電動車高壓繼電器粘連失效機(jī)理分析及排查思路

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

高壓繼電器是動力電池輸入輸出的連接樞紐，通過繼電器的開閉來進(jìn)行輸入輸出的通斷。目前新能源汽車上使用的大多是電磁繼電器。其中，預(yù)充回路因有預(yù)充電阻，可以選擇規(guī)格較小的10～20 A 繼電器，上電時承受電流脈沖；充放電主回路，因通過的電流較大，往往需要選擇規(guī)格更大的100～500 A 繼電器。為了能安全切斷高壓，一般在正極和負(fù)極各布置1 個繼電器[1]。

常見的繼電器失效模式主要有粘連以及開路。在此摘選繼電器失效模式中最常見的繼電器粘連進(jìn)行失效機(jī)理分析，并根據(jù)實際應(yīng)用中出現(xiàn)的案例，對電動車高壓繼電器粘連的排查思路進(jìn)行了闡述。

1 繼電器粘連失效機(jī)理

1.1 容性接通粘連失效機(jī)理

（1）接通浪涌電流的產(chǎn)生

由于整個動力母線上存在的容性負(fù)載，當(dāng)繼電器接通時，會產(chǎn)生接通浪涌電流，尤其是設(shè)計不合理的保護(hù)策略可能會直接導(dǎo)致繼電器受到遠(yuǎn)超額定電流的沖擊。

（2）觸點粘接形成

觸點在閉合時，觸點回跳時所產(chǎn)生的反復(fù)拉弧可能在短時間內(nèi)釋放巨大的熱量（尤其是受到大電流沖擊時），使接觸面局部快速加熱、軟化、熔化，然后迅速冷卻、凝固導(dǎo)致觸點材料連接一體，進(jìn)而在分?jǐn)噙^程中阻礙觸點脫離接觸[2]。

1.2 分?jǐn)嗾尺B失效機(jī)理

（1）大電流分?jǐn)?/p>

大電流分?jǐn)鄷r，觸頭分?jǐn)嗨查g會產(chǎn)生很大的電弧，使觸頭瞬間熔融（圖1），本應(yīng)斷開的觸頭重新粘接在一起。如果在回路中并聯(lián)了二極管，繼電器釋放時間會加長，導(dǎo)致拉弧時間加長，加劇燒蝕。

（2）長期帶載切斷

同理，長期帶載切斷會引起燒蝕累積，導(dǎo)致分?jǐn)嗔ο陆?。另外，長期帶載切斷引起的燒蝕累積會導(dǎo)致腔體中分布很多蒸散物，使絕緣性能下降，電弧很難滅掉。分?jǐn)鄷r觸頭熔融也會導(dǎo)致粘接。

1.3 短路粘連失效機(jī)理

圖1 大電流分?jǐn)嘤|點形貌

耐受引起的粘接。閉合觸點在通過大電流時，由于接觸電阻發(fā)熱使得接觸點及附近金屬融化而引起粘接（可能性較?。ｉ]合觸點在通過大電流時，觸點受到電動斥力使得動觸點彈開，產(chǎn)生電弧，使得觸點熔融粘接（圖2）。

圖2 大電流產(chǎn)生電動斥力示意圖

1.4 不導(dǎo)通失效機(jī)理

（1）早期——異物

早期不導(dǎo)通失效的典型案例是生產(chǎn)工藝污染導(dǎo)致觸點部分被異物侵蝕，造成觸點接觸不良，接觸電阻不穩(wěn)定。當(dāng)觸點材料表面被氧化、受到化學(xué)腐蝕或者觸點表面受到污染等均會使得繼電器的接觸電阻過大。當(dāng)觸點吸合時，由于污染形成的表面膜或者異物的存在，會使觸點間的接觸電阻不穩(wěn)定，電路可能發(fā)生時通時斷現(xiàn)象，或者根本不導(dǎo)通，導(dǎo)致繼電器失效。

（2）末期——燒蝕

隨著使用時間增長，在經(jīng)歷了長期的接通、耐受和分?jǐn)嗪?，繼電器會發(fā)生老化，會出現(xiàn)觸點表面燒蝕，缺損、凹凸不平等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致觸點接觸不良或不能導(dǎo)通造成失效。

2 繼電器粘連失效排查思路

2.1 預(yù)充異常

在高壓上電過程中，需要通過動力電池和預(yù)充回路給車輛的其他具有容性負(fù)載部件進(jìn)行預(yù)充電，從而保護(hù)高壓部件不受損壞[3]。預(yù)充異常分為預(yù)充時序異常、預(yù)充參數(shù)設(shè)置不合理等現(xiàn)象。預(yù)充時，常用邏輯為：先閉合主負(fù)繼電器，再閉合預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充（或先閉合預(yù)充繼電器，再閉合主負(fù)繼電器）。當(dāng)滿足設(shè)定的預(yù)充閾值時，閉合主正繼電器，延時一定時間后斷開預(yù)充繼電器。若時序不對則可能出現(xiàn)無預(yù)充的情況。

