电动车高压继电器粘连失效机理分析及排查思路

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

高压继电器是动力电池输入输出的连接枢纽，通过继电器的开闭来进行输入输出的通断。目前新能源汽车上使用的大多是电磁继电器。其中，预充回路因有预充电阻，可以选择规格较小的10～20 A 继电器，上电时承受电流脉冲；充放电主回路，因通过的电流较大，往往需要选择规格更大的100～500 A 继电器。为了能安全切断高压，一般在正极和负极各布置1 个继电器[1]。

常见的继电器失效模式主要有粘连以及开路。在此摘选继电器失效模式中最常见的继电器粘连进行失效机理分析，并根据实际应用中出现的案例，对电动车高压继电器粘连的排查思路进行了阐述。

1 继电器粘连失效机理

1.1 容性接通粘连失效机理

（1）接通浪涌电流的产生

由于整个动力母线上存在的容性负载，当继电器接通时，会产生接通浪涌电流，尤其是设计不合理的保护策略可能会直接导致继电器受到远超额定电流的冲击。

（2）触点粘接形成

触点在闭合时，触点回跳时所产生的反复拉弧可能在短时间内释放巨大的热量（尤其是受到大电流冲击时），使接触面局部快速加热、软化、熔化，然后迅速冷却、凝固导致触点材料连接一体，进而在分断过程中阻碍触点脱离接触[2]。

1.2 分断粘连失效机理

（1）大电流分断

大电流分断时，触头分断瞬间会产生很大的电弧，使触头瞬间熔融（图1），本应断开的触头重新粘接在一起。如果在回路中并联了二极管，继电器释放时间会加长，导致拉弧时间加长，加剧烧蚀。

（2）长期带载切断

同理，长期带载切断会引起烧蚀累积，导致分断力下降。另外，长期带载切断引起的烧蚀累积会导致腔体中分布很多蒸散物，使绝缘性能下降，电弧很难灭掉。分断时触头熔融也会导致粘接。

1.3 短路粘连失效机理

图1 大电流分断触点形貌

耐受引起的粘接。闭合触点在通过大电流时，由于接触电阻发热使得接触点及附近金属融化而引起粘接（可能性较小）。闭合触点在通过大电流时，触点受到电动斥力使得动触点弹开，产生电弧，使得触点熔融粘接（图2）。

图2 大电流产生电动斥力示意图

1.4 不导通失效机理

（1）早期——异物

早期不导通失效的典型案例是生产工艺污染导致触点部分被异物侵蚀，造成触点接触不良，接触电阻不稳定。当触点材料表面被氧化、受到化学腐蚀或者触点表面受到污染等均会使得继电器的接触电阻过大。当触点吸合时，由于污染形成的表面膜或者异物的存在，会使触点间的接触电阻不稳定，电路可能发生时通时断现象，或者根本不导通，导致继电器失效。

（2）末期——烧蚀

随着使用时间增长，在经历了长期的接通、耐受和分断后，继电器会发生老化，会出现触点表面烧蚀，缺损、凹凸不平等现象，从而导致触点接触不良或不能导通造成失效。

2 继电器粘连失效排查思路

2.1 预充异常

在高压上电过程中，需要通过动力电池和预充回路给车辆的其他具有容性负载部件进行预充电，从而保护高压部件不受损坏[3]。预充异常分为预充时序异常、预充参数设置不合理等现象。预充时，常用逻辑为：先闭合主负继电器，再闭合预充继电器进行预充（或先闭合预充继电器，再闭合主负继电器）。当满足设定的预充阈值时，闭合主正继电器，延时一定时间后断开预充继电器。若时序不对则可能出现无预充的情况。

无预充时，主继电器闭合时整个回路近似短路，会存在很大的冲击电流。当预充不完全时，例如预充时间过短或预充电流过小，则电池电压与母线电压压差过大，此时闭合继电器也会产生较大冲击电流，当超过继电器的耐受电流时，继电器同样会粘连。以上两种故障模式对应为容性接通粘连失效机理。

图3 短路大电流触点形貌

2.2 带载切断导致继电器粘连

继电器分断时一般不带载或者只有小负载，不同规格继电器有所差异，但一般需要控制在20 A 以内。在制定整车控制策略时，需要控制继电器切断时的电流。在正常下电时，需要将整车电流先降下来，然后才能发出继电器断开指令。除非是特级故障，否则应根据车速及电流等情况综合进行判断，尽量避免大电流带载切断。该故障的原理可以参照分断粘连失效。

2.3 高压回路中存在大电流

整车运行时，若某个高压部件存在异常，可能会出现高压回路中产生大电流。当其超过继电器能承受的电流，则会出现粘连，此时可能还会伴随一些衍生故障，例如回路中的熔丝发生熔断现象等。在实际故障处理中，出现过空调短路或者MCU 直通故障，回路中产生大电流，导致继电器粘连，同时伴随着熔断器熔断等现象（图3）。短路造成的继电器粘连，一般表现为触点烧蚀严重，同时腔体内陶瓷表面存在蒸散物及溅射物。该故障的原理可以参照短路粘连失效原理。

2.4 继电器驱动电路功率不足或继电器驱动电路异常通断

若继电器驱动电路功率设计余量过小，则可能会无法维持继电器的闭合状态，出现带载切断；或者会存在继电器弹跳等情况，出现带载断开以及无预充闭合。同样，若驱动电路存在问题，出现异常通断的情况，也会出现带载断开以及无预充闭合的现象。

2.5 继电器本体存在异常

继电器本体有异常也会导致继电器粘连。例如，当继电器结构中存在线束插接部分，或者线圈绕组与线束需要焊接时，在插接或者焊接不到位时，则会出现继电器无法闭合、延时闭合或者弹跳等现象。当出现继电器延时闭合时，相当于回路无预充即闭合继电器，对应的故障模式为容性接通粘连；而出现继电器弹跳时，相当于带载切断加上无预充闭合，其粘连的可能性会更大。

2.6 继电器触点存在异物

当触点存在金属异物时，闭合瞬间可将异物熔化，造成继电器产生粘连。若是非金属异物，则可能会造成继电器闭合后无法接通。当通过电流较小时，触点间被污染所形成的表面膜会使接触电阻不稳定，触点接触不良会造成间歇性通断，在没有预充的情况下会造成继电器粘连。根据项目经验，继电器异物来源有生产环境粉尘，也有在继电器生产环节中产生的一些部件碎屑等。

3 结束语

高压继电器粘连问题是一个系统问题，与整车高压回路、低压回路、控制策略以及继电器本身息息相关。在设计阶段，需要从整车系统层面去考虑，设计符合要求的高压回路，再从系统架构要求分解到继电器选型。其次，针对继电器本体的设计，需要将可能的失效模式做好潜在失效模式与效应分析（FMEA），从设计端进行优化。高压继电器是电动车系统高压的一部分，而电动车系统的高压安全设计又是一个复杂和长期技术积累的过程，需要广大技术人员一同努力推进，使其不断走向成熟。