【摘" 要】在新能源電動(dòng)汽車的應(yīng)用過(guò)程中，普遍存在直流電含有高次諧波電流的現(xiàn)象，會(huì)影響電動(dòng)汽車直流用電器的實(shí)際溫升。為更全面評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車直流用電器的安全性能，文章設(shè)計(jì)一種溫升測(cè)試系統(tǒng)。在電流值等效相同的情況下，對(duì)電動(dòng)汽車用直流接觸器進(jìn)行兩種工況（恒直流疊加高次諧波電流和恒直流）下溫升對(duì)比試驗(yàn)，證明高次諧波電流會(huì)加劇其溫升，且對(duì)最高溫升部位（正極觸點(diǎn)）影響更顯著。

【關(guān)鍵詞】高次諧波電流;直流接觸器;溫升測(cè)試

中圖分類號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）06-0005-03

Study on the Influence of Higher Harmonic Current on Temperature Rise of

DC Contactor for Electric Vehicles

XU Xigen，ZHOU Shaozhe，LU Hongyu，XIANG Lin，ZHANG Lixi，ZHANG Yan

（Zhejiang Fangyuan Electric Equipment Test Co.，Ltd.，Jiaxing 314001，China）

【Abstract】In the application process of new energy electric vehicles，there is a common phenomenon of high harmonic currents in direct current，which can affect the actual temperature rise of DC electrical appliances in electric vehicles. In order to comprehensively evaluate the safety performance of DC electrical appliances in electric vehicles，this article designs a temperature rise testing system. Under the condition of equivalent current values，temperature rise comparison tests are conducted on DC contactors used in electric vehicles under two working conditions（constant DC superimposed with high harmonic current and constant DC），proving that high harmonic current will exacerbate its temperature rise and have a more significant impact on the highest temperature rise position（positive contact）.

【Key words】higher harmonic currents;DC contactors;temperature rise test

作者簡(jiǎn)介

徐喜根（1987—），男，工程師，主要從事電器電磁兼容檢測(cè)工作。

電動(dòng)汽車在快速充電過(guò)程中，由于直流充電樁在內(nèi)部整流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生紋波，其輸出直流電流中會(huì)有疊加高次諧波電流的現(xiàn)象。這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車直流充電樁輸入的AC 380V市電經(jīng)三相整流輸出的直流電（電壓為DC537V）存在紋波，隨著二級(jí)Boost升壓將輸出電壓提升至DC750V或更高的充電電壓，紋波也會(huì)被放大[1]。隨著充電樁的快充技術(shù)發(fā)展，輸出功率和輸出電壓不斷提升，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。由于高次諧波電流的頻率極高，會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)（電流趨向電動(dòng)汽車用電器的導(dǎo)體部件表面?zhèn)魉停l率越高，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重[2-4]，用電器表面溫度會(huì)異常升高。溫升過(guò)高會(huì)加速用電器各部件老化，縮短其使用壽命，甚至引起電路短路以及火災(zāi)等安全事故。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有合適的恒直流疊加高次諧波的電源發(fā)生裝置，無(wú)法進(jìn)行此特殊工況的溫升測(cè)試[5]。因此，本文設(shè)計(jì)一種恒直流疊加高次諧波電流的溫升測(cè)試系統(tǒng)，消除直流源和交流源并聯(lián)之后的相互影響，可以更全面地評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車直流用電器的安全性能，對(duì)促進(jìn)中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1" 溫升測(cè)試系統(tǒng)

圖1為本文設(shè)計(jì)的溫升測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機(jī)、電流發(fā)生裝置、錄波儀、交直流電流探頭、數(shù)據(jù)采集儀、測(cè)溫?zé)犭娕嫉炔糠纸M成。上位機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，通過(guò)上位機(jī)可調(diào)節(jié)電流發(fā)生裝置輸出總電流值及高次諧波電流的頻率值;設(shè)定錄波儀的測(cè)量范圍和采樣率，實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)電路的電壓、電流值，存儲(chǔ)并分析試驗(yàn)全過(guò)程波形圖;采用熱電偶測(cè)量環(huán)境試驗(yàn)箱中試品關(guān)鍵部位的溫度值，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并上傳，繪制動(dòng)態(tài)圖直觀體現(xiàn)溫升情況。

2" 電流發(fā)生裝置

此溫升測(cè)試系統(tǒng)的核心是恒直流疊加高次諧波的電源發(fā)生裝置。裝置技術(shù)難點(diǎn)為：既要防止直流源因高次諧波電流通過(guò)而損壞，又要隔斷直流電進(jìn)入交流電源，保護(hù)交流諧波電源。電流發(fā)生裝置電路原理圖如圖2所示。

1）直流回路部分包括可調(diào)低壓直流電源、直流電抗器。通過(guò)直流電源、直流電抗器回路實(shí)現(xiàn)直流電流的恒定輸出，其中直流電抗器可有效降低直流電路中的交流分量。

