純電動(dòng)客車(chē)高壓接觸器觸點(diǎn)故障診斷的設(shè)計(jì)方案

羅丙荷， 張福成

(1.江西凱馬百路佳客車(chē)有限公司， 南昌 330013； 2.江西省新能源客車(chē)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(dòng)客車(chē)高壓系統(tǒng)中的電氣元器件，其原理是利用觸點(diǎn)的開(kāi)斷和閉合間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制，具有高度隔離的效果。隨著純電動(dòng)客車(chē)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高壓電氣系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高，高壓接觸器的觸點(diǎn)一旦發(fā)生粘連或者燒蝕斷開(kāi)，將直接導(dǎo)致高壓系統(tǒng)某項(xiàng)功能喪失，影響整車(chē)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(jì)方案。

1 高壓接觸器觸點(diǎn)的失效模式

閉合失效和開(kāi)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(wú)法完成規(guī)定的閉合功能；開(kāi)斷失效即繼電器無(wú)法完成規(guī)定的開(kāi)斷功能[1]。引起這兩種失效的原因多種多樣，對(duì)于常開(kāi)觸點(diǎn)而言，繼電器觸點(diǎn)在閉合和分?jǐn)噙^(guò)程中產(chǎn)生的電弧將會(huì)引起接觸系統(tǒng)性能退化，進(jìn)而導(dǎo)致其閉合和開(kāi)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(guò)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(kāi)斷失效的機(jī)理在于[3]：當(dāng)電弧引起的動(dòng)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(duì)純電動(dòng)客車(chē)高壓系統(tǒng)常用的高壓接觸器，通過(guò)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(shuō)明分?jǐn)鄷r(shí)觸點(diǎn)熔焊力大于觸頭的分離力[4]。通過(guò)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(guò)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(mǎn)，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(guò)大引起的[5]。

2) 卡死。卡死則說(shuō)明動(dòng)、靜觸點(diǎn)以及銜鐵部分可能出現(xiàn)了多余物。通過(guò)拆解觸點(diǎn)卡死的接觸器，發(fā)現(xiàn)可動(dòng)部件中的銜鐵、連桿未見(jiàn)明顯劃痕，只有一個(gè)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(dòng)并通過(guò)連桿帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)會(huì)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(guò)強(qiáng)，電弧經(jīng)常在長(zhǎng)度較小時(shí)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(jì)

隨著純電動(dòng)客車(chē)的大量使用，為了提高充電時(shí)充電樁和車(chē)輛的安全性，國(guó)家出臺(tái)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487-2015，要求“供電設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)均應(yīng)具備供電回路接觸器粘連檢測(cè)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(cè)板作為研究案例，詳細(xì)說(shuō)明純電動(dòng)客車(chē)高壓接觸器粘連故障診斷的設(shè)計(jì)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(cè)量誤差<1%，量程±1 000 V。

百路佳某型號(hào)純電動(dòng)客車(chē)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(gè)高壓系統(tǒng)中，利用HVN99集成式高壓監(jiān)測(cè)板的通道組劃分和測(cè)量特性，將各個(gè)接觸器的觸點(diǎn)進(jìn)行分組，依次接入HVN99的高壓測(cè)量通道，高壓通道配置表見(jiàn)表1。

根據(jù)不同的工況，將接觸器的觸點(diǎn)分為4類(lèi)[9]：電輔助類(lèi)、主回路類(lèi)、充電類(lèi)和電加熱類(lèi)。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(guò)記錄掉電時(shí)間小于某值(如30 s)為技術(shù)手段來(lái)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(shí)間小于30 s不作接觸器粘連判斷。

1) 電輔助類(lèi)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(kāi)且主正和主負(fù)都閉合時(shí)，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(lèi)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(kāi)時(shí)，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(kāi)時(shí)，|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(guò)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(lèi)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(shí)序圖、充電過(guò)程，在充電機(jī)和BMS的“初始化和數(shù)據(jù)交互階段”的T9時(shí)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(chē)載接觸器KM2和KM5(GB/T 18487-2015協(xié)議里定義的K5和K6)斷開(kāi)。利用T9時(shí)段檢測(cè)G2-1(通道4)和G3-1(通道8)的電壓值，當(dāng)這兩者的絕對(duì)值連續(xù)3到4幀數(shù)據(jù)(100 ms一幀)都小于某一閾值時(shí)(如50 V)，對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)粘連。

4) 電加熱類(lèi)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(kāi)時(shí)，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(kāi)時(shí)，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(yǔ)

經(jīng)長(zhǎng)期、大批量的裝車(chē)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)以汽車(chē)電子技術(shù)手段檢測(cè)接觸器觸點(diǎn)兩端電壓，并通過(guò)上述診斷算法來(lái)實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)客車(chē)高壓接觸器的故障診斷，可有效解決純電動(dòng)客車(chē)的高壓安全問(wèn)題。本方案可靠性高、漏檢率和誤檢率低、體積小、成本低。