉冲电流的最高幅值来作为负载工作电流选择熔断丝，这样选择的熔断丝

太大，存在设计冗余，因此按照稳定平均工作电流确定熔断丝大小后，要进行熔

断丝耐脉冲/浪涌电流冲击的寿命校核。

电机类负载启动瞬间电流曲线如图3所示。计算顺序如下：①选择合适的波

形来计算I2t,通过积分来计算负载脉冲电流所产生的热量，图4为不同电流波

形对应⑵的计算公式。②通过查表来确定相应熔断丝规格的121,如图5所示。

③最值，可通过图6读出熔断丝的耐冲击次数，一般要求熔断丝要满足1()万次

冲击的要求，如果不满足则选择更大一级规格的熔断丝，重新进行计算。

图3电机类负载启动瞬间电流曲线举例

图4不同电流波形对应⑵的计算公式

图5不同熔断丝规格对应⑵数值［1］

图6相对⑵与熔断丝耐冲击次数的对应曲线［1］

4导线的选型

汽车上的导线可分为蓄电池线、高压导线〔新能源汽车用，耐压等级DC

大于60V小于600V）、同轴电缆、低压导线（耐压等级DCV60V或ACV25V）

等，同时，这里所说的低压导线，也是车上使用数量最多，承担为整车所有电器

提供低压电源以及信号传输的作用。下面从设计角度分析一下低压导线选型的方

法。

1）首先从下面导线选型的路线图，了解导线选型应该考虑的因素：导线的

温度等级、绝缘层厚度、导体材料、绝缘层材质、导体结构、导线截面积。导线

选型路线图如图7所示。

图7导线选型路线图

2）导线的温度等级选择主要考虑两个因素。

一是导线使用的外部环境温度。①机舱域：不包括发动机，距离发动机排气

管300mm以上，温度范围：Minimum=-40℃,continuous=100℃,

Excursion=l10℃；②发动机域：位于发动机上，距离排气管在300mm内，温度

范围：Minimum=-40℃,continuous=120℃,Excursion=130℃；③高温区域：

距离发动机排气管小于150mm,温度范围：Minimum=-40℃,continuous=13（）℃,

Excursion=150℃；④座舱和底盘区域：驾驶舱和底盘距离排气管150mm以上区

域，温度范围：Mininium=—40℃,continuous=80℃,Excursion=1（）（）℃o

二是导线因承载电流所引起的温升。根据ISO导线温度等级的划分（表1）,

目前新车型通常将位于座舱和机舱的导线温度等级定位ClassB,将发动机线的

温度等级定义为ClassC,对于靠近排气管区域的导线通常采用隔热铝箔胶带的

防护，以杜绝发动机排气的热辐射。

3）绝缘层厚度的选择，通常从耐磨性、柔韧性以及耐压能力等方面考虑：

①厚壁导线：通常用在底盘如轮速传感器等需要高耐磨性的区域，同时要考虑弯

曲半径；②薄壁导线：通常用于整车所有区域的导线（除去底盘部分）；③超薄

壁导线：目前基本很少使用。

4）导体材质选型c①纯铜（退火）：车用导线的标准导体材质；②铜合金:

一般应用在0.13mm2,为了增加导线拉伸强度、压接性能；③镀锡铜：通常应用

在Pigtail端；④镀银铜：通常应用在高温场合200℃+；⑤镀银铜：通常应用在

高温区域（02传感器）225C+；⑥铝：通常应月在蓄电池线，减重降成本，但

是铝导体的导电性不如铜，同时在空气中容易发生腐蚀。

5）导体结构的选择（表2）。①导线截面积在（）.13〜2.（）mm2内的，通常采

用TypeA导体，便于剥线和端子压接；②导体截面积大于2.5mm2,TypeA和

TypeB都有用；③对于柔韧性要求比较高的地方，例如门校链位置、转向管柱、

电调座椅等，通常采用TypeC。

6）导线截面积的选择。下面有两个理论计算公式，表示了负载电流、导线

参数与温升的关系。第1种计算方法如公式（4）：

表1ISO导线温度等级划分

表2导体结构分类

式中：Kt——综合散热系数，它与导线所处的环境、导线材料有关，与导线

外部包覆的绝缘材料材质、厚度和颜色有关；T—温升；Ml——截面周长；

p0—导线在零摄氏度时的电阻率；S——导线的截面积；a——导线的电阻温度

系数；0——导线的实际温度值，°C；p0（HaO）—表示导线的实际温度对导

线电阻率的影响，导体的电阻随着温度的升高增大，与导体承载电流成反比，导

体的截面周长和截面积与导体的承载电流能力成正比。

第2种计算方法如公式(5)：

式中：T1——导线允许的工作温度；T2——环境温度；R——单位长度导线

的热阻；r—单位导线长度的电阻。

7)在导线