孫曙光，杜太行，潘從榮，劉建強(qiáng)，龐毅

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130)

車用閃光繼電器電壽命試驗(yàn)方法與裝置研究

孫曙光，杜太行，潘從榮，劉建強(qiáng)，龐毅

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求對車用閃光繼電器進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，確定閃光繼電器電壽命試驗(yàn)過程中待監(jiān)測的性能參數(shù)，提出相應(yīng)的試驗(yàn)方案，并設(shè)計(jì)電壽命試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備利用模擬負(fù)載來替代原有的信號(hào)燈負(fù)載。電壽命試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)設(shè)備可以準(zhǔn)確檢測出閃光頻率、通電率、起動(dòng)時(shí)間和觸點(diǎn)電壓等關(guān)鍵參數(shù);模擬負(fù)載的設(shè)計(jì)解決試驗(yàn)過程中信號(hào)燈負(fù)載產(chǎn)生的光污染，優(yōu)化閃光繼電器電壽命試驗(yàn)環(huán)境，提高設(shè)備可靠性與通用性;同時(shí)，對單個(gè)試品在正常負(fù)載與故障負(fù)載時(shí)各個(gè)性能參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析，為后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品的電壽命評估打下基礎(chǔ)。

車用閃光繼電器;電壽命試驗(yàn);模擬負(fù)載;性能參數(shù)

0 引言

車用閃光繼電器是關(guān)系到車輛行車安全的重要電子器件，主要用于車輛的轉(zhuǎn)彎指示、報(bào)警指示以及故障顯示等。對閃光繼電器進(jìn)行電壽命試驗(yàn)是其可靠性試驗(yàn)的重要組成部分，也是獲取產(chǎn)品的電壽命性能指標(biāo)及評價(jià)產(chǎn)品可靠性高低的重要手段［1－7］。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的車用閃光繼電器電壽命試驗(yàn)裝置設(shè)備的種類、數(shù)量都較少;并且現(xiàn)有的閃光繼電器電壽命試驗(yàn)設(shè)備大多存在著操作復(fù)雜、制作成本高、功能單一和測量數(shù)據(jù)存在較大偏差等問題。同時(shí)現(xiàn)有設(shè)備的電壽命試驗(yàn)過程中選用燈泡負(fù)載，閃光繼電器連續(xù)動(dòng)作，燈泡連續(xù)閃爍，產(chǎn)生了光污染，不利于試驗(yàn)的操作進(jìn)行。

為解決以上問題，同時(shí)提高試驗(yàn)設(shè)備本身的可靠性，本文在分析國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電壽命試驗(yàn)方案，并研制計(jì)算機(jī)控制與檢測的閃光繼電器電壽命試驗(yàn)設(shè)備，為了避免試驗(yàn)過程中的光污染，和實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通用性，在深入研究車燈負(fù)載特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同電壓、電流規(guī)格的電阻－電容模擬負(fù)載，同時(shí)利用本設(shè)備對JQ501E閃光繼電器進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，分析在正常與故障負(fù)載下相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的變化趨勢，以期為進(jìn)一步進(jìn)行車用閃光繼電器的電壽命評估打下基礎(chǔ)。

1 車用閃光繼電器電壽命試驗(yàn)方法

就所有的電磁式繼電器而言，觸頭是用于接通和分?jǐn)嚯娐返淖铌P(guān)鍵執(zhí)行部件。因此，觸頭能否正常工作，將會(huì)直接影響整個(gè)繼電器的性能。閃光繼電器是一款性能參數(shù)與時(shí)間相關(guān)的繼電器，并且時(shí)間參數(shù)也會(huì)隨著負(fù)載狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。為了盡可能地反映閃光繼電器電壽命特征信息，結(jié)合國標(biāo)QC/T501—1999《汽車信號(hào)閃光器技術(shù)條件》要求［8］，選擇了閃光繼電器電壽命試驗(yàn)待檢測的性能參數(shù)，其中主要有閃光頻率、通電率、起動(dòng)時(shí)間和觸點(diǎn)電壓。

系統(tǒng)測量性能參數(shù)中，閃光頻率、通電率和起動(dòng)時(shí)間是閃光繼電器的時(shí)間參數(shù);電壓降直接反映了閃光繼電器的接觸電阻，是閃光繼電器的電氣參數(shù)。通過分析閃光繼電器輸出電壓的理想波形如圖1所示。

