浅谈新能源汽车用先进陶瓷继电器产品开发与关键技术*

2018-01-26阎蛇民

陶瓷 2018年6期

杨倩阎蛇民

(咸阳陶瓷研究设计院有限公司陕西咸阳 712000)

1 陶瓷继电器在国内的发展概况

电控技术是衡量新能源节能电动汽车发展水平的重要标志，高压直流陶瓷继电器是电控系统的核心元件。传统的继电器受自身制造技术，特别是触点间隙小的限制，在接通高压直流、低功率因素感性负载时，继电器触点非常容易出现粘接失效或连续电弧烧火接触系统失效。为了克服现有技术的不足，本项目研发出一种新型高压直流真空继电器，在由金属与陶瓷封接的真空腔体中，陶瓷绝缘子滑动连接在动触点组件与推动杆之间，利用陶瓷绝缘子零件良好的真空性能与电绝缘性能，使动触点和静触点无论是在导通或断开的任何状态下都与继电器的导磁轭铁板、铁芯等零件构成的磁路系统保持良好的电绝缘，从而保证了继电器在切换直流高电压负载时的断弧能力，电弧是汽车自燃的主要原因。只有采用“无弧”接通分断的继电器产品，才是从根本上解决“自燃”问题的良方。

我国近年来高度重视电动汽车技术的发展。在“十五”期间，启动了“863 计划”电动汽车重大科技专项，确立了“三纵三横”(三纵：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；三横：电池、电机、电控)的研发布局，取得了一大批电动汽车技术创新成果。在“十一五”期间，组织并实施了“863 计划”节能与新能源汽车重大项目——聚焦动力系统技术平台和关键零部件研发。经过两个五年计划的科技攻关以及北京奥运会、上海世博会、深圳大运会、“十城千辆”等示范工程的实施，我国电动汽车从无到有，在关键零部件、整车集成技术以及技术标准、测试技术、示范运行等方面都取得重大进展，初步建立了电动汽车技术体系，科技创新为我国新能源汽车战略性新兴产业的形成奠定了扎实的基础。

2 陶瓷继电器在国外的发展概况

目前，在国际上高压直流继电器只有日本松下、美国TE公司及韩国知名公司可以生产，产品销售价格较高。国内企业在高压直流继电器的研发、生产领域尚处于起步阶段，因此应加快高压直流继电器的产业化。本项目总体目标为采用微晶氧化铝粉料，通过研制新型微晶氧化铝陶瓷配方，选用选进的成形工艺制备高致密陶瓷壳体，并优化壳体金属化参数，最终批量生产出优质高压直流真空陶瓷继电器产品。

从国际发展趋势看，随着技术的不断创新与突破，面对金融危机、油价攀升和日益严峻的节能减排压力，2008 年以来，以美国、日本、欧盟为代表的国家和地区相继发布实施了新的电动汽车发展战略，进一步明确了产业发展方向，加大了研发投入与政策扶持力度。日本以产业竞争力为第一目标，全面发展混合动力、纯电动、燃料电池3种电动汽车，研发和产业化均走在世界前列；美国以能源安全为首要任务，强调插电式电动汽车的发展；欧盟以CO2排放法规为主驱动力，重视发展纯电驱动汽车，仅德国国家电动汽车平台就计划投入近50亿欧元。

3 新型陶瓷继电器的发展

节能、环保是当今社会发展面临的重要问题。汽车的大量使用，加剧了能源危机和大气污染问题，电动汽车由于具有节能和低污染等优点，而成为当代汽车发展的主要方向，其研发与应用已成为世界汽车工业发展的大趋势，也被认为是汽车产业新的增长点。

从技术层面看，混合动力电动汽车技术逐渐成熟，已进入产品市场竞争期，率先实现产业化，正成为汽车市场销售新的增长点，其中日本市场混合动力电动汽车已占到汽车销量的10%左右；纯电动汽车电池技术进步加速，使整车产品更接近消费者的需求，插电式电动汽车作为一种具有纯电动和混合动力双重特征的电动汽车技术已成为全球新的研发热点，以电池租赁为代表的纯电动汽车商业模式创新取得进展，世界主要汽车制造商加快了纯电动汽车量产步伐，率先上市的日产LEAF 车型销售势头良好，各大汽车公司多种小型纯电动轿车已在2013～2015年密集上市；燃料电池轿车在动力性、安全性、续航里程、低温启动等性能指标方面已接近汽油车水平，且燃料电池汽车整车成本显著下降。

