Введение: почему выбор реле определяет точность тестирования
Аккумуляторные блоки электромобилей — это критически важные для безопасности системы накопления энергии, работающие при номинальном напряжении от 400V до 800V, и каждый элемент, модуль и блок должен пройти строгую проверку, прежде чем попасть в автомобиль. За каждой автоматизированной системой тестирования, измеряющей сопротивление изоляции, напряжение разомкнутой цепи или циклы заряда/разряда, стоит группа коммутационных реле, выполняющих незаметную работу по маршрутизации сигналов, изоляции измерительных цепей и защите аппаратуры.
Выберите неправильное реле — и вы внесёте дрейф термо-ЭДС в ваши измерения напряжения, дребезг контактов в ваш сбор данных или риск вспышки дуги в ваши высоковольтные приспособления. Выберите правильное Реле для тестирования батарей EV и ваша испытательная система обеспечивает воспроизводимые, прослеживаемые результаты на протяжении миллионов циклов коммутации.
Эта прикладная заметка проходит через пять реальных сценариев тестирования батарей EV, от испытаний высоковольтной изоляции до моделирования сигналов BMS, и сопоставляет каждый из них с конкретной технологией герконовых реле, которая решает его лучше всего. Если вы строите или модернизируете оборудование для тестирования батарей, это практическое руководство, которое нужно вашему процессу выбора реле.
Читайте также: Как выбрать подходящее высоковольтное герконовое реле для вашего применения
Обзор тестирования аккумуляторов электромобилей
Проверка аккумуляторов охватывает три структурных уровня — элемент, модуль и блок, — и каждый уровень требует различных электрических измерений в разных диапазонах напряжения и тока:
- Измерение напряжения холостого хода (OCV): Прецизионное считывание напряжения отдельных элементов (3.0–4.2V) или последовательно соединённых модулей (до 50V+). Требует точности на уровне микровольт и стабильной коммутации без дрейфа.
- Внутреннее сопротивление (IR) / импедансная спектроскопия: Характеризация импеданса AC с использованием низкоуровневых сигналов AC, наложенных на напряжение элемента. Чувствительна к сопротивлению контактов и артефактам дребезга контактов.
- Испытание сопротивления изоляции: Приложение смещения DC (обычно 500V–2000V) между клеммами элемента/модуля и землёй шасси, затем измерение тока утечки. Требует высоковольтной коммутации с высоким сопротивлением изоляции.
- Испытания Hi-Pot (диэлектрическая прочность): Приложение устойчивого высокого напряжения (1kV–10kV+) между токоведущими проводниками и шасси для проверки целостности изоляции. Требует самых высоких номинальных напряжений.
- Циклирование заряд/разряд: Циклирование элементов и батарей высоким током (10A–500A+) для характеризации деградации ёмкости, эффективности цикла и календарного старения. Требует надёжных контакторов DC.
- Валидация BMS: Моделирование напряжений элементов, сигналов датчиков температуры, выходов датчиков тока и связи CAN/SPI для проверки встроенного ПО системы управления батареей и логики защиты. Требуются плотные, быстрокоммутируемые релейные матрицы.
Релейная матрица — основа любой многоканальной системы тестирования аккумуляторов. От сканирования последовательной цепочки из 96 элементов для измерения OCV до коммутации испытательного напряжения изоляции 5kV по 12 путям изоляции модуль–шасси — выбор реле напрямую определяет достоверность измерений.
Почему герконовые реле превосходно подходят для тестирования аккумуляторов
Герконовые реле обладают уникальным сочетанием характеристик, которые делают их предпочтительным коммутационным элементом в прецизионном оборудовании для тестирования аккумуляторов:
- Низкая тепловая ЭДС: Герконовые реле со ртутным смачиванием генерируют термические ЭДС ниже 0.5 µV, на порядок ниже, чем типичные электромеханические реле. Для измерений OCV, где погрешность 10 µV на переключателе приводит к значимой ошибке оценки SOC, это имеет значение.
- Герметичные контакты: Элемент геркона герметизирован в среде инертного газа или вакуума, устраняя окисление и загрязнение, которые со временем ухудшают сопротивление контактов. Это критично для приборов, которые должны сохранять точность калибровки в течение многих лет производственных испытаний.