無預(yù)充時，主繼電器閉合時整個回路近似短路，會存在很大的沖擊電流。當(dāng)預(yù)充不完全時，例如預(yù)充時間過短或預(yù)充電流過小，則電池電壓與母線電壓壓差過大，此時閉合繼電器也會產(chǎn)生較大沖擊電流，當(dāng)超過繼電器的耐受電流時，繼電器同樣會粘連。以上兩種故障模式對應(yīng)為容性接通粘連失效機(jī)理。

圖3 短路大電流觸點形貌

2.2 帶載切斷導(dǎo)致繼電器粘連

繼電器分?jǐn)鄷r一般不帶載或者只有小負(fù)載，不同規(guī)格繼電器有所差異，但一般需要控制在20 A 以內(nèi)。在制定整車控制策略時，需要控制繼電器切斷時的電流。在正常下電時，需要將整車電流先降下來，然后才能發(fā)出繼電器斷開指令。除非是特級故障，否則應(yīng)根據(jù)車速及電流等情況綜合進(jìn)行判斷，盡量避免大電流帶載切斷。該故障的原理可以參照分?jǐn)嗾尺B失效。

2.3 高壓回路中存在大電流

整車運(yùn)行時，若某個高壓部件存在異常，可能會出現(xiàn)高壓回路中產(chǎn)生大電流。當(dāng)其超過繼電器能承受的電流，則會出現(xiàn)粘連，此時可能還會伴隨一些衍生故障，例如回路中的熔絲發(fā)生熔斷現(xiàn)象等。在實際故障處理中，出現(xiàn)過空調(diào)短路或者M(jìn)CU 直通故障，回路中產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致繼電器粘連，同時伴隨著熔斷器熔斷等現(xiàn)象（圖3）。短路造成的繼電器粘連，一般表現(xiàn)為觸點燒蝕嚴(yán)重，同時腔體內(nèi)陶瓷表面存在蒸散物及濺射物。該故障的原理可以參照短路粘連失效原理。

2.4 繼電器驅(qū)動電路功率不足或繼電器驅(qū)動電路異常通斷

若繼電器驅(qū)動電路功率設(shè)計余量過小，則可能會無法維持繼電器的閉合狀態(tài)，出現(xiàn)帶載切斷；或者會存在繼電器彈跳等情況，出現(xiàn)帶載斷開以及無預(yù)充閉合。同樣，若驅(qū)動電路存在問題，出現(xiàn)異常通斷的情況，也會出現(xiàn)帶載斷開以及無預(yù)充閉合的現(xiàn)象。

2.5 繼電器本體存在異常

繼電器本體有異常也會導(dǎo)致繼電器粘連。例如，當(dāng)繼電器結(jié)構(gòu)中存在線束插接部分，或者線圈繞組與線束需要焊接時，在插接或者焊接不到位時，則會出現(xiàn)繼電器無法閉合、延時閉合或者彈跳等現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)繼電器延時閉合時，相當(dāng)于回路無預(yù)充即閉合繼電器，對應(yīng)的故障模式為容性接通粘連；而出現(xiàn)繼電器彈跳時，相當(dāng)于帶載切斷加上無預(yù)充閉合，其粘連的可能性會更大。

2.6 繼電器觸點存在異物

當(dāng)觸點存在金屬異物時，閉合瞬間可將異物熔化，造成繼電器產(chǎn)生粘連。若是非金屬異物，則可能會造成繼電器閉合后無法接通。當(dāng)通過電流較小時，觸點間被污染所形成的表面膜會使接觸電阻不穩(wěn)定，觸點接觸不良會造成間歇性通斷，在沒有預(yù)充的情況下會造成繼電器粘連。根據(jù)項目經(jīng)驗，繼電器異物來源有生產(chǎn)環(huán)境粉塵，也有在繼電器生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的一些部件碎屑等。

3 結(jié)束語

高壓繼電器粘連問題是一個系統(tǒng)問題，與整車高壓回路、低壓回路、控制策略以及繼電器本身息息相關(guān)。在設(shè)計階段，需要從整車系統(tǒng)層面去考慮，設(shè)計符合要求的高壓回路，再從系統(tǒng)架構(gòu)要求分解到繼電器選型。其次，針對繼電器本體的設(shè)計，需要將可能的失效模式做好潛在失效模式與效應(yīng)分析（FMEA），從設(shè)計端進(jìn)行優(yōu)化。高壓繼電器是電動車系統(tǒng)高壓的一部分，而電動車系統(tǒng)的高壓安全設(shè)計又是一個復(fù)雜和長期技術(shù)積累的過程，需要廣大技術(shù)人員一同努力推進(jìn)，使其不斷走向成熟。