張延星，焦紅星

某新能源汽車壓縮機(jī)接觸器絕緣故障問題分析

張延星，焦紅星

（海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450000）

為了有效解決某量產(chǎn)新能源汽車壓縮機(jī)使用過程中出現(xiàn)的接觸器絕緣故障問題，文章通過實(shí)驗(yàn)確定故障主要原因是未考慮電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)輸入端濾波電容，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間有較大沖擊電流，觸點(diǎn)銅排燒蝕。對標(biāo)幾種暢銷純電動(dòng)汽車壓縮機(jī)控制回路，堅(jiān)持改動(dòng)最小且能有效解決問題的原則對量產(chǎn)車型電路進(jìn)行整改，在現(xiàn)有空調(diào)回路中增加預(yù)充控制回路。文章分析結(jié)果為其他車型空調(diào)控制回路設(shè)計(jì)提出有效思路，避免因大電流沖擊導(dǎo)致絕緣問題。

壓縮機(jī)；接觸器；濾波電容；絕緣故障

前言

傳統(tǒng)汽車帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，新能源電動(dòng)車成為現(xiàn)在以及未來發(fā)展的趨勢，而純電動(dòng)汽車在新能源汽車中地位尤為重要，近年來，國家大力推廣電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車市場保有量越來越大[1]。早期投入市場的電動(dòng)汽車，受前期設(shè)計(jì)不完善、使用年限長、行駛里程高等因素影響，車輛進(jìn)入了質(zhì)量問題頻發(fā)階段；純電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)差異較大，其控制電路也明顯不同，純電動(dòng)汽車控制電路的設(shè)計(jì)直接影響空調(diào)的使用，而空調(diào)在汽車中關(guān)乎安全（除霜除霧）及用戶舒適性，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 某車型空調(diào)壓縮機(jī)接觸器故障現(xiàn)象

某純電動(dòng)量產(chǎn)車型空調(diào)制冷功能失效，整車報(bào)絕緣故障導(dǎo)致車輛不能行駛，該問題多發(fā)生在夏季使用空調(diào)制冷較頻繁的用戶車輛上。

2 原因分析

使用絕緣電阻測量儀對故障車輛逐個(gè)高壓回路進(jìn)行測量、分析、排除，最終確定為空調(diào)壓縮機(jī)高壓回路對車身絕緣阻值低，下面對該故障原因進(jìn)行分析。

2.1 故障車輛空調(diào)壓縮機(jī)接觸器拆解分析

如圖1所示，將故障接觸器從中間拋開，可見功率觸點(diǎn)銅排有嚴(yán)重的燒蝕，接觸器外殼內(nèi)部有較多燒蝕產(chǎn)生的銅屑，整車發(fā)生絕緣故障不能行駛的原因?yàn)榭照{(diào)壓縮機(jī)接觸器功率觸點(diǎn)燒蝕產(chǎn)生大量銅屑。空調(diào)壓縮機(jī)接觸器高壓功率觸點(diǎn)與低壓控制觸點(diǎn)在同一個(gè)封閉腔體內(nèi)，間隙小且無隔離，燒蝕產(chǎn)生的銅屑導(dǎo)致兩者間電阻降低，發(fā)生絕緣故障。

圖1 空調(diào)接觸器拆解圖片

2.2 空調(diào)接觸器觸點(diǎn)燒蝕原因分析

該車型空調(diào)回路原理圖如圖2所示，該車型電動(dòng)壓縮機(jī)為固定轉(zhuǎn)速型壓縮機(jī)，為給電即工作模式，因此其回路串聯(lián)了1個(gè)50 A接觸器進(jìn)行開關(guān)控制，串聯(lián)1個(gè)熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)控制，受到空調(diào)工作模式限制，接觸器控制觸點(diǎn)串聯(lián)一個(gè)空調(diào)溫度傳感器，該傳感器在空調(diào)蒸發(fā)器溫度降低到設(shè)定溫度閾值時(shí)可切斷接觸器控制回路電源，隨即空調(diào)接觸器斷開，壓縮機(jī)斷電停止工作。

