紅外熱成像檢測技術(shù)在電動(dòng)汽車高壓線束接頭檢測中的應(yīng)用

河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 郭科偉，陳彥龍，董立亮

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，因純電動(dòng)汽車具有零排放、高效和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，使其成為汽車工業(yè)發(fā)展的首要方向。為保證電動(dòng)汽車正常的驅(qū)動(dòng)力，電動(dòng)汽車裝載有保證足夠動(dòng)力性能的高壓電源，動(dòng)力系統(tǒng)具有電壓高、電流大等特點(diǎn)，因此電動(dòng)汽車安全、可靠運(yùn)行離不開高壓電氣系統(tǒng)，高壓電氣系統(tǒng)包括高壓線束和動(dòng)力配電系統(tǒng)。電動(dòng)汽車高壓電氣系統(tǒng)高壓線束接頭或連接件異常發(fā)熱嚴(yán)重影響了車載高壓設(shè)備的安全運(yùn)行，極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。若不能排除存在安全隱患的潛在熱故障點(diǎn)，用電設(shè)備極有可能損壞，甚至危及駕乘人員的生命安全。因此，如何快速、準(zhǔn)確獲得電動(dòng)汽車高壓線束接頭及相關(guān)設(shè)備的溫度信息，對于保證電動(dòng)汽車的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

紅外熱成像檢測技術(shù)是采集不同物體表面紅外能量信號的一種技術(shù)，通過不同能量信號的轉(zhuǎn)換，通過人體肉眼便可以觀察物體的熱量特性。通過紅外熱成像檢測技術(shù)能夠觀察到電動(dòng)汽車高壓線束不同位置的熱量特征，利用紅外成像儀將獲取到的電動(dòng)汽車高壓線束接頭紅外輻射轉(zhuǎn)變成紅外圖像，通過對紅外圖像的分析，可以確定電動(dòng)汽車高壓電氣設(shè)備可能存在的故障，及時(shí)判斷出故障部位，并給出維修建議，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車高壓線束接頭實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，確保電動(dòng)汽車在不拆卸的情況下完成診斷，同時(shí)達(dá)到電動(dòng)汽車故障預(yù)處理的目的，較大程度上保證駕乘人員的安全。

1 傳統(tǒng)檢測技術(shù)與紅外熱成像檢測技術(shù)的比較

電動(dòng)汽車高壓線束接頭檢測技術(shù)大都是接觸式檢測，首先需要測試電動(dòng)汽車高壓線束接頭的電流、電壓或其他參數(shù)，然后由檢測人員根據(jù)電動(dòng)汽車電氣控制原理和故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷分析，從而確定設(shè)備或線束的故障點(diǎn)位置，檢測過程耗費(fèi)周期較長。此外，傳統(tǒng)檢測技術(shù)只能檢測出已出現(xiàn)的故障，難以診斷潛在的故障或預(yù)判電氣故障。隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程、電機(jī)功率和充電電壓越來越大，傳統(tǒng)檢測技術(shù)已很難滿足于日益復(fù)雜的故障檢測，因此研究快速有效的故障診斷方法已經(jīng)成為電動(dòng)汽車故障診斷的迫切需求。

紅外熱成像檢測技術(shù)已在電力、核電等工程領(lǐng)域方面得到成功應(yīng)用，推廣至電動(dòng)汽車領(lǐng)域的故障檢測也將是其重要用途之一。與傳統(tǒng)檢測方法相比，基于紅外熱成像檢測技術(shù)的故障診斷的突出優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)。

（1）無接觸，設(shè)備無須停運(yùn)，檢測無須采樣，電氣設(shè)備無須拆解。

（2）采用被動(dòng)式監(jiān)測，簡單方便。

（3）能滿足整車大范圍快速診斷。

（4）快速成像使得檢測更直接，故障位置顯示更直觀，勞動(dòng)強(qiáng)度小。

（5）紅外熱成像檢測技術(shù)能同時(shí)用于多個(gè)系統(tǒng)的檢測，圖像可用于計(jì)算分析。

2 用紅外熱成像技術(shù)檢測電動(dòng)汽車高壓線束接頭的方法

在應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)檢測電動(dòng)汽車高壓線束前，應(yīng)使汽車處于正常連續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間的工況，以保證電氣系統(tǒng)元件有一定熱量。用紅外熱成像技術(shù)檢測電動(dòng)汽車高壓線束接頭的條件和基本要求見表1所列。具體檢測步驟如下。

表1 電動(dòng)汽車高壓線束接頭紅外熱成像檢測的基本條件

（1）讓電動(dòng)汽車連續(xù)運(yùn)行一定的時(shí)間。

（2）開啟紅外熱成像儀，觀察紅外熱成像儀的時(shí)間和熱成像相關(guān)參數(shù)的設(shè)置情況，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置并校準(zhǔn)內(nèi)部溫差，待圖像穩(wěn)定后根據(jù)使用的情況進(jìn)一步調(diào)焦，使圖像更加清晰后再開始檢測。