圖1 閃光繼電器輸出電壓的理想波形

閃光頻率:在正常負(fù)載下的閃光繼電器動(dòng)作頻率，單位為次/min。

通電率:是指閃光繼電器在動(dòng)作時(shí)，觸頭的閉合時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。

起動(dòng)時(shí)間:是指閃光繼電器自接通電源至觸頭第一次閉合或者是觸頭第一次斷開的時(shí)間。

觸點(diǎn)電壓:觸頭的接觸電阻所承擔(dān)的電壓，即觸點(diǎn)電壓。其中觸點(diǎn)電壓包括了觸點(diǎn)電壓降和開路電壓。

在汽車中閃光繼電器的負(fù)載由前后兩個(gè)主指示燈和側(cè)向指示燈組成。在閃光繼電器負(fù)載功率符合設(shè)計(jì)規(guī)定，閃光器在額定功率范圍內(nèi)有關(guān)性能應(yīng)符合表1規(guī)定，閃光繼電器動(dòng)作時(shí)的觸點(diǎn)電壓的規(guī)定見表2要求。

其中閃光器對主指示燈故障指示如下:

若出現(xiàn)一只主指示燈損毀時(shí)，閃光器的動(dòng)作或者光顯示就會(huì)產(chǎn)生如下其中之一的變化:1)閃光頻率增高;其閃光頻率至少高于原來閃光頻率的75%，但不高于140次/min;2)閃光頻率下降;其閃光頻率至少應(yīng)低于原來閃光頻率的50%，但不低于50次/min。

表1 閃光繼電器基本技術(shù)參數(shù)表

表2 閃光繼電器觸點(diǎn)電壓降要求

對于待測的時(shí)間參數(shù):閃光頻率、通電率和起動(dòng)時(shí)間，采用計(jì)數(shù)法對其進(jìn)行測量。

在圖2中假定T是待測信號(hào)時(shí)間間隔，TA是系統(tǒng)采樣周期，N是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，Δt1是從信號(hào)的上升沿開始與出現(xiàn)第1個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間，Δt2是從信號(hào)的下降沿結(jié)束之前出現(xiàn)最后一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間?？傻?

因此采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)的最大誤差為ΔNmax=1，同時(shí)最大相對誤差為

因?yàn)椴蓸宇l率為500 Hz，閃光器的閃光周期大約為0.5～1 s，所以最大相對誤差0.4%左右。

圖2 計(jì)數(shù)法測量波形圖

2 閃光繼電器電壽命試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)檢測系統(tǒng)的原理如圖3所示。PCL－720與固態(tài)繼電器控制試驗(yàn)回路的通斷;選用CHV－25P電壓傳感器和CHB－25NP電流傳感器進(jìn)行電壓、電流的檢測。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2.1.1 主電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主回路提供了閃光繼電器電壽命試驗(yàn)中的負(fù)載模塊、電源和控制開關(guān)等，使閃光繼電器可以在不同試驗(yàn)條件、狀態(tài)下進(jìn)行電壽命試驗(yàn)。如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)主回路電路圖

圖中K4控制主回路的導(dǎo)通與關(guān)斷。K1、K2、K3是為了滿足12 V、24 V、48 V等不同電壓系列的閃光繼電器切換到相應(yīng)模擬負(fù)載。以12 V負(fù)載為例，3條并聯(lián)支路分別模擬實(shí)際中的3個(gè)車燈負(fù)載，J11、J12、J13分別用于控制回路的通斷來模擬車燈出現(xiàn)故障的情況。其中D11－D12為觸點(diǎn)電壓降的檢測引出點(diǎn)，D12－D14是閃光繼電器輸出電壓的檢測引出點(diǎn)，D13－D14是試驗(yàn)回路電流檢測點(diǎn)。

2.1.2 模擬負(fù)載電路設(shè)計(jì)

以12V模擬負(fù)載設(shè)計(jì)為例，當(dāng)閃光繼電器負(fù)載為21 W、21 W和 4 W的3個(gè)燈泡負(fù)載時(shí)電流特性如圖5所示。包括沖擊電流和穩(wěn)態(tài)電流，其他支路亦同。

圖5 燈泡負(fù)載特性(橫軸0.2 s/div;縱軸5 A/div)

