動力蓄電池繼電器開路失效模式分析

盧晨　覃麗超　葛俊良　姚慧　黃祖朋　練朝春

摘 要：純電動汽車動力蓄電池故障是用戶抱怨的重點之一，而其中由于繼電器問題引起的故障又占據了很大比例。因此，本文選取了電磁繼電器開路故障問題進行研究，從現象描述開始逐步解析其失效的模式、并提出了相應的對策措施。

關鍵詞：動力蓄電池 電磁繼電器 開路 觸點

1 引言

電磁繼電器在電路中起到控制和保護的功能，是典型的基礎元器件之一[1]，目前在純電動汽車的動力蓄電池中幾乎都會用到。隨著純電動汽車保有量逐年增加，繼電器開路失效故障逐漸成為售后維修中的主要案例之一。為了找到產品失效的內在原因，本文對繼電器開路失效進行了深入分析。

2 繼電器設計

2.1 常見繼電器的外形及內部結構組成

（1）繼電器外形

繼電器常見外形有方形和圓形，但外觀功能性區域主要有三個：①高壓連接觸點，常見內螺紋連接和螺柱連接;②線圈驅動端口，常見為連接器接口或直接導線引出;③固定支架點，常見為通孔。

（2）內部結構組成

產品內部布局有塑料外殼、電磁系統、密封系統（包含推桿機構）和塑料蓋組等（圖1）。

2.2 繼電器性能指標

電動汽車繼電器需要根據車輛需求如車輛電壓平臺、車輛設計壽命、車輛使用環境、外部電路環境等來進行選型，繼電器性能指標至少需包含以下內容（表1）：

3 繼電器開路故障現象及排查

3.1 故障現象描述

繼電器開路，常在整車上表現為預充失敗，所有高壓用電器無法獲得電源，車輛無法行駛或者充電;數據上表現為：繼電器閉合指令發出后，電池外部電壓以及同回路上其他高壓用電器的電壓檢測點電壓數據均為0V。

3.2 故障確認排查方法

此類問題確認的方法可按照如下步驟進行：

（1）將動力電池與整車上其他高壓用電器斷開連接后，連接12V低壓電源，通過特定的指令直接控制繼電器閉合，使用萬用表測試電池輸出端電壓，當測得為0V時即可確認電池內部高壓回路存在異常;

（2）將相關繼電器線圈驅動端口與12V連接，使其閉合;用萬用表直接測量繼電器上方兩個高壓連接觸點是否導通。若不導通，則可最終確認為繼電器開路。

4 繼電器開路原因分析

導致繼電器開路的原因較多，主要有以下幾種原因。

4.1 驅動線圈回路異常

驅動線圈是電磁繼電器電磁系統的重要組成結構。它的作用是產生控制磁通，為銜鐵提供原動力。線圈一般由骨架、漆包線、包扎薄膜、引出線等組成。有些繼電器為了減少體積，將漆包線直接繞在鐵芯上，在鐵芯兩端用擋板限位，起到骨架作用[2]。

（1）線圈斷線或未連接到位

繼電器線圈斷線，即使有12V驅動電壓供電，也無法形成電流回路，從而無法驅動繼電器內部動觸點動作，繼電器仍處于斷開狀態。

（2）線圈引出連接器異常

線圈需要通過引出線在繼電器外壓接接插件，而接插件常常會出現壓接不到位、公端針腳歪、母端插孔擴孔等現象，這些均會導致線圈供電不良，最終體現為繼電器無法閉合，從而開路。

4.2 推動機構異常

推動機構是電磁繼電器實現信息傳遞、狀態切換等功能的執行機構，因此，其結構特征及其動作特性將直接反映繼電器的性能指標[3]。

（1）推動機構行程不足

推動機構行程不足，即線圈通電后推桿動作，但無法與定觸點接觸，二者之間存在間隙，實質上仍為斷開狀態。

（2）推桿組卡滯

在繼電器內部推桿組與多個部件存在間隙配合，例如下部推桿與電磁系統之間以及動觸點與密封系統內部陶瓷壁之間。若存在推桿歪斜、動觸點側面存在毛刺、推桿或陶瓷壁表面過于粗糙等異常，都有可能導致推桿無法動作到位，致使動靜觸點無法接觸，引起繼電器開路。

