電動車高壓繼電器粘連失效機理分析及排查思路

線束專家

2021年6月23日 17:37

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文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司

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，預充回路因有預充電阻，可以選擇規格較小的 10～20A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，往往需要選擇規格更大的100～500A繼電器。為了能安全切斷高壓，一般在正極和負極各布置1個繼電器。

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行失效機理分析，并根據實際應用中出現的案例，對電動車高壓繼電器粘連的排查思路進行了闡述。

1繼電器粘連失效機理

1.1容性接通粘連失效機理

（ 1）接通浪涌電流的產生

由于整個動力母線上存在的容性負載，當繼電器接通時，會產生接通浪涌電流，尤其是設計不合理的保護策略可能會直接導致繼電器受到遠超額定電流的沖擊。

（ 2）觸點粘接形成

觸點在閉合時，觸點回跳時所產生的反復拉弧可能在短時間內釋放巨大的熱量（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、凝固導致觸點材料連接一體，進而在分斷過程中阻礙觸點脫離接觸。

1.2分斷粘連失效機理

（ 1）大電流分斷

大電流分斷時，觸頭分斷瞬間會產生很大的電弧，使觸頭瞬間熔融（圖 1），本應斷開的觸頭重新粘接在一起。如果在回路中并聯了二極管，繼電器釋放時間會加長，導致拉弧時間加長，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，導致分斷力下降。另外，長期帶載切斷引起的燒蝕累積會導致腔體中分布很多蒸散物，使絕緣性能下降，電弧很難滅掉。分斷時觸頭熔融也會導致粘接。

1.3短路粘連失效機理

耐受引起的粘接。閉合觸點在通過大電流時，由于接觸電阻發熱使得接觸點及附近金屬融化而引起粘接（可能性較小）。閉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，產生電弧，使得觸點熔融粘接（圖 2）。

1.4不導通失效機理

（ 1）早期——異物

早期不導通失效的典型案例是生產工藝污染導致觸點部分被異物侵蝕，造成觸點接觸不良，接觸電阻不穩定。當觸點材料表面被氧化、受到化學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定，電路可能發生時通時斷現象，或者根本不導通，導致繼電器失效。

（ 2）末期——燒蝕

隨著使用時間增長，在經歷了長期的接通、耐受和分斷后，繼電器會發生老化，會出現觸點表面燒蝕，缺損、凹凸不平等現象，從而導致觸點接觸不良或不能導通造成失效。

2繼電器粘連失效排查思路

2.1預充異常

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

無預充時，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。當預充不完全時，例如預充時間過短或預充電流過小，則電池電壓與母線電壓壓差過大，此時閉合繼電器也會產生較大沖擊電流，當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為容性接通粘連失效機理。

2.2帶載切斷導致繼電器粘連

繼電器分斷時一般不帶載或者只有小負載，不同規格繼電器有所差異，但一般需要控制在 20A以內。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，然后才能發出繼電器斷開指令。除非是特級故障，否則應根據車速及電流等情況綜合進行判斷，盡量避免大電流帶載切斷。該故障的原理可以參照分斷粘連失效。

2.3高壓回路中存在大電流

整車運行時，若某個高壓部件存在異常，可能會出現高壓回路中產生大電流。當其超過繼電器能承受的電流，則會出現粘連，此時可能還會伴隨一些衍生故障，例如回路中的熔絲發生熔斷現象等。在實際故障處理中，出現過空調短路或者MCU直通故障，回路中產生大電流，導致繼電器粘連，同時伴隨著熔斷器熔斷等現象（圖3）。短路造成的繼電器粘連，一般表現為觸點燒蝕嚴重，同時腔體內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繼電器驅動電路功率不足或繼電器驅動電路異常通斷

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

2.5繼電器本體存在異常

繼電器本體有異常也會導致繼電器粘連。例如，當繼電器結

構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，則會出現繼電器無法閉合、延時閉合或者彈跳等現象。當出現繼電器延時閉合時，相當于回路無預充即閉合繼電器，對應的故障模式為容性接通粘連；而出現繼電器彈跳時，相當于帶載切斷加上無預充閉合，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定，觸點接觸不良會造成間歇性通斷，在沒有預充的情況下會造成繼電器粘連。根據項目經驗，繼電器異物來源有生產環境粉塵，也有在繼電器生產環節中產生的一些部件碎屑等。

3結束語

高壓繼電器粘連問題是一個系統問題，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。在設計階段，需要從整車系統層面去考慮，設計符合要求的高壓回路，再從系統架構要求分解到繼電器選型。其次，針對繼電器本體的設計，需要將可能的失效模式做好潛在失效模式與效應分析（ FMEA），從設計端進行優化。高壓繼電器是電動車系統高壓的一部分，而電動車系統的高壓安全設計又是一個復雜和長期技術積累的過程，需要廣大技術人員一同努力推進，使其不斷走向成熟。

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