在設(shè)計(jì)模擬負(fù)載時(shí)，應(yīng)使模擬負(fù)載模擬燈泡燈絲在絕對冷態(tài)(燈泡第1次起動(dòng))下的電流沖擊特性。

為模擬燈絲的上述特性，模擬負(fù)載由電阻、電容組成。電路原理圖如圖6所示。其中充電與放電回路如圖中所示。二極管D1、D2、D3起到對電容放電路徑的限制作用。以第1條支路為例，閃光器導(dǎo)通，通過電阻R11對電容C1的充電，此過程模擬燈泡負(fù)載的沖擊特性，時(shí)間長短由RC來決定，當(dāng)電容充滿時(shí)，電容相當(dāng)于開路，電流流經(jīng)R11和R12模擬穩(wěn)態(tài)特性。

圖6 模擬負(fù)載電路原理圖

為實(shí)現(xiàn)對不同負(fù)載功率等級(jí)通用性的要求，模擬負(fù)載中的電阻R11、R12設(shè)計(jì)采用分段分級(jí)電阻串聯(lián)的方法來組成，原理如下:

假設(shè)額定電壓的范圍為Umin～Umax，車燈的額定工作電流范圍是Imin～I(xiàn)max，沖擊電流的過載倍數(shù)設(shè)為N倍。

其中Re=R11+R12的范圍可表示為Re為。

這里以Re的分級(jí)分段電阻串聯(lián)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析說明。設(shè)Re分為了K級(jí)，且每級(jí)又可均分為L段，各級(jí)的基準(zhǔn)電阻分別為:

從以上的分析發(fā)現(xiàn)，第K級(jí)基準(zhǔn)電阻越小，對于整個(gè)電流的精確度就會(huì)越高，但同時(shí)制作成本越高。為此可以通過確定K×L的值取最小值，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的整體最優(yōu)。確定分級(jí)數(shù)K的方法是:

對于每級(jí)下的均分?jǐn)?shù)L的選擇，可以選擇2、5、10等類似的整數(shù)，為了便于計(jì)算和關(guān)于刻度、精確度等的要求，可設(shè)計(jì)L=10，即每級(jí)下又均分了10段，如此即可確定分級(jí)數(shù)K的值。同時(shí)對沖擊電流負(fù)載電阻的分級(jí)分段設(shè)計(jì)原理同上分析所得。

按照以上設(shè)計(jì)，測得12 V系列閃光繼電器接功率分別為21 W、21 W和4 W的3個(gè)模擬負(fù)載的電流特性如圖7所示。與圖5第1次通電時(shí)的電流特性非常接近。

圖7 模擬負(fù)載電流特性(橫軸0.4s/div;縱軸5A/div)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為開發(fā)語言，并且采用模塊化設(shè)計(jì)思想［9－11］。

2.2.1 測試模塊程序設(shè)計(jì)

該模塊主要功能是對試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理，得出閃光繼電器的觸點(diǎn)電壓降、閃光頻率、通電率和起動(dòng)時(shí)間等特性參數(shù)，并顯示存儲(chǔ)，為以后的電壽命可靠性分析做準(zhǔn)備。本功能模塊的主要程序流程如圖8所示。

圖8 測試程序流程圖

3 閃光繼電器電壽命試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)際試驗(yàn)中，測試的閃光繼電器的型號(hào)為JQ501E閃光繼電器，也可以叫做21#閃光器。

3.1 測量參數(shù)

在無故障負(fù)載時(shí)，模擬負(fù)載為2×21W+4W時(shí)，測量點(diǎn)D12－D14、D11－D12、D13－D14的輸出波形，可以清晰觀測出閃光繼電器的工作狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 無故障負(fù)載時(shí)測量參數(shù)波形圖

3.2 性能參數(shù)變化

3.2.1 無故障負(fù)載電壽命試驗(yàn)參數(shù)變化

選取試品在無故障負(fù)載條件下，進(jìn)行電壽命試驗(yàn)，按照表1與表2的參數(shù)要求，測得該試品的電壽命高達(dá)為80多萬次，繪制性能參數(shù)隨操作次數(shù)增加而變化趨勢圖，如圖10所示。