（3）對電動(dòng)汽車進(jìn)行檢測時(shí)，首先對整車進(jìn)行整體掃描，確定異常過熱部位，進(jìn)而對異常部位進(jìn)行進(jìn)一步的精確檢測。

（4）對于故障判斷沒有幫助的元器件可以在下一步的掃描過程中去掉或更改拍攝位置，以使對重點(diǎn)部位的分析更加精準(zhǔn)。

3 紅外熱成像技術(shù)檢測缺陷分析判斷方法

實(shí)踐中，紅外熱成像技術(shù)檢測缺陷分析判斷方法可參考電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》（DL/T 664—1999）。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車高壓線束檢測中，可以采用以下方法進(jìn)行缺陷分析。

3.1 表面溫度判斷法

表面溫度判斷法主要用于電動(dòng)汽車高壓線束各類接頭、接線柱、觸頭等。根據(jù)高壓線束接頭表面溫度，參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》（DL/T 664—1999），按照溫度（溫升）超過標(biāo)準(zhǔn)的程度來確定高壓線束接頭缺陷的性質(zhì)及嚴(yán)重性。檢測時(shí)，應(yīng)從不同方位高壓線束接頭進(jìn)行拍攝，找出最熱點(diǎn)溫度或異常部位。

3.2 相對溫差判斷法

相對溫差判斷法是通過計(jì)算2個(gè)檢測點(diǎn)的溫度差值與其中一個(gè)高溫檢測點(diǎn)的百分比對電動(dòng)汽車高壓線束進(jìn)行故障判斷的一種方法。電動(dòng)汽車高壓線束的熱量來自電流，周圍溫度較低，低電流小負(fù)載情況下的檢測溫度較低，電動(dòng)汽車工作過程中，元器件溫度升高值應(yīng)低于規(guī)定極限值。在車輛負(fù)荷增加或周圍溫度升高較大時(shí)便極有可能導(dǎo)致電動(dòng)汽車高壓線束出現(xiàn)故障。相對溫差用下述公式表示：

其中，t1和T1分別為電動(dòng)汽車高壓線束接頭發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度；t2和T2分別為電動(dòng)汽車高壓線束接頭對應(yīng)點(diǎn)或正常情況下發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度；T0為電動(dòng)汽車高壓線束接頭運(yùn)行環(huán)境參照體的溫度。

3.3 圖像特征判斷法

圖像特征判斷法是一種常見的經(jīng)驗(yàn)判斷方法，圖像特征判斷法是根據(jù)同型號電動(dòng)汽車正常運(yùn)行狀態(tài)和異常狀態(tài)的電氣熱圖像的差異來判斷電動(dòng)汽車高壓線束接頭是否異常的一種常見的經(jīng)驗(yàn)判斷方法，是否處于運(yùn)行正常，能發(fā)現(xiàn)一些特殊的電動(dòng)汽車高壓線束接頭缺陷，如快充接觸器發(fā)熱異常等，并可用該方法預(yù)判相關(guān)故障。

3.4 檔案分析法

檔案分析法是指通過對同一電動(dòng)汽車的的歷史檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出其高壓線束接頭的溫度變化規(guī)律，以對異常工況進(jìn)行判別。

4 用紅外熱成像技術(shù)檢測電動(dòng)汽車高壓線束接頭的例證

三相不平衡在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上表現(xiàn)為三相電流或電壓幅值不一致，電機(jī)的溫升和損耗也將隨三相電壓的不平衡度而增大，會導(dǎo)致電動(dòng)汽車運(yùn)行不穩(wěn)定，易造成驅(qū)動(dòng)力不足、加速遲滯等故障，因此電動(dòng)汽車在三相電壓不平衡狀況下運(yùn)行是常見安全隱患，應(yīng)盡快查明原因，避免事故發(fā)生。利用紅外熱像儀在三相電壓不平衡時(shí)拍到的紅外圖像如圖1所示，圖中顏色赤紅的一相即為與另外二相電壓不一致。

圖2所示為電動(dòng)汽車逆變器內(nèi)器件高溫炭化的紅外熱像圖，由圖可知，拍攝到的電動(dòng)汽車逆變器中的最高溫度大于150 ℃，根據(jù)紅外熱譜圖檔案分析，判斷為是由于逆變器電阻元器件炭化造成的局部高溫，這極易造成電動(dòng)汽車偶發(fā)故障，需要關(guān)注并建議維修。

圖1 三相電壓不平衡的紅外熱像圖

圖2 電動(dòng)汽車逆變器內(nèi)器件高溫炭化的紅外熱像圖

紅外熱成像技術(shù)檢測是診斷電動(dòng)汽車高壓線束接頭熱故障有效的方法，是開展電動(dòng)汽車設(shè)備狀態(tài)檢修與安全檢測行之有效的方法。應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)對電動(dòng)汽車高壓線束接通進(jìn)行在線檢測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的缺陷和異常情況，為電動(dòng)汽車檢修提供依據(jù)，確保電動(dòng)汽車在不拆卸的情況下完成診斷，同時(shí)達(dá)到電動(dòng)汽車故障預(yù)處理的目的，能較大程度上保證駕乘人員的安全。