一種通過(guò)負(fù)載狀態(tài)預(yù)估高壓繼電器老化的算法

王傳榮，馬明霞

（1.孚能科技股份有限公司，江西 贛州341400；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

1 背景介紹

新能源車輛動(dòng)力電池包用高壓繼電器，對(duì)于電氣安全和動(dòng)力輸出控制至關(guān)重要。新能源車輛對(duì)于高壓繼電器提出了以下要求：①蓄電池兩極應(yīng)從車輛電氣系統(tǒng)上斷開(kāi)；②繼電器在無(wú)請(qǐng)求情況下，不得打開(kāi)；③激勵(lì)信號(hào)切斷時(shí)，繼電器必須打開(kāi)；④在過(guò)流的情況下，如發(fā)生碰撞時(shí)，熔斷絲和繼電器必須將動(dòng)力電池系統(tǒng)與電機(jī)安全分離；⑤繼電器必須保持完整的功能性，即在熔斷絲熔斷前，接通或者斷開(kāi)電流；⑥在故障情況下切斷后，打開(kāi)的繼電器必須確保儲(chǔ)能系統(tǒng)與車輛之間的絕緣電阻。

繼電器老化狀態(tài)直接影響了繼電器功能要求。文獻(xiàn)[5]介紹了繼電器壽命的幾種預(yù)估方法。目前大部分研究單位，主要基于繼電器機(jī)械開(kāi)關(guān)次數(shù)作為繼電器壽命的評(píng)估。此方法并沒(méi)有考慮在繼電器閉合狀態(tài)、帶載情況下，電流流過(guò)繼電器，造成功率損失，提高繼電器內(nèi)部溫度，會(huì)加速繼電器的老化。

基于此，本文提出了基于繼電器負(fù)載狀況統(tǒng)計(jì)的算法，來(lái)預(yù)估繼電器壽命或者老化狀態(tài)。

2 繼電器失效機(jī)理

文獻(xiàn)[5]介紹了電磁繼電器失效機(jī)理及失效表現(xiàn)，見(jiàn)表1。

表1 不同環(huán)境應(yīng)力條件下電磁繼電器的失效機(jī)理及其表現(xiàn)

從表1可以看出，在各種環(huán)境應(yīng)力中，溫度應(yīng)力導(dǎo)致的產(chǎn)品失效數(shù)占到所有環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的產(chǎn)品失效數(shù)的40%，是所有環(huán)境應(yīng)力中比例最高的，如圖1所示。故繼電器溫度對(duì)于繼電器失效是個(gè)至關(guān)重要的因素。

圖1 各種環(huán)境應(yīng)力在產(chǎn)品失效中所占比例

隨著繼電器分?jǐn)啻螖?shù)的增加，繼電器接觸內(nèi)阻逐步增加。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，必然會(huì)有功率損耗，損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為繼電器的熱量。分?jǐn)啻螖?shù)與接觸電阻的關(guān)系如圖2所示。

圖2 分?jǐn)啻螖?shù)與接觸電阻的關(guān)系圖

當(dāng)有電流通過(guò)高壓繼電器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功率損耗，功率損耗在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為繼電器的熱負(fù)荷，從而加速繼電器的老化，成為繼電器失效的重要因素。

如果繼電器長(zhǎng)期工作在高負(fù)荷狀態(tài)，老化嚴(yán)重，可以提醒維修站進(jìn)行替換維修，確保高壓動(dòng)力電池包的高壓安全。

在繼電器上加裝溫度傳感器，確實(shí)可以統(tǒng)計(jì)繼電器熱負(fù)荷的狀況。加裝溫度傳感器存在兩個(gè)問(wèn)題：一是溫度布點(diǎn)十分困難，二是帶溫度傳感繼電器成本比較高。基于以上需求，提出根據(jù)繼電器負(fù)載狀況統(tǒng)計(jì)，評(píng)估繼電器壽命的算法。

3 繼電器負(fù)荷統(tǒng)計(jì)算法

由于繼電器存在接觸電阻，還有本身的電阻，電流流過(guò)時(shí)會(huì)變成相應(yīng)的熱量?；诖?，提出了基于時(shí)間窗口電流負(fù)載統(tǒng)計(jì)。

時(shí)間窗口根據(jù)具體所使用的繼電器參數(shù)來(lái)確定，例如某一款繼電器的電流耐受參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 繼電器電流耐受參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)，設(shè)定5個(gè)時(shí) 間 窗 口：t=22s，t=26s，t=120s，t=480s，t=600s。平均電流時(shí)間窗口如圖3所示。

圖3 平均電流時(shí)間窗口

其中每個(gè)窗口的平均電流計(jì)算公式如下：

根據(jù)繼電器的耐受參數(shù)表，繪制繼電器的電流耐受曲線，如圖4所示。

圖4 繼電器電流耐受曲線

根 據(jù) 計(jì) 算 出 來(lái) 的I，I，I，I，I查詢繼電器電流耐受曲線，查詢出對(duì)應(yīng)電流值最大的持續(xù)時(shí)間：T，T，T，T，T。根據(jù)以上信 息得 出繼電器5個(gè)時(shí)間窗口的電流負(fù)載值：

用控制統(tǒng)計(jì)，繼電器生命周期內(nèi)繼電器的電流負(fù)載狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)方法如下。

1）Rload≥150%，對(duì)于 負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount0加一次。

2）Rload≥100%，對(duì)于負(fù)載Rload計(jì)數(shù)器——Pcount1加一次。

3）Rload≥90%且<150%，對(duì)于負(fù)載Rload計(jì)數(shù)器——Pcount2加一次。

4）Rload≥90%且<150%，對(duì)于負(fù)載Rload計(jì)數(shù)器——Pcount3加一次。

5）Rload≥90%且<150%，對(duì)于負(fù)載Rload計(jì)數(shù)器——Pcount4加一次。

6）Rload≥150%，對(duì)于負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount0_Overload加一次。

7）Rload≥150%，對(duì)于負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount1_Overload加一次。

8）Rload≥150%，對(duì)于負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount2_Overload加一次。

9）Rload≥150%，對(duì)于負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount3_Overload加一次。

10）Rload≥150%，對(duì)于負(fù)載Rload超載計(jì)數(shù)器——Pcount4_Overload加一次。

繼電器超載報(bào)警設(shè)置：當(dāng)任意超載計(jì)數(shù)器≥1時(shí)，控制器設(shè)置故障碼，提示駕駛員進(jìn)入4S店進(jìn)行繼電器檢查。

4 小結(jié)

本文提供一種統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)間窗口內(nèi)電路負(fù)載的算法，以評(píng)估動(dòng)力電池繼電器的負(fù)載狀況，如果存在嚴(yán)重電流超載的狀況，會(huì)加速繼電器內(nèi)部溫度聚集，造成繼電器失效，采用該算法，可以有效評(píng)估繼電器老化狀態(tài)，提醒用戶及時(shí)對(duì)繼電器進(jìn)行維護(hù)及排查。目前此算法已經(jīng)成功應(yīng)用于德國(guó)一款高端車用BMS，取得了良好的效果。