羅丙荷， 張福成

(1.江西凱馬百路佳客車有限公司， 南昌 330013； 2.江西省新能源客車工程技術(shù)研究中心， 南昌 330013)

高壓接觸器是一種被廣泛使用在純電動客車高壓系統(tǒng)中的電氣元器件，其原理是利用觸點(diǎn)的開斷和閉合間接實(shí)現(xiàn)對電路的控制，具有高度隔離的效果。隨著純電動客車技術(shù)的迅猛發(fā)展，對高壓電氣系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，高壓接觸器的觸點(diǎn)一旦發(fā)生粘連或者燒蝕斷開，將直接導(dǎo)致高壓系統(tǒng)某項功能喪失，影響整車的正常使用，甚至造成安全事故。本文講述了高壓接觸器觸點(diǎn)的失效模式，并給出其診斷設(shè)計方案。

1 高壓接觸器觸點(diǎn)的失效模式

閉合失效和開斷失效是接觸器觸點(diǎn)失效的主要模式。閉合失效即繼電器無法完成規(guī)定的閉合功能；開斷失效即繼電器無法完成規(guī)定的開斷功能[1]。引起這兩種失效的原因多種多樣，對于常開觸點(diǎn)而言，繼電器觸點(diǎn)在閉合和分?jǐn)噙^程中產(chǎn)生的電弧將會引起接觸系統(tǒng)性能退化，進(jìn)而導(dǎo)致其閉合和開斷失效的發(fā)生。

引發(fā)觸點(diǎn)發(fā)生閉合失效的機(jī)理在于[2]：觸點(diǎn)接觸電阻變大。接觸電阻變大主要由以下原因所致：在燃弧過程中觸點(diǎn)材料損失導(dǎo)致的接觸壓力變?。辉陔娀「邷刈饔孟掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絕緣氧化物、碳化物顆粒；在觸點(diǎn)表面聚集生成污染膜等導(dǎo)致膜電阻變大。

引發(fā)觸點(diǎn)發(fā)生開斷失效的機(jī)理在于[3]：當(dāng)電弧引起的動熔焊產(chǎn)生的熔焊力大于觸頭的分離力；由于燃弧導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移和損失，使得觸點(diǎn)表面形成凸起和凹坑，使得觸點(diǎn)間隙變小，絕緣性能變差，發(fā)生擊穿或者間隙堵塞。

針對純電動客車高壓系統(tǒng)常用的高壓接觸器，通過拆解大量的不良產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，主要的失效模式有3種：

1) 粘連。觸點(diǎn)粘連是高壓接觸器的最主要失效模式，粘連失效說明分?jǐn)鄷r觸點(diǎn)熔焊力大于觸頭的分離力[4]。通過觀察拆解觸點(diǎn)粘連的高壓接觸器，發(fā)現(xiàn)接觸器的電磁系統(tǒng)性能并未下降太多，基本排除因電磁吸力過小而導(dǎo)致粘連的因素。另外，發(fā)現(xiàn)接觸器的觸頭燒蝕嚴(yán)重，滅弧室基本被觸頭噴濺出的金屬顆粒填滿，滅弧罩變形嚴(yán)重。因此，可以判斷出粘連是由觸頭燒蝕導(dǎo)致熔焊力過大引起的[5]。

2) 卡死?？ㄋ绖t說明動、靜觸點(diǎn)以及銜鐵部分可能出現(xiàn)了多余物。通過拆解觸點(diǎn)卡死的接觸器，發(fā)現(xiàn)可動部件中的銜鐵、連桿未見明顯劃痕，只有一個靜觸點(diǎn)表面出現(xiàn)明顯尖峰，約有2～3 mm，當(dāng)銜鐵略微轉(zhuǎn)動并通過連桿帶動動觸點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，動觸點(diǎn)會與靜觸點(diǎn)上的尖峰接觸，從而阻礙銜鐵繼續(xù)閉合，出現(xiàn)卡死現(xiàn)象[6]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是磁感應(yīng)強(qiáng)度過強(qiáng)，電弧經(jīng)常在長度較小時即被快速熄滅，觸點(diǎn)燒蝕物堆積在觸點(diǎn)靠近中心位置處，逐漸形成尖峰。

3) 耐壓下降[7]。耐壓值降低主要是由電弧將觸頭燒蝕所致。例如，噴濺使得觸頭材料金屬液滴濺落在燃弧室內(nèi)，材料轉(zhuǎn)移使得觸頭表面凸凹不平、間隙變小等。

