汽車散熱器風扇電機繼電器觸點粘連問題分析與改進

肖兆旭 張廣勇 于恩洋 黃淮

[摘 ? 要]： 某車型試驗車在耐久試驗過程中發生汽車散熱器的風扇常轉無法關閉問題，經檢查為風扇繼電器觸點發生粘連導致風扇電源無法斷開。本文目的為梳理問題的原因及歸檔解決方案。

[關鍵詞]： 繼電器，觸點，風扇，感性負載，沖擊電流

前言

電子扇為當代汽車水冷式散熱器中常用的風扇種類，發動機控制模塊（EMS）通過安裝在散熱器水管或散熱器上的溫度傳感器檢測冷卻水溫度，控制風扇電機運轉。目前市場上常見的風扇電機控制方式有PWM控制和恒定轉速控制等。

PWM控制方式通過占空比信號實現風扇轉速控制，EMS可根據發動機水溫對風扇電機轉速實施線性調節。此控制方式冷卻效果好、節能，但是相對成本較高。

恒定轉速控制方式通過控制電子扇工作時長實現水溫控制，為兼顧發動機冷卻效果和節能效果，汽車電子扇設計為低俗和高速兩擋，發動機水溫較低時，使用低速風扇，發動機水溫較高或空調開啟時，使用高速風扇。此控制方式硬件成本較PWM風扇更低，被各汽車主機廠廣泛采用。

1.問題背景

某試驗車進行綜合耐久試驗，試驗過程中發現散熱器風扇常轉不停，使用汽車診斷儀檢測無故障碼反饋，初步判斷為物理故障。此車型使用繼電器控制高低速風扇形式，在對風扇電源回路檢查過程中發現搖動高速繼電器后風扇停止運轉，重新測試風扇恢復正常工作。更換繼電器后故障未復現。因風扇繼電器為常開繼電器，只有繼電器線圈通電時才會工作，可以排除繼電器與線束端子接觸不良問題，故障直接原因判斷為繼電器內部損壞。

2.原因分析

2.1、繼電器故障分析：

對故障繼電器進行X-Ray檢查發現繼電器動觸點存在燒蝕（圖1），拆解檢查觸點存在嚴重燒蝕（圖2），對簧片、銜鐵、漆包線、引腳焊接、漆包線焊接等電氣參數和機械參數進行檢查無異常，對觸點材質檢查無異常。判斷為過流引起的觸點燒蝕和粘連。

此繼電器連接的風扇電機負載屬于感性負載，繼電器觸點負載最大接通電流150A，最大斷開電流50A。

2.2、負載電流分析：

高低速風扇電機理論工作電流32A，啟動瞬間電流112A，通過對車輛不同工況下風扇啟動/關閉過程中繼電器通斷電流進行測試如下：

工況電流分析：

工況1-4：風扇的開閉是經過低速再到高速，其接通電流為55-59A，斷開電流在27-33.5A，均符合繼電器最大接通電流150A，最大斷開電流50A的要求。

工況5：從實測車輛運行狀態下啟停高速風扇繼電器情況看;接通最大電流114.5A，0.4秒后斷開，還未達到穩態電流就斷開，斷開時電流為87.5A（超過觸點斷開最大承受電流50A），9.1s后又開始上一狀態的接通斷開循環（圖3）;高速風扇繼電器接通在電流沖擊階段斷開，且斷開后短時間又開始上一個接通斷開循環;頻繁接通斷開且斷開電流87.5A超過繼電器最大承受的斷開電流50A，斷開的電流越大，觸點受到電弧燒蝕的程度越大，故繼電器提前出現壽命終結。

理論分析結論：大的沖擊電流在車輛運行中的啟停狀態下發生，故障件經短時間（0.4s）接通斷開后頻繁發生（9.1s），斷開電流超過觸點最大承載斷開電流，觸點在受到電弧燒蝕磨損結束時出現觸點粘連。

2.3、臺架驗證復現：

驗證試驗概述：

按照實測電流114.5A接通，0.4秒后87.5A斷開;9.1秒后再次循環;對8只繼電器做模擬試驗。

測試條件：

測試方法：按IEC 61810-7的4.30（*1）

環境條件：85℃±0.3℃

激勵條件：額定電壓（13.5Vd.c.）

負載條件：NO觸點，電壓13.5Vd.c.，接通沖擊電流約為114.5A，斷開電流約為87.5A，通斷比約為0.4s接通，9.1s斷開，試驗至失效為止;

監測方式：持續監測

失效判據：試驗過程中不允許出線接觸故障，試驗過程中觸點電壓降不得超過1V，觸點開路電壓不小于80%的負載電壓。試驗后等效線圈電阻、動作電壓、觸點電壓降、釋放電壓、接觸電壓降、絕緣電阻應符合標準要求。

其他要求：試驗過程中以第一次發生失效的循環次數作為判定節點

測試結果：

8只繼電器分別在11870、12037、12291、12599、6004、7438、8375、8416次出現粘連。

試驗結論：臺架驗證試驗結果穩定復現，各繼電器均在試驗過程中出現觸點粘連。

3.解決措施

更改EMS軟件標定策略，在車輛運行48V啟停時規避直接開啟高速風扇，避免啟停過程中頻繁開關高速風扇產生的電流沖擊。

4. 經驗總結

綜上，通過對故障繼電器拆解分析、車輛不同工況下繼電器通斷電流的測試以及臺架復現，對汽車散熱器風扇繼電器觸點粘連問題進行了深入分析。

通過對該問題的解析與反思可知，繼電器在控制感性負載過程中，因為感性負載的電流沖擊特性，在電流沖擊過程中負載斷開時，存在工作電流大于繼電器觸點斷開電流的情況，大電流導致繼電器動觸點與靜觸點之間發生劇烈拉弧，超出觸點承載能力發生觸點燒蝕和粘連。感性負載的控制策略設計過程中應注意規避此問題。

參考文獻：

[1] IEC 61810-7-2006（E）：Electromechanical Elementary Relays - Part 7： Test And Measurement Procedures