電動(dòng)壓縮機(jī)受限于自身特性，其輸入端設(shè)置有濾波電容，并且空調(diào)回路增加接觸器后，電池包內(nèi)部的預(yù)充回路無法給空調(diào)壓縮機(jī)預(yù)充電，因此導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)有較大電流，用示波器對該車型空調(diào)回路電流進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，有1 000 A左右沖擊電路，該沖擊時(shí)間為100～200 us，如圖3所示。該車型最初設(shè)定的蒸發(fā)器溫度傳感器閾值為0 ℃～4 ℃，且在車輛可靠性道路耐久試驗(yàn)中驗(yàn)證了其可靠性，后續(xù)由于溫度閾值低導(dǎo)致蒸發(fā)器表面有冷凝水珠出現(xiàn)，因此溫度閾值上調(diào)為2 ℃～4 ℃并移動(dòng)了溫度傳感器布置位置，調(diào)整后未進(jìn)行充分驗(yàn)證；對故障車輛進(jìn)行空調(diào)實(shí)車測試，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度在30 ℃左右時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)制冷，空調(diào)送風(fēng)開關(guān)在一檔及二檔時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)15 s～20 s后，壓縮機(jī)即停止工作（蒸發(fā)器溫度降低達(dá)到閾值2 ℃～4 ℃），15 s后空調(diào)壓縮機(jī)再次啟動(dòng)（蒸發(fā)器溫度升高，超出閾值2 ℃～4 ℃），并不停重復(fù)上述循環(huán)。但是空調(diào)送風(fēng)量在三擋時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)可一直工作。

圖2 某車型空調(diào)高壓回路原理圖

圖3 沖擊電流測試

綜上分析，可以得出空調(diào)接觸器觸點(diǎn)燒蝕原因?yàn)閴嚎s機(jī)啟動(dòng)瞬間沖擊電流較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出接觸器設(shè)計(jì)負(fù)載能力，再加上空調(diào)蒸發(fā)器溫度閾值設(shè)置較高，導(dǎo)致車輛在特定工況下空調(diào)壓縮機(jī)頻繁啟停（2次/分），接觸器在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)1 000 A左右大電流頻繁沖擊，沖擊電流過大導(dǎo)致接觸器吸合的瞬間產(chǎn)生較大的拉弧，拉弧瞬間產(chǎn)生的高溫將觸片電解燒蝕產(chǎn)生銅屑，銅屑散布在接觸器功率觸點(diǎn)和低壓控制線的中間（接觸器高壓和低壓部分沒有做物理隔離），使用時(shí)間越長，拉弧產(chǎn)生的銅屑越多，導(dǎo)致接觸器功率觸點(diǎn)和控制信號(hào)線的爬電距離縮小從而導(dǎo)致絕緣故障。

2.3 空調(diào)接觸器臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

搭載試驗(yàn)臺(tái)架，模擬空調(diào)接觸器頻繁大電流沖擊試驗(yàn)，進(jìn)一步分析故障原因。

2.3.1臺(tái)架設(shè)定

使用該車型實(shí)車作為載體，空調(diào)接觸器使用PLC作為控制電路，使空調(diào)壓縮機(jī)工作15 s，停止15 s，不停重復(fù)上述循環(huán)，并串聯(lián)一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，試驗(yàn)到車輛報(bào)絕緣故障后停止，試驗(yàn)每兩小時(shí)進(jìn)行一次沖擊電流測試及絕緣電阻測試，測試7 912次后，車輛報(bào)絕緣故障，拆解空調(diào)接觸器發(fā)現(xiàn)其觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，如圖4所示。

圖4 臺(tái)架測試

綜合以上分析，產(chǎn)生該問題原因如下：

（1）主要原因：空調(diào)壓縮機(jī)回路設(shè)計(jì)不合理，未考慮電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)輸入端有濾波電容，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬間有較大沖擊電流。

（2）次要原因：空調(diào)蒸發(fā)器溫度傳感器溫度閾值設(shè)置不合理，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)在特定工況下頻繁啟停，造成空調(diào)壓縮機(jī)接觸器較早達(dá)到使用壽命。

3 該故障臨時(shí)對策

該車型為已量產(chǎn)車型，結(jié)合該車型空調(diào)壓縮機(jī)給電即工作的特性，在盡量避免零部件大量更換的基礎(chǔ)上對原電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。

在現(xiàn)有空調(diào)回路中增加預(yù)充控制回路，預(yù)充電阻根據(jù)改車型電動(dòng)壓縮機(jī)輸入端濾波電容大小進(jìn)行選擇，電容電壓變化計(jì)算如下：