- Отсутствие дребезга контактов (со ртутным смачиванием): Герконовые реле со ртутным смачиванием используют ртутную плёнку для перекрытия зазора контактов во время коммутации, обеспечивая замыкание и размыкание без дребезга. Для импедансной спектроскопии и прецизионного измерения напряжения дребезг контактов вносит высокочастотный шум, который искажает измерение.
- Высокое сопротивление изоляции: Герконовые реле достигают сопротивления изоляции между контактами, превышающего 10¹² Ω (1 TΩ), минимизируя пути тока утечки, которые могли бы шунтировать ваше измерение и вносить погрешность, что особенно критично при испытаниях сопротивления изоляции.
- Длительный механический ресурс: Герконовые реле, рассчитанные на 10⁸–10⁹ циклов, значительно превосходят по сроку службы электромеханические альтернативы, сокращая простои на обслуживание в средах производственного тестирования 24/7.
- Компактные габариты: Корпуса SIP и DIP обеспечивают высокоплотные релейные матрицы на одной печатной плате, необходимые для многоканального сканирования напряжения элементов и панелей моделирования сигналов BMS.
- Работа при высоком напряжении: Специализированные высоковольтные герконовые реле достигают характеристик коммутации от 3kV до 20kV в одном корпусе — то, с чем не может сравниться ни одно электромеханическое реле сопоставимого размера.
Применение 1: высоковольтное испытание изоляции
Задача
Испытание сопротивления изоляции проверяет, что диэлектрический барьер между токоведущими проводниками аккумулятора и шасси автомобиля соответствует нормативным требованиям (например, UN ECE R100 требует ≥100 Ω/V для систем постоянного тока). При испытании подаётся постоянное напряжение смещения, обычно от 500V до 2000V, и измеряется результирующий ток утечки через изоляцию.
В многомуодульной испытательной оснастке необходимо коммутировать это испытательное напряжение на различные точки измерения изоляции (вывод модуля–шасси, вывод модуля–вывод модуля), не внося паразитных путей утечки через сам переключатель.
Решение: Высоковольтные герконовые реле серии HVR
The HVR series обеспечивает характеристики коммутации до 20kV при сопротивлении изоляции между контактами, превышающем 10¹² Ω, что делает его идеальным коммутационным элементом для автоматизированных приспособлений испытания изоляции.
Типовая испытательная установка
- Испытатель изоляции (типа Megger или электронный измеритель сопротивления изоляции) подключается к общей измерительной шине.
- Герконовое реле серии HVR на каждую точку измерения коммутирует испытательное напряжение между шиной и каждым выводом модуля.
- Высокое сопротивление изоляции реле обеспечивает то, что путь утечки через переключатель ничтожен по сравнению с испытываемой изоляцией.
- Секвенсор или контроллер тестирования управляет реле по одному, с задержкой установления (обычно 100–500 мс), чтобы измерение изоляции стабилизировалось.
Ключевой совет по проектированию: Прокладывайте высоковольтные дорожки с большим зазором (минимум 6.4mm на kV на IPC-2221) и используйте охранные кольца вокруг низковольтных измерительных дорожек, чтобы поверхностная утечка не искажала показания.
Применение 2: прецизионное измерение напряжения (OCV / IR)
Задача
Измерение напряжения разомкнутой цепи отдельных литий-ионных элементов требует точности на уровне микровольт. Типичное напряжение элемента 3,7V должно измеряться с точностью ±0,1 мВ или лучше для поддержки оценки уровня заряда (SOC). Измерение внутреннего сопротивления, часто выполняемое импульсным тестом, требует чистой коммутации как цепи нагрузки, так и цепи измерения напряжения, без переходных процессов дребезга контактов.
Каждый микровольт термо-ЭДС на контакте реле, каждый миллиом сопротивления контактов и каждая наносекунда дребезга контактов напрямую ухудшают точность измерений.
