伍 昆

（奇瑞商用汽車有限公司，安徽 蕪湖 241001）

1 引言

當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染與日俱增，發(fā)展高效、節(jié)能、零排放的環(huán)保型純電動汽車已成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。相比傳統(tǒng)燃油車，電動汽車內(nèi)含有高壓部件，包括所謂的大三電 （電機(jī)、電機(jī)控制器、動力電池）和小三電 （電動壓縮機(jī)和高壓加熱PTC、DC／DC）等，新能源系統(tǒng)圖詳見圖1。

圖1 新能源系統(tǒng)圖

高壓電源的控制和分配主要通過新能源汽車高壓配電盒內(nèi)的繼電器通斷實(shí)現(xiàn)，常見的高壓配電盒為BDU電池包配電單元和PDU動力配電單元，高壓接觸器分布 （圖2）是一個(gè)典型電池包配電單元，BDU包括總正、總負(fù)、快充正負(fù)、附件、預(yù)充總計(jì)5類高壓直流接觸器。PDU包括電機(jī)、DC／DC、加熱、OBC等幾類高壓直流接觸器。

這些高壓部件通過繼電器控制如高壓系統(tǒng)控制 （圖3）紅線所示，高壓直流接觸器作為目前新能源車輛上使用的關(guān)鍵安全器件，一直受到整車廠和高壓盒以及接觸器廠家的高度關(guān)注，重點(diǎn)表現(xiàn)在接觸器在緊急狀態(tài)下需要直接進(jìn)行帶載分?jǐn)?，以保證整車的安全。

2 高壓繼電器常見問題現(xiàn)象描述

一般情況下，當(dāng)使用高壓直流接觸器作為安全開關(guān)時(shí)，在實(shí)際的調(diào)試車和路試過程中，我們遇到了各種各樣因?yàn)橹苯踊蛘唛g接由繼電器反映出來的問題，主要有以下幾個(gè)方面。

1）接觸器觸點(diǎn)粘連主要包括：①控制異常導(dǎo)致過大的沖擊電流；②預(yù)充未達(dá)預(yù)期效果導(dǎo)致過大的沖擊電流；③低壓電路保護(hù)電路問題或者反向電流。

2）接觸器觸點(diǎn)與銅排連接接觸面積不夠，發(fā)熱嚴(yán)重，或熔焊。

3）使用環(huán)境及其他導(dǎo)致的問題主要包括：①超過接觸器使用溫度范圍，會導(dǎo)致接觸器的動作參數(shù)超過指標(biāo)范圍，常見于混動車型靠近排氣管等外因；②異物、油污等容易導(dǎo)致接觸器觸點(diǎn)發(fā)熱異常；③裝配和運(yùn)輸導(dǎo)致。

以上3大類問題中最為嚴(yán)重和常見故障為接觸器觸點(diǎn)粘連，以下為具體的機(jī)理分析和診斷。

3 高壓繼電器粘連失效機(jī)理和對應(yīng)的誘因

高壓直流繼電器接通引起的粘連失效機(jī)理：由于整個(gè)動力母線上存在容性負(fù)載如電機(jī)控制器、DC／DC、空調(diào)壓縮機(jī)等，當(dāng)繼電器接通的瞬間，在主回路上會產(chǎn)生很大的接通浪涌電流，如果預(yù)充回路元器件或者BMS控制邏輯設(shè)計(jì)不合理會直接導(dǎo)致繼電器受到遠(yuǎn)超其能承受的電流沖擊，觸點(diǎn)在閉合時(shí)，觸點(diǎn)回跳時(shí)所產(chǎn)生的反復(fù)拉弧可能在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大的熱量 （尤其是受到大電流沖擊時(shí)），使接觸面局部快速加熱、軟化、熔化，然后迅速冷卻、凝固導(dǎo)致觸點(diǎn)材料連接一體，進(jìn)而在分?jǐn)噙^程中阻礙觸點(diǎn)脫離接觸形成類似于電焊過程的粘連。如果繼電器兩端的壓差不是很大，預(yù)充不充分的情況下浪涌電流不是太大 （幾百安培）可能導(dǎo)致繼電器微粘連或者在觸點(diǎn)產(chǎn)生燒結(jié)點(diǎn)，影響繼電器使用壽命。

同樣整車下電斷開繼電器也是如此，所以一定要控制好通斷時(shí)的電流，無論是完全粘連還是微粘連都會導(dǎo)致整車無法斷高壓，高壓主回路都帶大于60VDC的電壓，給售后維修人員和駕駛員的安全都帶來了隱患。所以需要在高壓安全和電池包系統(tǒng)以及整車路試多輪的試驗(yàn)中反復(fù)驗(yàn)證，杜絕此類事件發(fā)生。

圖2 高壓繼電器分布圖

4 高壓繼電器粘連的現(xiàn)象描述和初步判斷

在第一輪電池包調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，總正繼電器時(shí)而粘連，時(shí)而恢復(fù)正常。初步判斷為BMS控制邏輯異常或者預(yù)充不充分導(dǎo)致繼電器微粘，具體分析如下。

