汽車散熱器風(fēng)扇電機(jī)繼電器觸點(diǎn)粘連問題分析與改進(jìn)

肖兆旭 張廣勇 于恩洋 黃淮

[摘 ? 要]： 某車型試驗(yàn)車在耐久試驗(yàn)過程中發(fā)生汽車散熱器的風(fēng)扇常轉(zhuǎn)無法關(guān)閉問題，經(jīng)檢查為風(fēng)扇繼電器觸點(diǎn)發(fā)生粘連導(dǎo)致風(fēng)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(guān)鍵詞]： 繼電器，觸點(diǎn)，風(fēng)扇，感性負(fù)載，沖擊電流

前言

電子扇為當(dāng)代汽車水冷式散熱器中常用的風(fēng)扇種類，發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)冷卻水溫度，控制風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前市場(chǎng)上常見的風(fēng)扇電機(jī)控制方式有PWM控制和恒定轉(zhuǎn)速控制等。

PWM控制方式通過占空比信號(hào)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，EMS可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施線性調(diào)節(jié)。此控制方式冷卻效果好、節(jié)能，但是相對(duì)成本較高。

恒定轉(zhuǎn)速控制方式通過控制電子扇工作時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)水溫控制，為兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果和節(jié)能效果，汽車電子扇設(shè)計(jì)為低俗和高速兩擋，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較低時(shí)，使用低速風(fēng)扇，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較高或空調(diào)開啟時(shí)，使用高速風(fēng)扇。此控制方式硬件成本較PWM風(fēng)扇更低，被各汽車主機(jī)廠廣泛采用。

1.問題背景

某試驗(yàn)車進(jìn)行綜合耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)散熱器風(fēng)扇常轉(zhuǎn)不停，使用汽車診斷儀檢測(cè)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(fēng)扇形式，在對(duì)風(fēng)扇電源回路檢查過程中發(fā)現(xiàn)搖動(dòng)高速繼電器后風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，重新測(cè)試風(fēng)扇恢復(fù)正常工作。更換繼電器后故障未復(fù)現(xiàn)。因風(fēng)扇繼電器為常開繼電器，只有繼電器線圈通電時(shí)才會(huì)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(nèi)部損壞。

2.原因分析

2.1、繼電器故障分析：

對(duì)故障繼電器進(jìn)行X-Ray檢查發(fā)現(xiàn)繼電器動(dòng)觸點(diǎn)存在燒蝕（圖1），拆解檢查觸點(diǎn)存在嚴(yán)重?zé)g（圖2），對(duì)簧片、銜鐵、漆包線、引腳焊接、漆包線焊接等電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)進(jìn)行檢查無異常，對(duì)觸點(diǎn)材質(zhì)檢查無異常。判斷為過流引起的觸點(diǎn)燒蝕和粘連。

此繼電器連接的風(fēng)扇電機(jī)負(fù)載屬于感性負(fù)載，繼電器觸點(diǎn)負(fù)載最大接通電流150A，最大斷開電流50A。

2.2、負(fù)載電流分析：

高低速風(fēng)扇電機(jī)理論工作電流32A，啟動(dòng)瞬間電流112A，通過對(duì)車輛不同工況下風(fēng)扇啟動(dòng)/關(guān)閉過程中繼電器通斷電流進(jìn)行測(cè)試如下：

工況電流分析：

工況1-4：風(fēng)扇的開閉是經(jīng)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(shí)測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)下啟停高速風(fēng)扇繼電器情況看;接通最大電流114.5A，0.4秒后斷開，還未達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流就斷開，斷開時(shí)電流為87.5A（超過觸點(diǎn)斷開最大承受電流50A），9.1s后又開始上一狀態(tài)的接通斷開循環(huán)（圖3）;高速風(fēng)扇繼電器接通在電流沖擊階段斷開，且斷開后短時(shí)間又開始上一個(gè)接通斷開循環(huán);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(diǎn)受到電弧燒蝕的程度越大，故繼電器提前出現(xiàn)壽命終結(jié)。

理論分析結(jié)論：大的沖擊電流在車輛運(yùn)行中的啟停狀態(tài)下發(fā)生，故障件經(jīng)短時(shí)間（0.4s）接通斷開后頻繁發(fā)生（9.1s），斷開電流超過觸點(diǎn)最大承載斷開電流，觸點(diǎn)在受到電弧燒蝕磨損結(jié)束時(shí)出現(xiàn)觸點(diǎn)粘連。

2.3、臺(tái)架驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)：

驗(yàn)證試驗(yàn)概述：

按照實(shí)測(cè)電流114.5A接通，0.4秒后87.5A斷開;9.1秒后再次循環(huán);對(duì)8只繼電器做模擬試驗(yàn)。

測(cè)試條件：

測(cè)試方法：按IEC 61810-7的4.30（*1）

環(huán)境條件：85℃±0.3℃

激勵(lì)條件：額定電壓（13.5Vd.c.）

負(fù)載條件：NO觸點(diǎn)，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(yàn)至失效為止;

監(jiān)測(cè)方式：持續(xù)監(jiān)測(cè)

失效判據(jù)：試驗(yàn)過程中不允許出線接觸故障，試驗(yàn)過程中觸點(diǎn)電壓降不得超過1V，觸點(diǎn)開路電壓不小于80%的負(fù)載電壓。試驗(yàn)后等效線圈電阻、動(dòng)作電壓、觸點(diǎn)電壓降、釋放電壓、接觸電壓降、絕緣電阻應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

其他要求：試驗(yàn)過程中以第一次發(fā)生失效的循環(huán)次數(shù)作為判定節(jié)點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果：

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

試驗(yàn)結(jié)論：臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，各繼電器均在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)觸點(diǎn)粘連。

3.解決措施

更改EMS軟件標(biāo)定策略，在車輛運(yùn)行48V啟停時(shí)規(guī)避直接開啟高速風(fēng)扇，避免啟停過程中頻繁開關(guān)高速風(fēng)扇產(chǎn)生的電流沖擊。

4. 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

綜上，通過對(duì)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(cè)試以及臺(tái)架復(fù)現(xiàn)，對(duì)汽車散熱器風(fēng)扇繼電器觸點(diǎn)粘連問題進(jìn)行了深入分析。

通過對(duì)該問題的解析與反思可知，繼電器在控制感性負(fù)載過程中，因?yàn)楦行载?fù)載的電流沖擊特性，在電流沖擊過程中負(fù)載斷開時(shí)，存在工作電流大于繼電器觸點(diǎn)斷開電流的情況，大電流導(dǎo)致繼電器動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)之間發(fā)生劇烈拉弧，超出觸點(diǎn)承載能力發(fā)生觸點(diǎn)燒蝕和粘連。感性負(fù)載的控制策略設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意規(guī)避此問題。

參考文獻(xiàn)：

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