=（1－-t/RC） （1）

公式中：為壓縮機(jī)端電容電壓，為動(dòng)力電池電壓，為預(yù)充時(shí)間，為預(yù)充電阻，為電容。

一般要求預(yù)充后，/≥90%，為盡量降低沖擊電流，我們?nèi)?=95%，則根據(jù)上述計(jì)算公式可得出，預(yù)充時(shí)間=3 RC，該車型壓縮機(jī)端電容約為15 000 uF，選用10 Ω預(yù)充電阻，則預(yù)充時(shí)間為450 ms，及預(yù)充電時(shí)間預(yù)留在450 ms以上即可避免較大的沖擊電流產(chǎn)生，因此優(yōu)化后空調(diào)控制策略為，空調(diào)壓縮機(jī)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)改由BCM控制，即用戶按下空調(diào)制冷AC開關(guān)后，BCM先驅(qū)動(dòng)空調(diào)預(yù)充接觸器，對壓縮機(jī)輸入端濾波電容進(jìn)行預(yù)充電，經(jīng)過0.5 s延時(shí)后再驅(qū)動(dòng)空調(diào)接觸器閉合，空調(diào)壓縮機(jī)開始工作，此時(shí)切斷預(yù)充接觸器，避免預(yù)充電阻消耗電能。優(yōu)化后，空調(diào)壓縮機(jī)預(yù)充回路先閉合，預(yù)充回路中限流電阻將對壓縮機(jī)輸入端濾波電容緩慢充電，電容兩端電壓緩慢上升，之后在閉合壓縮機(jī)接觸器時(shí)，接觸器兩端壓差較小，不會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而避免接觸器被燒蝕[2]。同時(shí)更換空調(diào)接觸器型號(hào)，選擇高壓功率觸點(diǎn)與低壓控制線圈有物理隔離的接觸器，確保安全。

圖5 優(yōu)化后空調(diào)電路圖

4 該故障預(yù)防對策

電動(dòng)壓縮機(jī)一般在輸入端口都會(huì)設(shè)置濾波電容，因此空調(diào)控制回路設(shè)計(jì)之初就需要全面考慮，目前主流的空調(diào)電路設(shè)計(jì)如圖6所示，空調(diào)回路取消接觸器控制，空調(diào)直接與電池包輸出連接，在車輛上電時(shí)，BMS（電池管理系統(tǒng)）首先閉合預(yù)充接觸器及電池負(fù)極接觸器，對電池包外部用電器進(jìn)行預(yù)充電[3-4]，當(dāng)BMS檢測到電池包外部電路端電壓達(dá)到電池電壓的90%以上時(shí)，再閉合電池包正極接觸器，并斷開預(yù)充接觸器，電動(dòng)壓縮機(jī)輸入端濾波電容在車輛一上電即完成了預(yù)充，壓縮機(jī)帶有低壓使能線及通信模塊（CAN或link），通過使能信號(hào)控制壓縮機(jī)的啟停，空調(diào)控制器通過通信模塊實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)控壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到對壓縮機(jī)的精準(zhǔn)控制。上述壓縮機(jī)電路減少了空調(diào)壓縮機(jī)接觸器，降低成本的同時(shí)避免了壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊電流，壓縮機(jī)增加通信模塊，也可使得空調(diào)控制器更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、啟停等控制，避免壓縮機(jī)的頻繁啟停。

圖6 電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)控制回路

5 結(jié)束語

在汽車行業(yè)中，量產(chǎn)車型市場存量多，出現(xiàn)問題多，且整改極其困難，因此在早期設(shè)計(jì)中，需要做通盤考慮，一個(gè)零部件的細(xì)微變動(dòng)即可能造成相關(guān)部件的重大問題，因此需要進(jìn)行充分的驗(yàn)證，避免類似問題的發(fā)生。

[1] 田磊,趙靜藝.新能源電動(dòng)車的上下電管理[J].科技風(fēng),2020 (29):7-8.

[2] 紐春萍,熊乾村,徐丹,等.大功率直流接觸器在不同介質(zhì)中開斷電弧特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù),2019,45(11):3481- 3486.

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Analysis of Insulation Failure of Compressor Contactor of a New Energy Vehicle

ZHANG Yanxing, JIAO Hongxing

( Hippocampus Automobile Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450000 )

For solving effectively the contactor insulation problem during the use of the compressor of a mass produced electric car, in this paper, the reason for the failure was determined by experiments that the filter capacitor at the input end of the electric air conditioning compressor was not taken into account, which resulted in a large impulse current at the start moment of the air conditioning compressor and the copper plate ablation at the contact point. Based on the standard control circuits of several popular pure electric vehicle compressors, the circuits of mass production models were corrected in accordance with the principle of minimum modification and effective solution to the problem, and the pre-charging control circuit was added to the existing air conditioning circuit. The analysis results of this paper provide effective ideas for the design of air conditioning control loop of other car models to avoid insulation problems caused by large current impact.

Compressor; Contactor; Filter capacitor; Insulation problem

U469.7

A

1671-7988(2022)02-07-04

U469.7

A

1671-7988(2022)02-07-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.002

張延星，男，本科，就職于海馬汽車有限公司。