Решение: Ртутные герконовые реле серии HGFR
The HGFR series герконовые реле со ртутно-смачиваемыми контактами обеспечивают:
- Термо-ЭДС ниже 0,5 мкВ
- Сопротивление контактов ниже 100 mΩ (обычно 50 mΩ)
- Нулевой дребезг контактов: ртутный мостик устраняет механический дребезг, присущий сухим герконовым и электромеханическим контактам
- Сопротивление изоляции >10¹² Ω, предотвращающее утечку между каналами в мультиплексированных конфигурациях
Архитектура мультиплексирования
Для последовательной цепочки из 96 элементов распространённая архитектура использует 2-полюсную схему мультиплексирования:
- Полюс 1 (высокий): Матрица реле HGFR соединяет положительный вывод каждой ячейки с общей измерительной линией “HIGH”.
- Полюс 2 (низкий): Вторая матрица соединяет отрицательный вывод каждой ячейки с общей измерительной линией “LOW”.
- Дифференциальное напряжение между линиями HIGH и LOW измеряется прецизионным цифровым вольтметром (DVM).
- Два реле на элемент (одно верхнее, одно нижнее) обеспечивают гальваническую изоляцию между измерительными цепями, предотвращая паразитные пути тока через соседние элементы.
Характеристика нулевого дребезга ртутных реле необходима, когда те же реле используются для импедансной спектроскопии, где анализ отклика методом быстрого преобразования Фурье был бы искажён артефактами дребезга контактов во временной форме сигнала.
Применение 3: моделирование сигналов BMS
Задача
Проверка системы управления аккумулятором требует моделирования сотен входных сигналов: напряжений элементов (с выходов ЦАП), сигналов термисторов (с программируемых магазинов сопротивлений), выходов преобразователей тока и цифровых шин связи (CAN, SPI, I²C). Комплексный стенд тестирования BMS может потребовать коммутации более 200 сигнальных каналов с быстрым временем установления (<1 мс) и высокой надёжностью.
Это классический Герконовое реле для тестирования BMS применении релейная матрица действует как электронная коммутационная панель, соединяя программируемые источники сигналов с жгутом BMS.
Решение: компактные сборки герконовых реле
Стандартные герконовые реле в корпусах SIP (например, серии GR) обеспечивают отличный баланс плотности, скорости и надёжности для моделирования сигналов BMS:
- Высокая плотность: Реле SIP с шагом 2.54mm позволяют разместить более 40 реле на 100mm ширины печатной платы, обеспечивая матрицы на 200 каналов на одной плате.
- Быстрая коммутация: Время срабатывания герконовых реле 0.5–1.5 ms обеспечивает быстрое сканирование каналов и ввод сигналов во время автоматизированных тестовых последовательностей.
- Долгий срок службы: Номинальный ресурс 10⁸ циклов гарантирует, что испытательный стенд выдержит годы высокопроизводительной валидации прошивки BMS.
- Характеристики на уровне слабых сигналов: Герконовые реле обрабатывают сигналы от микровольт до 200V без напряжений смещения или токов утечки, которые преследуют твердотельные мультиплексоры.
Пример: моделирование датчика температуры
BMS ожидает аналоговое напряжение от термисторов NTC. Испытательный стенд использует программируемый источник сопротивления, подключённый через релейную матрицу на герконовых реле к входным контактам температуры BMS. Каждое реле выбирает, какой температурный канал активен, а источник сопротивления проходит через температурный диапазон для проверки отчётности BMS о температуре, предупреждений о перегреве и логики обнаружения теплового разгона.
Применение 4: циклическое тестирование заряда/разряда
Задача
Циклеры батарей применяют контролируемые токи заряда и разряда (обычно скорости от 1C до 5C), измеряя напряжение, ток и температуру в течение тысяч циклов. Для элемента 100 Ah при 1C это 100A непрерывно через переключатель, что значительно превышает возможности герконовых реле. Коммутационный элемент здесь должен выдерживать высокие токи постоянного тока при минимальном сопротивлении контактов, чтобы избежать потерь мощности и самонагрева.