圖10 性能參數(shù)變化波形圖

在整個(gè)電壽命實(shí)驗(yàn)過程中，時(shí)間性能參數(shù)閃光頻率、通電率和起動(dòng)時(shí)間隨著操作次數(shù)的增加，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)微小變化。開路電壓隨操作次數(shù)的增加在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)，最大波動(dòng)的范圍在0.1V左右，整體相對穩(wěn)定。其中變化最明顯的性能參數(shù)是觸點(diǎn)電壓降，其總體變化趨勢為:隨著操作次數(shù)的增加，電壓降逐漸變大，最終超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定后，還有繼續(xù)增加的趨勢。

3.2.2 故障負(fù)載下電壽命參數(shù)變化

更換一個(gè)新的閃光器，在出現(xiàn)一個(gè)主燈故障條件下，電壽命性能參數(shù)隨操作次數(shù)增加變化波形如圖11所示。

通過與圖10對比，閃光頻率加倍，是無故障負(fù)載時(shí)的2.3倍左右，通電率也明顯降低，起動(dòng)時(shí)間與觸點(diǎn)電壓的值變化不大。各參數(shù)的整體變化趨勢與無故障負(fù)載條件下的變化趨勢相似。

圖11 故障負(fù)載性能參數(shù)變化波形圖

4 結(jié)束語

本文確定了閃光繼電器電壽命試驗(yàn)過程中待監(jiān)測的性能參數(shù)，對試驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，模擬負(fù)載的設(shè)計(jì)優(yōu)化了閃光繼電器電壽命試驗(yàn)環(huán)境，提高了設(shè)備可靠性與通用性，并利用所設(shè)計(jì)的電壽命試驗(yàn)設(shè)備分析了單個(gè)試品在正常負(fù)載與故障負(fù)載時(shí)，各個(gè)性能參數(shù)的變化趨勢，為后續(xù)進(jìn)一步基于此進(jìn)行產(chǎn)品的電壽命評估打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］陸儉國，李奎，杜太行，等.塑殼斷路器可靠性理論與驗(yàn)證試驗(yàn)方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(5):180－185.

［2］張菲菲，李志剛，李玲玲，等.觸點(diǎn)壽命試驗(yàn)中初始接觸電阻與壽命的關(guān)系研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(5):63－68.

［3］李志剛，劉伯穎，李玲玲，等.基于小波包變換及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繼電器壽命預(yù)測［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30 (14):233－240.

［4］陸賓，陸儉國.機(jī)床用交流接觸器可靠性評估方法［J］.電工電氣，2014，02:49－51.

［5］陸儉國，王景芹，陸賓.電器可靠性工作概況與發(fā)展前景［J］.低壓電器，2014，04:1－7.

［6］姜晶晶.繼電器參數(shù)自動(dòng)化測試儀器研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［7］于海丹，葉雪榮，唐建華，等.繼電器電涌負(fù)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015，08:17－21.

［8］汽車信號(hào)閃光器技術(shù)條件:QC/T501－1999［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［9］厲偉，陳剛.一種利用LabVIEW濾除衰減直流分量的改進(jìn)算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(11):7－12.

［10］黃鮮鴿，景占榮.基于LabVIEW的繼電器電壽命檢測系統(tǒng)［J］.微處理機(jī)，2012，2(2):90－93.

［11］韓燁，劉志剛，李文帆.基于LabVIEW的新型電能質(zhì)量分析軟件開發(fā)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40 (16):121－125.

(編輯:劉楊)

Research on electrical life testing method and device of automotive flash relay

SUN Shuguang，DU Taihang，PAN Congrong，LIU Jianqiang，PANG Yi
(School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Automotive flash relay electrical life test has been made according to the requirements of the national standard.Characteristic parameters to be monitored have been determined during the test.A test scheme is proposed and electrical life test device is designed.This device uses simulating load to replace the original light load.The test results show that this device can detect the characteristic parameters such as flash frequency，electrified rate，start time，contact voltage and etc accurately.The design of simulation load can solve the light pollution problem caused by the light load，optimize the testing environment，and improve the reliability and versatility of the device.The variation trend of performance parameters of single test sample under normal and fault loads are analyzed，and this lays a foundation for further electrical life assessment of automotive flash relay.

automotive flash relay;electrical life test;simulating load;characteristic parameter

A

1674－5124(2016)11－0065－06

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.014

2016－05－11;

2016－07－05

天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZCZDGX014000)河北省教育廳資助科研項(xiàng)目(ZD2016108)

孫曙光(1979－)，男，河北河間市人，副教授，博士，

主要從事電器可靠性與檢測技術(shù)研究。