4.3 觸點存在異物

觸點是繼電器完成導通/分斷功能的載體，繼電器的可靠性和電壽命直接與觸點材料的電性能有著緊密聯系。一旦觸點之間存在異物，異物自身的導電性會極大地影響動靜觸點間的接觸電阻。

對實際工作中發現的因內部雜質導致的繼電器開路案例（圖2）進行雜質成分分析，發現雜質成分多與EPE包裝碎屑、屏蔽軸毛刺、塑料殼碎屑成分相似，此類異物也是繼電器產線常用工裝、限位材料，以及繼電器的包裝材料。

5 繼電器開路解決措施

從上述分析來看，電磁繼電器的線圈、推桿和觸點存在異常時均會導致繼電器開路故障的發生，因此需要從生產管控和產線清潔度角度持續改進繼電器線圈的裝配工藝，提高產品的可靠性。

5.1 驅動線圈回路工藝控制

針對電磁繼電器線圈開路失效，措施之一是要加強檢測，通過對線圈電阻進行測量可以發現此故障。對于較為隱蔽的故障，可通過載一定溫度下施加交變應力、長時間高低溫應力等方法來可加速暴露線圈缺陷[2]。措施之二是加強工藝管控，將線圈繞線、引線連接、引線接插件組裝作為關鍵控制點，規范工藝參數，加強操作員工技能培訓和質量意識。

5.2 推動機構工藝控制

推動機構組成部件多，且與其他部件的配合多，設計階段需詳細論證推桿行程，保證其合理性，杜絕行程不夠產生的繼電器開路問題。此外，需要對繼電器內部推桿安裝、動觸點成型以及各組合件間的相對粗糙度進行量化、可操作的工藝管控及質量檢查。

5.3 產線清潔度控制

針對由異物導致的故障問題，繼電器清洗工藝需進一步提高，應從“人、機、料、法、環、測”等方面著手，層層把關，進而降低由異物引起的產品失效。人員方面，需對零部件點焊鏡檢人員、總裝點焊鏡檢人員和產品套罩（壓罩）前鏡檢人員按崗位控制重點進行培訓，人員持證上崗。設備方面，推薦使用超聲波清洗機，并分槽多次清洗[4]，且在繼電器套罩封殼前，采用靜電噴吹裝置，吹去內部靜電吸附的多余物。材料方面，線圈包扎可傳統的生料帶改為聚四氟乙烯薄膜。方法方面，可采用滾光等方法去除機械加工零件的易落毛刺，另外，還需加強多余物控制的檢查力度。環境方面，操作人員進入潔凈室前必須用干凈的清水將手清洗干凈，除操作所需工具和裝配所需輔料外，其它無關物品不得帶入潔凈室。

6 結語

本文對電磁繼電器的開路失效模式進行了分析，制定可行的控制方法，多重并舉，將繼電器開路故障發生的概率最大程度降低，期望可以減少用戶在用車過程中抱怨，提升產品滿意度。

基金項目：廣西創新驅動發展專項資金資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術開發計劃資助項目（2019AD10202）

參考文獻：

[1]佟勝民 繼電器清洗工藝研究[J] 電子元器件與信息技術，2020，4（5）：164-165，170.

[2]王征，賈曉，劉豫東，張義.電磁繼電器線圈開路失效模式的篩選方法研究[J] 質量與可靠性，2013，2.

[3]任萬濱，韋健民，金建炳，羅福彪.電磁繼電器內推桿式觸簧系統動作過程的模擬試驗研究[J] 電器與能效管理技術，2015，20.

[4]文尚暉，程綱，唐宏基，廖家旺.高頻超聲波技術在繼電器清洗中的應用探討[J].機電元件，2020，1.