4.1 高壓繼電器閉合及斷開過程邏輯

1）VCU監(jiān)測整個(gè)高壓系統(tǒng)的狀態(tài)，BMS監(jiān)測電池包狀態(tài)并控制繼電器。

2）VCU監(jiān)控MCU以及BMS，并決定允許高壓繼電器閉合上電或不同等級下電，BMS控制高壓繼電器的高邊或者低邊閉合或者斷開。

3）BMS在收到VCU上電指令，進(jìn)行絕緣和自檢完成后進(jìn)行預(yù)充并監(jiān)控電流和電壓，閉合總正和總負(fù)繼電器，整車上電。

圖3 高壓系統(tǒng)控制圖

4）如整車需要下電或者電池包內(nèi)部故障，BMS也需要發(fā)高壓繼電器的斷開請求，VCU通知所有高壓部件有序地卸載降低電流，以防繼電器在大電流的情況下閉合或者斷開。

5）在緊急情況或電池包內(nèi)部故障，VCU在規(guī)定時(shí)間沒有完成上述動作，BMS可以強(qiáng)制斷開，執(zhí)行高壓繼電器斷開過程，反饋繼電器狀態(tài)。

6）BMS對高壓回路進(jìn)行保護(hù)監(jiān)測到粘連故障后，在下一次上電時(shí)禁止其他繼電器閉合確保安全。

4.2 高壓繼電器粘連判斷過程

測試上電完成后，BMS在發(fā)出下電指令后，在上位機(jī)讀出總正負(fù)載一側(cè)仍然有電壓，后用萬用表對圖4的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，判斷為總正繼電器粘連。

圖4 檢測點(diǎn)

實(shí)測 （圖5）標(biāo)識出的4個(gè)檢測 點(diǎn) a／b ／c ／d，其中以電池負(fù)極（a點(diǎn)）為整個(gè)采樣電路的參考地，粘連檢測的過程被嵌入到整車上電和下電的過程中。

BMS在高壓繼電器判斷過程的局限性：采樣電壓值的方法還涉及到負(fù)電壓和母線電容殘留電壓的影響，這種方法很麻煩，也不太準(zhǔn)確，尤其是主負(fù)繼電器的故障判斷；只能判斷有粘連，沒有辦法判斷為啥粘連和粘連的過程分析。只能通過車輛的診斷，報(bào)出主正繼電器粘連故障碼具體的問題，還需要用示波器對上電時(shí)序過程進(jìn)行仔細(xì)地調(diào)查分析和驗(yàn)證。

圖5 實(shí)測圖

5 高壓繼電器粘連的測試和時(shí)序分析

1）測試目的：高壓時(shí)序問題進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證測試上電時(shí)，主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器與主正繼電器閉合時(shí)序。

2）硬件環(huán)境：包含整車控制器、電機(jī)、電池包、電池管理系統(tǒng)等。

3）軟件環(huán)境：電池管理系統(tǒng)、CANOE、BMS上位機(jī)等相關(guān)軟件。

4） 測試工具：示波器（圖6）、CANOE、萬用表、筆記本電腦。

圖6 示波器

5）測試方法：①電腦通過CANOE接到CAN回路，上位機(jī)通過電池包內(nèi)CAN回路使用CAN軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)文；②示波器探頭分別連接到電池包內(nèi)部引出主負(fù)、放電、預(yù)充繼電器線束輸入和高壓端。

6）測試結(jié)果：①測試波形 （圖7）為整車帶電機(jī)等負(fù)載進(jìn)行上電時(shí)序的波形。②根據(jù)波形分析上電時(shí)序不正常，預(yù)充繼電器在主正繼電器閉合后延時(shí)約50ms斷開導(dǎo)致預(yù)充不足，壓差太高，導(dǎo)致沖擊電流過大；③總正繼電器粘連的原因是預(yù)充不充分，導(dǎo)致閉合的瞬間有700A以上的沖擊電流，優(yōu)化預(yù)充方案，BMS監(jiān)控壓差并控制繼電器在閉合前的壓差，降低沖擊電流，壓差過大禁止閉合繼電器。

圖7 測試波形

6 結(jié)論

主繼電器閉合前，應(yīng)先閉合預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充。預(yù)充必須充分，以降低壓差至合適的范圍，減小沖擊電流；壓差控制為系統(tǒng)電壓的5%，壓差過大禁止閉合繼電器。

最后，緊急情況下如碰撞 （圖8）等，如果有大電流又必須切斷回路而繼電器不粘連前提下實(shí)現(xiàn)，可以通過MSD的熔斷絲或者通過PDD（Power Disconnect Device）電源切斷裝置，在發(fā)生過流情況下先切斷主回路，保護(hù)繼電器，如圖9所示。

圖8 碰撞

圖9 保護(hù)裝置