一种通过负载状态预估高压继电器老化的算法

王传荣，马明霞

（1.孚能科技股份有限公司，江西 赣州341400；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

1 背景介绍

新能源车辆动力电池包用高压继电器，对于电气安全和动力输出控制至关重要。新能源车辆对于高压继电器提出了以下要求：①蓄电池两极应从车辆电气系统上断开；②继电器在无请求情况下，不得打开；③激励信号切断时，继电器必须打开；④在过流的情况下，如发生碰撞时，熔断丝和继电器必须将动力电池系统与电机安全分离；⑤继电器必须保持完整的功能性，即在熔断丝熔断前，接通或者断开电流；⑥在故障情况下切断后，打开的继电器必须确保储能系统与车辆之间的绝缘电阻。

继电器老化状态直接影响了继电器功能要求。文献[5]介绍了继电器寿命的几种预估方法。目前大部分研究单位，主要基于继电器机械开关次数作为继电器寿命的评估。此方法并没有考虑在继电器闭合状态、带载情况下，电流流过继电器，造成功率损失，提高继电器内部温度，会加速继电器的老化。

基于此，本文提出了基于继电器负载状况统计的算法，来预估继电器寿命或者老化状态。

2 继电器失效机理

文献[5]介绍了电磁继电器失效机理及失效表现，见表1。

表1 不同环境应力条件下电磁继电器的失效机理及其表现

从表1可以看出，在各种环境应力中，温度应力导致的产品失效数占到所有环境应力导致的产品失效数的40%，是所有环境应力中比例最高的，如图1所示。故继电器温度对于继电器失效是个至关重要的因素。

图1 各种环境应力在产品失效中所占比例

随着继电器分断次数的增加，继电器接触内阻逐步增加。当有电流通过时，必然会有功率损耗，损耗会转化为继电器的热量。分断次数与接触电阻的关系如图2所示。

图2 分断次数与接触电阻的关系图

当有电流通过高压继电器时，会产生相应的功率损耗，功率损耗在一定时间内转化为继电器的热负荷，从而加速继电器的老化，成为继电器失效的重要因素。

如果继电器长期工作在高负荷状态，老化严重，可以提醒维修站进行替换维修，确保高压动力电池包的高压安全。

在继电器上加装温度传感器，确实可以统计继电器热负荷的状况。加装温度传感器存在两个问题：一是温度布点十分困难，二是带温度传感继电器成本比较高。基于以上需求，提出根据继电器负载状况统计，评估继电器寿命的算法。

3 继电器负荷统计算法

由于继电器存在接触电阻，还有本身的电阻，电流流过时会变成相应的热量。基于此，提出了基于时间窗口电流负载统计。

时间窗口根据具体所使用的继电器参数来确定，例如某一款继电器的电流耐受参数见表2。

表2 继电器电流耐受参数

根据以上参数，设定5个时 间 窗 口：t=22s，t=26s，t=120s，t=480s，t=600s。平均电流时间窗口如图3所示。

图3 平均电流时间窗口

其中每个窗口的平均电流计算公式如下：

根据继电器的耐受参数表，绘制继电器的电流耐受曲线，如图4所示。

图4 继电器电流耐受曲线

根 据 计 算 出 来 的I，I，I，I，I查询继电器电流耐受曲线，查询出对应电流值最大的持续时间：T，T，T，T，T。根据以上信 息得 出继电器5个时间窗口的电流负载值：

用控制统计，继电器生命周期内继电器的电流负载状态，统计方法如下。

1）Rload≥150%，对于 负载Rload超载计数器——Pcount0加一次。

2）Rload≥100%，对于负载Rload计数器——Pcount1加一次。

3）Rload≥90%且<150%，对于负载Rload计数器——Pcount2加一次。

4）Rload≥90%且<150%，对于负载Rload计数器——Pcount3加一次。

5）Rload≥90%且<150%，对于负载Rload计数器——Pcount4加一次。

6）Rload≥150%，对于负载Rload超载计数器——Pcount0_Overload加一次。

7）Rload≥150%，对于负载Rload超载计数器——Pcount1_Overload加一次。

8）Rload≥150%，对于负载Rload超载计数器——Pcount2_Overload加一次。

9）Rload≥150%，对于负载Rload超载计数器——Pcount3_Overload加一次。

10）Rload≥150%，对于负载Rload超载计数器——Pcount4_Overload加一次。

继电器超载报警设置：当任意超载计数器≥1时，控制器设置故障码，提示驾驶员进入4S店进行继电器检查。

4 小结

本文提供一种统计计算时间窗口内电路负载的算法，以评估动力电池继电器的负载状况，如果存在严重电流超载的状况，会加速继电器内部温度聚集，造成继电器失效，采用该算法，可以有效评估继电器老化状态，提醒用户及时对继电器进行维护及排查。目前此算法已经成功应用于德国一款高端车用BMS，取得了良好的效果。