2）交流回路部分包括高頻可調(diào)交流電源、隔離變壓器、電容器。通過(guò)高頻交流電源回路實(shí)現(xiàn)高頻交流電流輸出，通過(guò)隔離變壓器、電容器實(shí)現(xiàn)直流電源與高頻交流電源的隔離，其中電容器可以通交流阻直流，限制交流電路中的直流分量。

交流回路與直流回路并聯(lián)，在試品回路中實(shí)現(xiàn)直流電流與高頻交流諧波電流的疊加。

3" 測(cè)試與分析

對(duì)新能源汽車用直流接觸器進(jìn)行溫升測(cè)試，采用專用銅排和相應(yīng)導(dǎo)線將該試品接入系統(tǒng)的試驗(yàn)回路，線圈兩端施加DC 24V額定控制電壓，讓接觸器吸合。為模擬電動(dòng)汽車實(shí)際使用的嚴(yán)酷環(huán)境溫度，將試品置于高低溫試驗(yàn)箱中，設(shè)定溫度為+85℃并至穩(wěn)定[6-7]。

對(duì)試品進(jìn)行恒直流疊加高次諧波電流工況下的電器溫升測(cè)試。首先，設(shè)定直流電源的輸出電流值、高頻交流電源輸出頻率和電流值;其次，上位機(jī)控制錄波儀和交直流電流探頭監(jiān)測(cè)直流接觸器主電路的電流波形，再微調(diào)交直流電源;最終，疊加后的電流能滿足試驗(yàn)需求。本試品恒定直流電為DC 200.7A，疊加的諧波電流波形如圖3所示，頻率20kHz、有效值為31.8A（峰值約為45A）。疊加后的測(cè)試電流波形如圖4所示，Imax為245.7A，Imin為155.7A，紋波頻率為20kHz。

試驗(yàn)過(guò)程中保持電流輸出穩(wěn)定，利用J型熱電偶對(duì)正極觸點(diǎn)、負(fù)極觸點(diǎn)、線圈外殼和安裝盒4個(gè)關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集儀每1s記錄溫度，通電總時(shí)間為1.2h。由圖5可見(jiàn)，在環(huán)境溫度為+85℃下，試品1.2h內(nèi)4個(gè)被檢測(cè)部位的溫升結(jié)果為：正極觸點(diǎn)75.1K、負(fù)極觸點(diǎn)73.0K、線圈外殼43.9K、安裝盒16.3K。本次測(cè)試結(jié)束，取出試品，待試品冷卻至室溫。

進(jìn)一步比較恒直流疊加高次諧波電流工況和恒直流工況下電器溫升的差異，使用同一試品在+85℃的環(huán)境條件下，在DC 200.7A恒定電流的基礎(chǔ)上，再增加與高次諧波電流有效值相同的直流電（DC 31.8A），對(duì)試品再次進(jìn)行通恒直流電工況下的電器溫升測(cè)試。在試品閉合狀態(tài)下，調(diào)節(jié)主電路直流電源的輸出電流為232.5A，關(guān)閉交流電源（交流諧波電流值為0）。DC 232.5A工況下直流接觸器的溫度曲線如圖6所示，試品1.2h內(nèi)4個(gè)被檢測(cè)部位的溫升結(jié)果為：正極觸點(diǎn)58.9K、負(fù)極觸點(diǎn)57.4K、線圈外殼36.3K、安裝盒13.1K。

對(duì)比可得，兩次試驗(yàn)電流值等效相同，溫升情況卻有明顯差異。與僅通直流電的測(cè)試工況相比，直流接觸器在恒直流疊加高次諧波電流工況下，4個(gè)關(guān)鍵部位溫度均更明顯升高，其最高溫升部位（正極觸點(diǎn)）高出16.2K。因?yàn)橹绷麟娛窃谥绷鹘佑|器的導(dǎo)電部件內(nèi)均勻分布和穩(wěn)定流動(dòng)，而高頻交流電存在集膚效應(yīng)，高次諧波電流主要集中在表面流通，根據(jù)電阻定律，這促使導(dǎo)體有效截面減小，有效電阻增大，整體損耗增加，關(guān)鍵部位表面溫升增高。通常正極觸點(diǎn)電流密度更集中，其溫升略高于負(fù)極及其他區(qū)域，且更易受電流變化影響。

4" 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了恒直流疊加高次諧波電流的溫升測(cè)試系統(tǒng)，在極端環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車用直流接觸器進(jìn)行溫升測(cè)試。通過(guò)兩種工況的對(duì)比試驗(yàn)，證明高次諧波電流會(huì)加劇電動(dòng)汽車用直流接觸器的溫升，且對(duì)最高溫升部位（正極觸點(diǎn)）有更顯著影響。因此，對(duì)于電動(dòng)汽車用直流電器溫升試驗(yàn)，有必要考慮高次諧波電流的實(shí)際影響。此外，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究諧波電流對(duì)新能源領(lǐng)域電氣設(shè)備的安全性能及電能品質(zhì)影響，如光伏匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能電池等。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-30