汽車線束繼電器燒蝕故障分析與研究

嚴(yán) 榮，王亞坤

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804 ；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 案例背景

本次發(fā)生故障的車輛為某合資品牌的某款PHEV車型，該車型正處于PVS（Produktion Versuchs Serie）批量試生產(chǎn)階段，該階段是在零批量0S（批量生產(chǎn)前總演習(xí)，批產(chǎn)的全面驗(yàn)證）前進(jìn)行的試驗(yàn)性生產(chǎn)，是批量投產(chǎn)的預(yù)演練，以檢驗(yàn)原計(jì)劃的批量投產(chǎn)過程是否符合技術(shù)、物流和品質(zhì)的要求，提前發(fā)現(xiàn)問題，并在零批量0S，最遲在批量投產(chǎn)前解決發(fā)現(xiàn)的問題。這個(gè)階段的試驗(yàn)車基本上用作開發(fā)和品質(zhì)方面的試驗(yàn)驗(yàn)證，所搭載的零件以批量模具生產(chǎn)出的零件為主。

此階段，線束的模具工裝等設(shè)備基本上已經(jīng)就位，但是由于線束系統(tǒng)的復(fù)雜性和項(xiàng)目決策的不確定性，線束仍然有一些潛在的更改點(diǎn)，需要持續(xù)關(guān)注，既要滿足決策層對(duì)于裝備變更的要求，又要盡早發(fā)現(xiàn)線束內(nèi)部的設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和改進(jìn)。本文將從PVS階段發(fā)現(xiàn)的一起線束繼電器燒蝕的案例出發(fā)，進(jìn)行詳細(xì)的原因分析和故障排查，希望能對(duì)線束開發(fā)工程師的工作有一些啟發(fā)。

2 故障現(xiàn)象

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)科室的反饋，該車輛經(jīng)C-NCAP 64 km/h ODB碰撞后無明顯異常，經(jīng)過一晚靜置，第2天早上發(fā)現(xiàn)車輛無法KL15（點(diǎn)火開關(guān)轉(zhuǎn)至ON擋）上電，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)線束的繼電器嚴(yán)重?zé)g，如圖1所示。

3 線束狀態(tài)初步檢查

1）首先確認(rèn)燒蝕最嚴(yán)重的部位，位于圖2所示繼電器處，繼電器附近的導(dǎo)線有少量的燒蝕痕跡，遠(yuǎn)端的導(dǎo)線無燒蝕現(xiàn)象。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)線束的繼電器嚴(yán)重?zé)g

圖2 燒蝕的繼電器

2）這些繼電器是發(fā)動(dòng)機(jī)線束的下級(jí)散件，因此繼續(xù)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)線束圖紙，確認(rèn)燒蝕中心為起動(dòng)機(jī)的繼電器，其原理如圖3所示。

圖3 起動(dòng)機(jī)繼電器原理圖

3）檢查此繼電器的上級(jí)熔斷絲，此熔斷絲值為40 A，未發(fā)生熔斷。

4 故障原因初步分析

按照線束的設(shè)計(jì)規(guī)范，熔斷絲是用來保護(hù)導(dǎo)線的，此處的導(dǎo)線線徑為6 mm2，沒有發(fā)生明顯的燒蝕現(xiàn)象，并且熔斷絲也沒有熔斷，證明其持續(xù)的電流并沒有達(dá)到熔斷絲的熔斷電流。

對(duì)此處的熔斷絲和線徑匹配情況進(jìn)行核查，根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，40 A的JCase熔斷絲在高溫情況下（105℃）所匹配的最小線徑為6 mm2，初步檢查此處符合設(shè)計(jì)要求。

檢查此處的繼電器選型，根據(jù)繼電器的零件圖紙得知此繼電器的負(fù)載電流為40 A，再對(duì)熔斷絲的熔斷曲線進(jìn)行檢查，如圖4所示。由圖4可知，在電流為40 A的情況下，此熔斷絲可以長(zhǎng)期工作而不發(fā)生熔斷，而如果電流為50 A時(shí)，則會(huì)在大約40 s時(shí)熔斷。

圖4 熔斷絲的熔斷曲線

由此得知，此處繼電器燒蝕時(shí)的電流應(yīng)該不超過40 A，否則熔斷絲會(huì)熔斷從而斷開回路。根據(jù)燒蝕最嚴(yán)重的位置處于繼電器內(nèi)部，推測(cè)可能是繼電器內(nèi)部有持續(xù)或者間斷的小電流流通，導(dǎo)致繼電器引腳反復(fù)吸合從而過熱，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)繼電器的燒蝕。

繼續(xù)檢查此處的回路設(shè)計(jì)，原理如圖5所示。

圖5 回路設(shè)計(jì)

此處起動(dòng)機(jī)的電源來自于KL15，而控制起動(dòng)機(jī)工作的為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，根據(jù)此處設(shè)計(jì)狀態(tài)可以確認(rèn)，在碰撞完畢，KL15斷開的情況下，此回路不應(yīng)存在有電流的可能性，從目前圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的角度無法找到可能的原因，因此考慮對(duì)線束進(jìn)行進(jìn)一步的拆解分析。