Решение: Контакторы постоянного тока серий EVI/EVM
Для сильноточной коммутации в установках циклирования батарей Контакторы постоянного тока серий EVI и EVM предоставляют:
- Номинальный длительный ток от 100A до 500A и более
- Номинальные напряжения постоянного тока, совместимые с аккумуляторными архитектурами 400V и 800V
- Сопротивление контактов ниже 0.5 mΩ, что минимизирует потери I²R и эффекты самонагрева, которые изменили бы тепловое состояние элемента во время тестирования
- Активные дугогасительные магниты для подавления дуги при напряжениях постоянного тока, продлевающие срок службы контактов
Влияние сопротивления контактов на точность измерений
При 100A даже 1 mΩ сопротивления контактов генерирует 10W тепла на контакте и создаёт падение напряжения 100 mV, которое проявляется как ошибка измерения на показании напряжения элемента. Сопротивление контактов серий EVI/EVM ниже миллиома удерживает эту ошибку ниже 50 mV, сохраняя точность измерений в пределах типичной спецификации циклера.
Примечание по проектированию: Измеряйте напряжение на клеммах элемента (4-проводное соединение Кельвина), а не на выходе контактора, чтобы полностью исключить сопротивление контактов из измерения напряжения.
Применение 5: испытание высоким напряжением и диэлектриком
Задача
Испытание высоким напряжением (hi-pot) предполагает подачу длительного высокого напряжения, часто в 1,5–2 раза превышающего номинальное напряжение системы, или согласно таким стандартам, как IEC 60664 и UL 2580, между токоведущими проводниками и массой шасси. Для аккумуляторной системы 800V типичны испытательные напряжения от 2,5 kV до 5 kV постоянного тока; при проверочных испытаниях напряжение может достигать 10 kV и выше.
Коммутационные реле в автоматизированной системе испытания высоким напряжением должны надёжно коммутировать эти напряжения без перекрытия, поддерживать высокое сопротивление изоляции между каналами и выдерживать повторяющуюся высоковольтную коммутацию без эрозии контактов.
Решение: Высоковольтные герконовые реле серии HVR
Возвращаясь к HVR series для этого требовательного применения:
- Коммутируемое напряжение до 20kV: Охватывает полный диапазон требований испытаний hi-pot для батарейных блоков EV, включая стандарты рельсового транспорта и аэрокосмической отрасли.
- Номиналы длительно допустимого тока подходит для слаботочного измерительного тракта hi-pot (обычно <10 mA).
- Герметичная запайка предотвращает загрязнение соседних контактов продуктами дуги в многоканальном приспособлении.
- Малое время срабатывания/отпускания обеспечивают быструю последовательность в высокопроизводительных средах производственного тестирования.
В типичной автоматизированной оснастке hi-pot одно реле HVR на точку испытания соединяет источник высокого напряжения с проверяемым проводником, а второе реле соединяет обратный путь массы шасси. Блокировка безопасности отключает источник высокого напряжения, пока не подтверждено замыкание обоих реле, предотвращая непреднамеренное включение.
Руководство по выбору: как выбрать подходящее реле для вашего испытания
В таблице ниже каждому типу испытания сопоставлены рекомендуемая серия реле и критические параметры для оценки:
| Тип испытания | Рекомендуемая серия | Коммутируемое напряжение | Ключевые параметры | Ссылка на продукт |
|---|---|---|---|---|
| Сопротивление изоляции | Серия HVR | 500V – 5kV | Сопротивление изоляции >10¹² Ω, ток утечки <1 нА | Серия HVR |
| OCV / прецизионное напряжение | Серия HGFR | ≤200V | Термо-ЭДС <0,5 мкВ, сопротивление контактов <100 mΩ, нулевой дребезг | Серия HGFR |
| Импедансная спектроскопия | Серия HGFR | ≤200V | Нулевой дребезг, низкая термо-ЭДС, быстрое установление | Серия HGFR |
| Моделирование сигналов BMS | Серия GR (SIP) | ≤200V | Высокая плотность, быстрая коммутация (<2 мс), ресурс 10⁸ циклов | Просмотреть каталог |
| Циклирование заряда/разряда | Серии EVI/EVM | ≤1000V DC | Номинальный ток, сопротивление контактов <0,5 мОм, подавление дуги | Серии EVI/EVM |
| Hi-Pot / электрическая прочность | Серия HVR | 2,5kV – 20kV | Электрическая прочность, сопротивление изоляции, герметичная запайка | Серия HVR |
Конструктивные соображения и лучшие практики
Разводка печатной платы для высоковольтных реле
- Следуйте рекомендациям по зазорам IPC-2221: минимум 6,4 мм зазора на кВ рабочего напряжения на внешних слоях.