4 我院研制的陶瓷继电器的性能、节能分析及其优势

高压直流陶瓷继电器主要分两个部分：陶瓷壳体和金属动触件。其中最主要的陶瓷壳体材质为95氧化铝陶瓷，目前主要选用微晶氧化铝材料，配以烧结助剂，经特珠工艺烧结为成品，咸阳陶瓷研究设计院有限公司下属的精细工业陶瓷厂能批量加工生产氧化铝陶瓷，其相关设备有：氧化铝衬球磨机，超细粉碎机、压力式喷雾干燥机、热压注机和蜡机、双通道高温推板窑、双面磨床等硬件设施，项目落实后再增加部分金属化设备就可完全满足项目产品试验和生产要求。

采用微晶氧化铝粉料为原料，通过研制氧化铝陶瓷配方，选用先进的成形工艺，制备出高致密陶瓷壳体。利用正交试验法优化壳体金属化参数，最终研制并批量生产出优质高压直流真空陶瓷继电器产品。传统的继电器受自身制造技术，特别是触点间隙小的限制，在接通高压交流、高压直流、大直流电机、低功率因素感性负载时，继电器触点非常容易出现粘接失效或连续电弧烧火接触系统失效。为了克服现有技术的不足，本项目参照真空高压开关产品，研发出一种新型高压直流真空继电器，在由金属与陶瓷封接的真空腔体中，陶瓷绝缘子滑动连接在动触点组件与推动杆之间，利用陶瓷绝缘子零件良好的真空性能与电绝缘性能，使动触点和静触点无论是在导通或断开的任何状态下都与继电器的导磁轭铁板、铁芯等零件构成的磁路系统保持良好的电绝缘，从而保证了继电器在切换直流高电压负载时的断弧能力；构成真空腔体及其内部所有的零件均具有足够低的饱和蒸汽压，且经过高温烘烤排气，使真空腔体中的真空度能够长期保证继电器切换大电流、直流高电压负载的工作需要。

未来10年将是全球汽车产业转型升级的重要战略机遇期。我国汽车产销规模已居世界首位，为应对日益突出的燃油供需矛盾和环境污染问题，发展节能与新能源汽车已成必然趋势。目前，节能与新能源汽车示范运行范围逐步扩大，基础配套设施在逐步完善，国民消费理念逐渐形成，推广空间将更为广阔。陕西省节能与新能源汽车发展具有一定基础和优势，部分产品已走在全国前列，产业发展潜力较大，在今后一个时期内，国家政策支持力度将进一步加大，市场需求引导作用更趋明显，必须抓住机遇，采取有力措施，推动陕西省节能与新能源汽车产业的发展。

电动汽车作为一种纯电动力的车辆，采用蓄电池工作方式，功率在50 kW以上，电压在300 V以上，车辆内各种控制线路复杂交错。传统的直流继电器经过若干次切换后，接触电阻增大，自身发热量高，影响蓄电池的利用率。而应用本项目开发的“无弧”直流继电器切换10万次以上，接触电阻也不会发生变化，更加不存在传统直流继电器在起弧的瞬间对系统造成的电磁干扰。该款产品将电力电子器件与有触点产品有机结合，大幅度地提高了灭弧性能，相对于国外产品使用高昂的触头合金材料和复杂的加工工艺，降低了成本，并且电气寿命高达10万次。与传统继电器相比，可以无弧通断感性负载、安全的隔离功能、结构简单、可靠性高；与功率半导体器件相比，无需外配散热器件，大大减小了产品体积，无需单独配置驱动电路，产品的应用前景将更加广阔。陕西省目前着力增强关键零部件研发配套能力，鼓励整车企业控(参)股关键零部件企业，加大技术合作和研发投入，加大关键零部件基础研发，提升产品核心竞争力和技术水平，提高配套能力。本项目的实施和产品开发基本满足我省节能与新能源汽车发展供应需求。与之相应以节能与新能源汽车发展，吸引和带动社会资本、民营企业投资汽车基础关键零部件研发生产。