Le relais CC haute tension-sert de garantie finale pour la sécurité électrique des véhicules à énergie nouvelle. Il est seul responsable de la gestion de la connexion et de la déconnexion électriques entre la batterie et le contrôleur de moteur-, établissant une connexion pendant le fonctionnement du système, assurant l'isolation lorsque le système est arrêté et interrompant le circuit en cas de défaut. Sans cet élément essentiel, un véhicule électrique ne peut ni démarrer ni s’arrêter en toute sécurité. Pourtant, c'est l'élément interne apparemment simple -l'armature du relais EV-qui constitue le facteur principal déterminant si les contacts du relais peuvent s'engager et se désengager de manière fiable dans des conditions de haute tension et de courant élevé. Sa composition matérielle, sa précision de fabrication et son traitement de surface définissent directement l'indice de sécurité de l'ensemble du relais.
En moyenne, un véhicule à énergie nouvelle est équipé de cinq à huit relais CC haute tension-, dont des relais principaux, des relais de pré-charge, des relais de charge rapide-et des relais d'équipement auxiliaire. La logique opérationnelle de l'armature du relais EV est simple : lorsque la bobine est alimentée, elle génère un champ magnétique qui attire le noyau de fer en mouvement, surmontant la tension du ressort pour fermer les contacts électriques ; à l'inverse, lorsque l'alimentation est coupée, le champ magnétique se dissipe et le ressort ramène le noyau à sa position d'origine, ouvrant ainsi le circuit. Cependant, sur les plates-formes à haute tension-fonctionnant à 400 V ou même à 800 V, cette séquence "d'engagement-et-de relâchement" doit être exécutée en quelques millisecondes. Simultanément, l'armature doit résister à des courants de charge atteignant des centaines d'ampères ainsi qu'au choc électrique intense généré au moment de l'interruption du circuit-conditions qui imposent des exigences extrêmement rigoureuses en matière de vitesse de réponse et de performances magnétiques de l'armature.
Le choix du matériau pour l’armature mobile constitue le principal obstacle technique. L'armature des relais EV est généralement estampée à partir de feuilles de fer pur ; ce choix est motivé par la perméabilité magnétique exceptionnellement élevée et la coercivité extrêmement faible du fer pur. Lors de la mise sous tension, il magnétise et s'enclenche rapidement ; à l'inverse, lors de la déconnexion de l'alimentation, il se démagnétise et se libère rapidement, évitant tout déclenchement retardé dû à l'hystérésis magnétique. De plus, le fer pur possède une intensité d'induction magnétique de saturation supérieure à 2,1 Tesla, ce qui lui permet de générer une attraction électromagnétique suffisante-même sous la contrainte d'un ampérage de bobine limité-tours-pour surmonter la force opposée exercée par les ressorts de contact. Si le matériau contient des niveaux excessifs de carbone ou d’impuretés, ses propriétés magnétiques se dégradent ; cela peut entraîner des problèmes où le relais ne s'enclenche pas complètement ou ne se libère pas proprement, ce qui entraîne directement un soudage par contact ou une adhérence.
L'endurance à haute tension-n'est pas seulement une question d'isolation électrique ; c'est fondamentalement un défi dans la conception de circuits magnétiques. Structurellement, l'armature des relais électromagnétiques EV nécessite un contrôle précis de l'entrefer entre l'armature mobile et le noyau fixe : si l'écart est trop étroit, il devient susceptible de claquer diélectrique sous haute tension ; à l'inverse, si l'intervalle est trop large, la réluctance magnétique augmente, ce qui nécessite un courant de bobine plus élevé pour réaliser l'engagement. Dans la pratique de l'ingénierie, une structure d'isolation à plusieurs-étages est généralement utilisée, impliquant l'application d'un vernis isolant-résistant aux températures-sur les surfaces du noyau et le remplissage des espaces de contact avec un milieu de trempe de l'arc-. Cela garantit qu'aucune fuite de surface ne se produit lorsque les contacts se séparent sous une tension de fonctionnement de 800 V. La géométrie de l'armature mobile est également optimisée ; Des structures en forme de E-ou de U-sont utilisées pour disperser efficacement le flux magnétique, empêchant ainsi les fluctuations de la force d'attraction provoquées par une saturation magnétique localisée.
