电磁式电源总开关故障分析及解决方法

宋国华 仵少阳 安宝选 李宇鹏 樊荣 李锋

摘 要：电磁式电源总开关具备安装方便和可远距离操控通断等优点，应用前景越来越广泛。国家法规明文规定，道路运输危化品车辆必须强制安装电磁式电源总开关。文章介绍了电磁式电源总开关的结构和工作原理，并依据产品的结构和原理分析引起电磁式电源总开关失效的原因，通过一系列的高低温专项试验，给出解决低温不导通的试验分析和解决办法。

关键词：电磁式电源总开关;失效;触点;结冰

中图分类号：U472.42  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）20-89-03

Abstract： The main switch of electromagnetic power supply has the advantages of convenient installation， long-distance operation and on-off， etc.， and it is used more and more widely. Road Transport of explosives and highly toxic chemicals vehicles must be mandatory installation of electromagnetic power master switch. This paper introduces the structure and working principle of the main switch of electromagnetic power supply， analyzes the cause of the failure of the main switch of electromagnetic power supply according to the structure and principle of the product， and through a series of high and low temperature special tests， the test analysis and solution of low temperature non-conduction are given.

Keywords： Electromagnetic power supply master switch; Failure; Contact; Icing

CLC NO.： U472.42  Document Code： A  Article ID：1671-7988（2020）20-89-03

1 电磁式电源总开关的介绍

电磁式电源总开关因其防护等级高IP67、功耗低、过载能力强、安装方便和可远距离操作控制等优点，目前已经广泛应于各类汽车整车。其主要作用是控制汽车整车电源通断，防止汽车在静止状態下蓄电池亏电车辆无法起动;在遇到紧急情况（电气线路短路或电气火灾）下，驾驶员可在驾驶室内对整车电源进行快速切断，以保证汽车整车的安全。国家法规也明文规定，道路运输爆炸品和剧毒化学品车辆必须强制安装电磁式电源总开关，其前景应用非常广泛。

2 电磁式电源总开关的结构及工作原理

本次所介绍的电磁式电源总开关是单稳态结构，产品由基座部件、接触组件、电磁组件（电磁线圈有二组）、弹簧、触桥弹簧、底盖和PCBA控制组件等零件组成，产品防护等级IP67，具体结构如图1。其工作原理是：当电磁开关加上24V电源后，线圈1和线圈2同时工作，产生磁场力推动触桥支架向上运动，触桥触点与两个接线螺栓闭合，开关接通;同时由PCBA控制的线圈1（高功耗）断开，由线圈2（低功耗）继续保持工作;当断开电源后，线圈2的磁场消失，接触组在复位弹簧的反作用力下，推动接触组复位，产品断开，停止工作。

3 电磁式电源总开关目前的应用问题

3.1 统计数据分析

通过对近一年的数据进行分类统计，该产品在每年的冬季故障率数量较多，对故障件区域分布统计发现，在寒区故障数量最多，占比达24%，所以此次我们重点对寒区的失效件进行分析。

3.2 故障复现

通过该地区的故障件进行功能复测，功能正常;打开盖子后，触点表面光亮，无异常，故障未能复现。我们模拟最严酷的使用环境，取故障件10只放入烘箱，设定温度90℃，存放3小时，使温度达到平衡后。将在-20℃下冻结的冰块分别放置在电磁开关的螺栓上，同时将产品放置在-40℃的低温试验箱内存放4h后，给电磁开关线圈施加DC28V电压，检测主触点的通断性能。

测试过程如下：

3.3 测试结果

十只开关在上电过程中均有吸合动作，七只主触点导通正常，三只主触点不导通，打开后盖发现接线螺栓表面有冰晶，如下右图。初步可以判断，造成开关主触点接通不良的原因是触点结冰所导致。

3.4 原因分析

这和车辆在寒区的主要故障模式吻合，均为客户使用过程中，车在常温工况或者非极寒地区，开关功能正常，均可成功点火;而在-20℃以下低温情况下停车时间超过一定时间，则电源开关失效，发动机无法启动。

首先排查蓄电池电压25.8V正常，而电源开关正负极无电流输出，在启动点火开关时能听到开关吸合的声音，但无法导通，经现场拆解电磁式电源开关，发现在静触点上有霜，这是因为车辆停放时间过长，内外温差大，静触点与外部正负极接头为一体，导致电磁开关内部水分在温度骤降情况下在静触点处形成霜。

根据此故障现象可以看出，在寒区区域工作的车辆，正常运转时，电磁线圈发热，电磁开关内腔温度较高;而一旦车辆停放时间较长，由于开关正负极端头温度骤降，会迅速将低温传递到开关的静触点，导致静触点温度骤降。由于电源开关是密封结构，冷热交换，会在静触点形成冷凝水而结冰。虽然电磁开关已闭合，但因动静触点间有冰层，电流不能导通，车辆无法启动。这也是在非寒区区域的车辆电磁电源总开关能够正常使用，而到冬天或寒区区域的车辆失效的症结所在。

根据我们到哈尔滨市场调研的情况和实验故障复现的结果分析如下：车辆处于寒冷环境下，电磁开关在吸合工作的时候，因为电磁线圈会产生一定量的功耗，会发热，而在电磁开关腔体内部本身存在空气，空气中含有水分，因此会产生水蒸气，此时触点表面是不会接冰的;当车辆熄火后，电磁开关会随着外界寒冷环境而冷却，带有导线的端子及接线柱会比电磁开关的其余部位冷却的更快，水蒸气会在触点处冷凝并结冰，冰晶导致动静触点隔离，所以开关有吸合动作却不能接通，当我们用热风枪对接线柱加温后，冰晶融化，触点又可以正常工作了。

4 电磁式电源总开关的解决措施

根据上述失效原因，是由于电磁开关腔体内外温差较大且内外空气无法流通，造成型腔内空气凝华结冰导致开关不能接通。由于现有产品设计是IP67防护等级，产品是全密封结构，不存在内外气体的交换，因此在产品侧面增开了φ4的小孔，与内部相通，并贴上透气不透水的PTFE膜。这个变更更改了开关密闭环境，保持型腔内外部空气迅速流通，避免出现接触面冷凝结冰现象。如图所示。

5 电磁式电源总开关的试验及验证

根据以上改进措施，改制10只样件，同样按照3.2故障复现试验模式，重新进行测试测试结果如下：

通过此次试验验证，此次改进方案有效，有效降低开关在低温环境下触点结冰失效的故障率。

参考文献

[1] 麻友良.汽车电器与电子控制系统[M].北京：机械工业出版社， 2006.