5 線束拆解及分析

將整車主線束從碰撞車上拆下后進(jìn)行拆解分析，并與線束圖紙進(jìn)行對(duì)比核查，發(fā)現(xiàn)另外一處熔斷絲盒內(nèi)出現(xiàn)了導(dǎo)線連線錯(cuò)誤，如圖6所示，其中的1號(hào)熔斷絲的進(jìn)線端和2號(hào)熔斷絲的出線端直接相連了。

圖6 導(dǎo)線連線錯(cuò)誤

2號(hào)熔斷絲所處的回路為KL15，與發(fā)生燒蝕的線路通過線束的壓接點(diǎn)進(jìn)行連接。檢查此處1號(hào)熔斷絲的電源屬性，為KL30（蓄電池常電），即與蓄電池正極直接相連。再次對(duì)此處的原理圖進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 原理圖

對(duì)1號(hào)熔斷絲的回路進(jìn)行深入分析，此回路使用的熔斷絲為5 A，連接到熱管理控制器，所以1號(hào)熔斷絲的回路中應(yīng)該是存在持續(xù)小電流流通的。將其熔斷絲上游直接與2號(hào)熔斷絲的下游相連的話，則電流會(huì)在KL15未上電的情況下，通過線束壓接點(diǎn)流通到發(fā)生燒蝕的起動(dòng)機(jī)回路中。由于2號(hào)熔斷絲的額定電流和1號(hào)熔斷絲一致，所以2號(hào)熔斷絲也未出現(xiàn)熔斷的現(xiàn)象。起動(dòng)機(jī)的繼電器由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器給出的信號(hào)進(jìn)行控制，如果ECU在發(fā)生碰撞后，控制起動(dòng)機(jī)的引腳出現(xiàn)了高低電平之間的變化，則即使在不上電的情況下，此處的繼電器也會(huì)由于存在持續(xù)電流，從而發(fā)生頻繁吸合。繼電器在進(jìn)行頻繁吸合的情況下，因?yàn)橐_處的電阻較大，極易在引腳處引起熱量堆積，進(jìn)而導(dǎo)致過熱燒蝕。

6 原因分析及后續(xù)措施

此線束出現(xiàn)了一例線束實(shí)物與設(shè)計(jì)不符的情況，再結(jié)合之前進(jìn)行燒蝕線束檢查時(shí)所發(fā)現(xiàn)的，發(fā)熱源應(yīng)該來自于繼電器內(nèi)部，我們認(rèn)為此處的線束燒蝕并非由于通常意義上的持續(xù)大電流導(dǎo)致的，而是起動(dòng)機(jī)的繼電器因?yàn)橐_處溫度堆積，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)繼電器和附近線束燒蝕的推斷是符合實(shí)際情況的。因?yàn)榫€束改線或者生產(chǎn)的錯(cuò)誤，這樣的品質(zhì)問題，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)的繼電器在不上電的情況下，也存在持續(xù)電流。在任何情況下，如果ECU的相應(yīng)引腳出現(xiàn)了低電平，則會(huì)導(dǎo)致此處繼電器吸合，而由于起動(dòng)機(jī)本身的額定電流較大，因此回路所選用的線徑和熔斷絲都較大，在有小電流持續(xù)流通時(shí)，只要不發(fā)生短路，電流不超過額定熔斷電流，即使繼電器發(fā)生頻繁吸合，也不會(huì)引發(fā)熔斷絲熔斷。

因此，此燒蝕故障在以下條件均滿足的情況下才會(huì)發(fā)生：首先線束接線出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致此回路存在常電；其次ECU控制起動(dòng)機(jī)繼電器的引腳出現(xiàn)頻繁的高低電平切換。

ECU在碰撞發(fā)生后的內(nèi)部控制邏輯還需進(jìn)一步研究，線束方面后續(xù)已要求線束供應(yīng)商對(duì)提供的樣線進(jìn)行200%的電測(cè)臺(tái)檢驗(yàn)，同時(shí)要求在整車廠的生產(chǎn)線陪伴人員不得對(duì)線束進(jìn)行隨意的修改，截止SOP后續(xù)的試驗(yàn)車輛未再出現(xiàn)此類問題。

7 總結(jié)

1）在遇到線束燒蝕故障時(shí)，通常要先對(duì)導(dǎo)線線徑和熔斷絲的選型進(jìn)行檢查，大多數(shù)的這類問題是由于熔斷絲無法保護(hù)導(dǎo)線所導(dǎo)致的。

2）在遇到熔斷絲選型正確且未熔斷，但是發(fā)生線束燒蝕的情況，可以考慮回路中出現(xiàn)了一個(gè)較大的電阻，導(dǎo)致此處熱量堆積進(jìn)而引發(fā)燒蝕。

3）在進(jìn)行熔斷絲排布設(shè)計(jì)時(shí)，如果條件允許的情況下，盡量將相同電源類型的熔斷絲排布在相近的位置，以避免本案例中出現(xiàn)的改線或者線束生產(chǎn)錯(cuò)誤引發(fā)嚴(yán)重的后果。

4）線束開發(fā)工程師在線束的預(yù)批量生產(chǎn)階段，應(yīng)該對(duì)線束供應(yīng)商的生產(chǎn)線和工裝設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，以保證線束實(shí)物的品質(zhì)。