La résistance aux surtensions constitue le différenciateur essentiel qui distingue les relais haute tension-de leurs homologues standards. Le principal avantage du fer magnétique doux utilisé dans les armatures de relais EV réside dans sa combinaison de faible coercivité et de perméabilité magnétique élevée. Au moment de la fermeture du circuit, les charges capacitives génèrent une surintensité qui peut être plusieurs fois supérieure au courant nominal ; cette surtension transitoire peut faire fondre et souder les contacts des relais conventionnels. Contrairement aux matériaux standards, le fer magnétique doux ne surchauffe pas en raison des pertes par hystérésis dans des conditions de courant instantané élevé. Lorsqu'il est combiné avec une conception de section transversale de noyau optimisée-, ce matériau permet de maintenir la densité de flux magnétique en dessous du point de saturation, garantissant que l'armature mobile reste exempte de collage magnétique-même lorsque le courant de charge atteint dix fois sa valeur nominale. La résistance aux chocs du noyau d'armature d'un relais haute tension ne concerne pas fondamentalement "l'endurance à la force brute", mais plutôt la garantie que le flux magnétique a un chemin clair à suivre -ne restant ni saturé ni stagnant- pendant l'instant de l'impact. Cette capacité repose entièrement sur l'interaction synergique entre la courbe B-H du matériau et la conception structurelle.
Les capacités de suppression d'arc et de commutation dépendent en fin de compte du système de contact ; par conséquent, la fiabilité du système de contact est déterminée par la précision de fabrication des composants métalliques d'armature du relais EV. La planéité du noyau d'armature doit être contrôlée à 0,02 mm près et sa rugosité de surface (Ra) ne doit pas dépasser 0,8 μm ; même la moindre déformation peut entraîner un désalignement des contacts, provoquant un virage de l'arc d'un côté lors de la commutation et entraînant une érosion des contacts. Le jeu dans la matrice d'estampage est généralement fixé entre 3 % et 5 % de l'épaisseur du matériau ; après le processus de découpage, les pièces doivent être ébavurées et recuites pour soulager les contraintes internes, empêchant ainsi une déformation progressive lors de l'assemblage ultérieur. La tolérance de position des trous de montage est strictement contrôlée à ±0,1 mm ; le non-respect de cette tolérance peut entraîner une inclinaison du noyau d'armature après l'assemblage, entraînant une pression de contact inégale et des conditions de surchauffe localisées-qui finissent par déclencher une défaillance du dispositif.
Le traitement de surface constitue la garantie finale de la fiabilité à long terme du noyau d'armature. Les plaques d'armature des relais EV sont généralement fabriquées à partir de fer pur, dont la principale faiblesse est sa susceptibilité à l'oxydation. Puisque la rouille agit comme un isolant électrique, sa présence augmente l’entrefer magnétique à l’intérieur du circuit et diminue la force d’attraction magnétique. Dans la pratique de l'ingénierie, les composants sont généralement plaqués de nickel ou de zinc ; l'épaisseur du placage est contrôlée dans une plage de 3 à 8 μm-plus précisément, supérieure ou égale à 5 μm pour les environnements d'exploitation standards et supérieure ou égale à 8 μm pour les environnements corrosifs. En plus de fournir une protection contre la rouille, le placage sert également à réduire la résistance de contact, car les oxydes de nickel et de zinc présentent une conductivité électrique nettement supérieure à celle des oxydes de fer. Lors des tests de corrosion au brouillard salin, une couche de placage correctement appliquée doit résister à une exposition pendant plus de 1 000 heures sans présenter de signes de « rouille rouge ». La défaillance du noyau d'armature d'un relais haute tension se produit rarement au cours de son tout premier cycle d'actionnement ; au lieu de cela, cela commence généralement par une corrosion s'initiant au niveau de trous d'épingle microscopiques dans la couche de placage, entraînant une augmentation progressive de la réluctance magnétique et une diminution d'un an-sur-de l'attraction magnétique-un processus de détérioration qui passe souvent inaperçu jusqu'à l'échec d'une opération de pré-opération de précharge ultérieure.
Les cinq fonctionnalités principales des relais CC haute tension-haute-tenue à la tension, endurance de charge, résistance aux chocs, suppression d'arc et pouvoir de coupure-convergent finalement vers un seul composant : l'armature. La composition des matériaux dicte les propriétés magnétiques ; la précision détermine l'alignement des contacts ; et le placage de surface garantit une -fiabilité à long terme-chacun est indispensable. En réponse aux demandes des plates-formes 800 V et à la tendance vers une recharge ultra-rapide, la sélection des matériaux et des processus de fabrication passe d'une approche axée sur l'expérience-à une approche axée sur la simulation ; L'analyse des circuits magnétiques par éléments finis et la compensation du retour élastique par emboutissage sont désormais devenues une pratique courante en matière de conception.
Foire aux questions
1. Quel matériau est utilisé pour l'armature magnétique douce pour relais EV ?
Les armatures de relais EV sont généralement fabriquées à partir de fer de haute-pureté ou de fer magnétique doux en raison de leur perméabilité magnétique élevée et de leur faible coercivité.
2. Pourquoi le fer pur est-il préféré pour l'armature en fer pur pour relais EV ?
Le fer pur permet une magnétisation et une démagnétisation rapides, garantissant des performances de commutation fiables dans les relais CC haute tension-.
3. Quel placage est utilisé sur la plaque d'armature mobile pour le relais EV ?
Le nickelage et le zingage sont couramment appliqués pour améliorer la résistance à la corrosion et les performances magnétiques à long terme.
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