2 故障診斷方案設(shè)計

隨著純電動客車的大量使用，為了提高充電時充電樁和車輛的安全性，國家出臺法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487-2015，要求“供電設(shè)備和電動汽車均應(yīng)具備供電回路接觸器粘連檢測和告警功能”[8]。本文選用某公司生產(chǎn)的STID-HVN99集成式高壓監(jiān)測板作為研究案例，詳細(xì)說明純電動客車高壓接觸器粘連故障診斷的設(shè)計要點(diǎn)。

該總成具備4組11路正負(fù)量程的組間隔離高壓輸入通道和1路隔離的電壓/絕緣高壓輸入通道；11路高壓隔離通道分為4組，分別為G1組3路，G2組4路，G3組2路和G4組2路。每路電壓測量誤差<1%，量程±1 000 V。

百路佳某型號純電動客車的高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在整個高壓系統(tǒng)中，利用HVN99集成式高壓監(jiān)測板的通道組劃分和測量特性，將各個接觸器的觸點(diǎn)進(jìn)行分組，依次接入HVN99的高壓測量通道，高壓通道配置表見表1。

根據(jù)不同的工況，將接觸器的觸點(diǎn)分為4類[9]：電輔助類、主回路類、充電類和電加熱類。在VCU或BMS的主控軟件控制策略中，采用連續(xù)3到4幀及以上幀數(shù)(100 ms周期)電壓數(shù)據(jù)參與判斷，或使用連續(xù)3到4幀及以上幀數(shù)電壓數(shù)據(jù)加權(quán)值參與判斷。并通過記錄掉電時間小于某值(如30 s)為技術(shù)手段來判斷是否頻繁上下電[10]，因?yàn)轭A(yù)充電阻的發(fā)熱和電機(jī)控制器前端X電容未放電完全，因此下電-上電間隔時間小于30 s不作接觸器粘連判斷。

1) 電輔助類觸點(diǎn)包括電空調(diào)KM4、電除霜KM6和電暖風(fēng)KM7。其粘連判斷邏輯為：當(dāng)KMx(KMx表示KM4或KM6或KM7)斷開且主正和主負(fù)都閉合時，如|當(dāng)前觸點(diǎn)電壓|<判斷閾值A(chǔ)(如取20 V、30 V)，則KMx觸點(diǎn)粘連；頻繁上下電工況不作判定[11-12]。

表1 高壓通道配置表

2) 主回路類的觸點(diǎn)包括主正KM1、預(yù)充KM9、主負(fù)KM10。其判斷邏輯為：當(dāng)KM10閉合、KM1和KM9斷開時，如|當(dāng)前觸點(diǎn)電壓|<判斷閾值H(如取20 V、30 V)，則KM1(主正)粘連；頻繁上下電工況，不做判定。當(dāng)KM10、KM1和KM9斷開時，|當(dāng)前觸點(diǎn)電壓|<判斷閾值N(如取20 V、30 V)，則KM10(主負(fù))粘連；頻繁上下電工況，不做判定。正常上電過程中，KM1和KM10的電壓數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

圖2 通道5電壓數(shù)據(jù)(KM1)

圖3 通道11電壓數(shù)據(jù)(KM10)

3) 充電類觸點(diǎn)包括充電正KM2和充電負(fù)KM5。結(jié)合GB/T 18487-2015[8]中定義的直流充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、時序圖、充電過程，在充電機(jī)和BMS的“初始化和數(shù)據(jù)交互階段”的T9時段里，充電機(jī)的輸出接觸器(GB/T 18487-2015協(xié)議里定義的K1和K2)閉合,而車載接觸器KM2和KM5(GB/T 18487-2015協(xié)議里定義的K5和K6)斷開。利用T9時段檢測G2-1(通道4)和G3-1(通道8)的電壓值，當(dāng)這兩者的絕對值連續(xù)3到4幀數(shù)據(jù)(100 ms一幀)都小于某一閾值時(如50 V)，對應(yīng)觸點(diǎn)粘連。

4) 電加熱類觸點(diǎn)包括電池加熱正KM8和電池加熱負(fù)KM11。其判斷邏輯為：當(dāng)KM8閉合，KM11斷開時，如|當(dāng)前觸點(diǎn)(通道9)電壓|<判斷閾值C(如取20 V、30 V)，則KM11粘連；當(dāng)KM11閉合，KM8斷開時，如|當(dāng)前觸點(diǎn)(通道6)電壓|<判斷閾值C(如取20 V、30 V)，則KM8粘連。

3 結(jié)束語

經(jīng)長期、大批量的裝車驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)以汽車電子技術(shù)手段檢測接觸器觸點(diǎn)兩端電壓，并通過上述診斷算法來實(shí)現(xiàn)純電動客車高壓接觸器的故障診斷，可有效解決純電動客車的高壓安全問題。本方案可靠性高、漏檢率和誤檢率低、體積小、成本低。