纯电动客车高压接触器触点故障诊断的设计方案

罗丙荷， 张福成

(1.江西凯马百路佳客车有限公司， 南昌 330013； 2.江西省新能源客车工程技术研究中心， 南昌 330013)

高压接触器是一种被广泛使用在纯电动客车高压系统中的电气元器件，其原理是利用触点的开断和闭合间接实现对电路的控制，具有高度隔离的效果。随着纯电动客车技术的迅猛发展，对高压电气系统的可靠性要求越来越高，高压接触器的触点一旦发生粘连或者烧蚀断开，将直接导致高压系统某项功能丧失，影响整车的正常使用，甚至造成安全事故。本文讲述了高压接触器触点的失效模式，并给出其诊断设计方案。

1 高压接触器触点的失效模式

闭合失效和开断失效是接触器触点失效的主要模式。闭合失效即继电器无法完成规定的闭合功能；开断失效即继电器无法完成规定的开断功能[1]。引起这两种失效的原因多种多样，对于常开触点而言，继电器触点在闭合和分断过程中产生的电弧将会引起接触系统性能退化，进而导致其闭合和开断失效的发生。

引发触点发生闭合失效的机理在于[2]：触点接触电阻变大。接触电阻变大主要由以下原因所致：在燃弧过程中触点材料损失导致的接触压力变小；在电弧高温作用下发生化学反应生成绝缘氧化物、碳化物颗粒；在触点表面聚集生成污染膜等导致膜电阻变大。

引发触点发生开断失效的机理在于[3]：当电弧引起的动熔焊产生的熔焊力大于触头的分离力；由于燃弧导致材料转移和损失，使得触点表面形成凸起和凹坑，使得触点间隙变小，绝缘性能变差，发生击穿或者间隙堵塞。

针对纯电动客车高压系统常用的高压接触器，通过拆解大量的不良产品发现，主要的失效模式有3种：

1) 粘连。触点粘连是高压接触器的最主要失效模式，粘连失效说明分断时触点熔焊力大于触头的分离力[4]。通过观察拆解触点粘连的高压接触器，发现接触器的电磁系统性能并未下降太多，基本排除因电磁吸力过小而导致粘连的因素。另外，发现接触器的触头烧蚀严重，灭弧室基本被触头喷溅出的金属颗粒填满，灭弧罩变形严重。因此，可以判断出粘连是由触头烧蚀导致熔焊力过大引起的[5]。

2) 卡死。卡死则说明动、静触点以及衔铁部分可能出现了多余物。通过拆解触点卡死的接触器，发现可动部件中的衔铁、连杆未见明显划痕，只有一个静触点表面出现明显尖峰，约有2～3 mm，当衔铁略微转动并通过连杆带动动触点发生偏转时，动触点会与静触点上的尖峰接触，从而阻碍衔铁继续闭合，出现卡死现象[6]。出现这种现象的原因主要是磁感应强度过强，电弧经常在长度较小时即被快速熄灭，触点烧蚀物堆积在触点靠近中心位置处，逐渐形成尖峰。

3) 耐压下降[7]。耐压值降低主要是由电弧将触头烧蚀所致。例如，喷溅使得触头材料金属液滴溅落在燃弧室内，材料转移使得触头表面凸凹不平、间隙变小等。

2 故障诊断方案设计

随着纯电动客车的大量使用，为了提高充电时充电桩和车辆的安全性，国家出台法规标准GB/T 18487-2015，要求“供电设备和电动汽车均应具备供电回路接触器粘连检测和告警功能”[8]。本文选用某公司生产的STID-HVN99集成式高压监测板作为研究案例，详细说明纯电动客车高压接触器粘连故障诊断的设计要点。

该总成具备4组11路正负量程的组间隔离高压输入通道和1路隔离的电压/绝缘高压输入通道；11路高压隔离通道分为4组，分别为G1组3路，G2组4路，G3组2路和G4组2路。每路电压测量误差<1%，量程±1 000 V。

百路佳某型号纯电动客车的高压系统结构如图1所示。

图1 高压系统结构图

在整个高压系统中，利用HVN99集成式高压监测板的通道组划分和测量特性，将各个接触器的触点进行分组，依次接入HVN99的高压测量通道，高压通道配置表见表1。

根据不同的工况，将接触器的触点分为4类[9]：电辅助类、主回路类、充电类和电加热类。在VCU或BMS的主控软件控制策略中，采用连续3到4帧及以上帧数(100 ms周期)电压数据参与判断，或使用连续3到4帧及以上帧数电压数据加权值参与判断。并通过记录掉电时间小于某值(如30 s)为技术手段来判断是否频繁上下电[10]，因为预充电阻的发热和电机控制器前端X电容未放电完全，因此下电-上电间隔时间小于30 s不作接触器粘连判断。

1) 电辅助类触点包括电空调KM4、电除霜KM6和电暖风KM7。其粘连判断逻辑为：当KMx(KMx表示KM4或KM6或KM7)断开且主正和主负都闭合时，如|当前触点电压|<判断阈值A(如取20 V、30 V)，则KMx触点粘连；频繁上下电工况不作判定[11-12]。

表1 高压通道配置表

2) 主回路类的触点包括主正KM1、预充KM9、主负KM10。其判断逻辑为：当KM10闭合、KM1和KM9断开时，如|当前触点电压|<判断阈值H(如取20 V、30 V)，则KM1(主正)粘连；频繁上下电工况，不做判定。当KM10、KM1和KM9断开时，|当前触点电压|<判断阈值N(如取20 V、30 V)，则KM10(主负)粘连；频繁上下电工况，不做判定。正常上电过程中，KM1和KM10的电压数据如图2和图3所示。

图2 通道5电压数据(KM1)

图3 通道11电压数据(KM10)

3) 充电类触点包括充电正KM2和充电负KM5。结合GB/T 18487-2015[8]中定义的直流充电系统结构、时序图、充电过程，在充电机和BMS的“初始化和数据交互阶段”的T9时段里，充电机的输出接触器(GB/T 18487-2015协议里定义的K1和K2)闭合,而车载接触器KM2和KM5(GB/T 18487-2015协议里定义的K5和K6)断开。利用T9时段检测G2-1(通道4)和G3-1(通道8)的电压值，当这两者的绝对值连续3到4帧数据(100 ms一帧)都小于某一阈值时(如50 V)，对应触点粘连。

4) 电加热类触点包括电池加热正KM8和电池加热负KM11。其判断逻辑为：当KM8闭合，KM11断开时，如|当前触点(通道9)电压|<判断阈值C(如取20 V、30 V)，则KM11粘连；当KM11闭合，KM8断开时，如|当前触点(通道6)电压|<判断阈值C(如取20 V、30 V)，则KM8粘连。

3 结束语

经长期、大批量的装车验证，发现以汽车电子技术手段检测接触器触点两端电压，并通过上述诊断算法来实现纯电动客车高压接触器的故障诊断，可有效解决纯电动客车的高压安全问题。本方案可靠性高、漏检率和误检率低、体积小、成本低。