- Используйте защитные кольца (дорожки, управляемые тем же потенциалом, что и измерительный узел) вокруг высокоомных измерительных линий для перехвата поверхностных токов утечки.
- Прокладывайте высоковольтные дорожки на внешних слоях с конформным покрытием или прорезями между слоями, чтобы предотвратить внутреннее дугообразование.
- Устанавливайте реле с единообразной ориентацией, чтобы упростить автоматический оптический контроль (AOI) паяных соединений.
Экранирование и помехоустойчивость
- Размещайте высоковольтные релейные матрицы в заземлённых металлических корпусах, чтобы удерживать электромагнитные помехи от переходных процессов коммутации катушек реле.
- Используйте витую пару для линий управления катушками реле, чтобы минимизировать наводки излучаемого шума на соседние сигнальные цепи.
- Добавляйте демпфирующие цепи (RC или диодные) на выводы катушки реле для подавления обратной ЭДС при снятии напряжения с катушки.
- Отделяйте высоковольтные коммутационные секции от низковольтных секций измерения сигналов на печатной плате, в идеале — на разных платах, соединённых экранированными кабелями.
Теплоотвод
- Снижайте номинальный ток реле на 50% при температуре окружающей среды выше 40°C. Камеры тестирования аккумуляторов часто достигают 45–60°C при термоциклировании.
- Для контакторов постоянного тока в устройствах циклирования контролируйте температуру контактов термопарами и снижайте испытательный ток, если температура контактов превышает 85°C.
- Обеспечьте достаточную вентиляцию или принудительное воздушное охлаждение для плотных релейных матриц, где рассеиваемая мощность катушек может повысить температуру платы.
Рекомендации по снижению номинальных параметров
- Снижение по напряжению: Никогда не эксплуатируйте реле выше 80% от его номинального коммутируемого напряжения для применений производственного тестирования. Для испытаний hipot выбирайте реле, рассчитанное на 1.5× вашего максимального испытательного напряжения.
- Снижение по току: Ограничивайте длительно допустимый ток до 75% от номинального максимума для непрерывного режима. Для импульсных применений проверяйте тепловую постоянную времени реле на соответствие вашему профилю импульсов.
- Планирование числа циклов: При 10,000 циклах испытаний в день реле с ресурсом 10⁸ циклов служит приблизительно 27 лет. При 100,000 циклов в день (высокопроизводительное моделирование BMS) планируйте замену реле каждые 3 года или выбирайте реле с номиналом 10⁹ циклов.
Планирование числа циклов и обслуживания
- Регистрируйте число циклов реле в программном обеспечении испытательной системы. Настройте оповещения о техническом обслуживании при достижении 50% и 80% номинального ресурса.
- Держите запас сменных реле, подобранных по партии и коду даты, для согласованных характеристик термо-ЭДС и сопротивления контактов.
- После замены реле выполняйте проверку калибровки на затронутых измерительных каналах, чтобы убедиться, что сопротивление контактов и смещение нового реле находятся в пределах допуска.
Заключение
Выбор реле в испытательных системах батарей EV — не второстепенная мысль, это фундаментальное проектное решение, которое определяет точность измерений, надёжность системы и соответствие нормативам. От прецизионности микровольтового уровня герконовых реле со ртутным смачиванием для измерения OCV и способности высоковольтных герконовых реле на 20 kV для испытаний изоляции и hi-pot до высокотоковых контакторов постоянного тока, используемых для циклов заряда/разряда, — подбор правильной технологии реле под каждое требование испытания является ключом к созданию испытательных систем, которые дают достоверные данные.
Полный ассортимент продукции SHR AUTOSENSOR, охватывающий высоковольтные герконовые реле, герконовые реле со ртутно-смачиваемыми контактами, и контакторы постоянного тока, спроектировано специально для этих требовательных применений.
Нужна помощь в выборе подходящего реле для вашего стенда тестирования аккумуляторов? Связаться с нашей инженерной командой для поддержки по применениям, запросов образцов и индивидуальных релейных решений.
Связанные материалы: