交流充電樁的主要故障類型,并運(yùn)用故障字典法對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)

摘要：

為了檢測(cè)和診斷電動(dòng)汽車交流充電樁可能出現(xiàn)的故障，結(jié)合充電樁內(nèi)電氣元器件的特性，分析了交流充電樁的主要故障類型，通過(guò)提取交流充電樁內(nèi)主回路的相關(guān)電特征量，并運(yùn)用故障字典法對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)。隨后建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬各類故障發(fā)生，驗(yàn)證故障字典法對(duì)于交流充電樁故障檢測(cè)的有效性。結(jié)果表明，故障字典法對(duì)于檢測(cè)交流充電樁內(nèi)可能發(fā)生的典型故障具有很好的診斷能力。

0 引言

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)燃油汽車由于石油消耗大、尾氣排放嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)世界能源與環(huán)境帶來(lái)諸多負(fù)面影響[1]。在這樣的背景下，各國(guó)政府將節(jié)能環(huán)保作為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。電動(dòng)汽車以電能為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程更加環(huán)保，因此受到越來(lái)越多的關(guān)注[2-3]。

充電設(shè)備是為電動(dòng)汽車充電的配套設(shè)施，也是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)[4]。交流充電樁是使用最為廣泛的充電設(shè)備，保證設(shè)備的運(yùn)行安全、及時(shí)預(yù)警及檢測(cè)設(shè)備故障，是十分值得探討的問(wèn)題。

1 交流充電樁故障模式分析

交流充電樁是為具有車載充電機(jī)的電動(dòng)汽車提供人機(jī)交互操作界面及交流充電接口，并具備測(cè)控保護(hù)功能的專用裝置[5]，交流充電樁的主回路由于直接受到電流電壓應(yīng)力的影響，成為交流充電樁內(nèi)故障的高發(fā)地。主回路通常包括斷路器、繼電器、充電接口、電能表以及電纜線等，結(jié)合這些電力元器件以及充電樁充電的具體特性，通常將交流充電樁的電路故障劃分為軟故障和硬故障兩大類[6]。

硬故障是指一些大的變動(dòng)性故障，例如短路、開路、元件損壞等。這些故障可導(dǎo)致整個(gè)電路失效，甚至使原系統(tǒng)被破壞[7]。軟故障通常稱作漸變性故障，主要由于元器件長(zhǎng)期工作老化致使其參數(shù)超出容差范圍所引起。一般情況下，發(fā)生軟故障后系統(tǒng)還可繼續(xù)運(yùn)行，但工作效率受到極大影響，長(zhǎng)此以往將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的故障[8]。

1.1 硬故障模式分析

漏電與短路都是交流充電樁主回路極易發(fā)生的硬故障類型，一旦有漏電或者短路故障發(fā)生，交流充電樁將無(wú)法正常工作。

發(fā)生漏電故障及短路故障時(shí)主回路中電壓電流特征曲線如圖1所示，圖中曲線1為電壓曲線，曲線2為電流曲線。

實(shí)際情況下，由于交流充電樁主回路中存在漏電保護(hù)器以及斷路器，無(wú)論發(fā)生短路故障還是漏電故障，主回路最終的電壓電流均下降至0。不同的是，由于漏電保護(hù)的動(dòng)作電流非常小，通常在幾十毫安以內(nèi)，因此漏電故障發(fā)生時(shí)主回路的電壓電流曲線比較平穩(wěn)，不會(huì)發(fā)生劇變；而短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與短路電流大小密切相關(guān)，短路故障發(fā)生時(shí)主回路的電流會(huì)先急劇增大，之后斷路器動(dòng)作，切斷主回路，此時(shí)主回路的電壓電流都迅速降至0。所以，相比于漏電故障，短路故障在主回路中電流的變化率更大。

1.2 軟故障模式分析

交流充電樁內(nèi)軟故障常見于電磁繼電器這類開關(guān)器件。電磁繼電器在壽命周期內(nèi)將受到熱、振動(dòng)、化學(xué)等多種應(yīng)力的共同影響，其內(nèi)部的各部件會(huì)發(fā)生一定程度的老化，繼電器的性能也會(huì)逐漸退化，直至失效[9]。繼電器觸點(diǎn)的故障率是最高的，觸點(diǎn)故障是導(dǎo)致繼電器失效的最主要原因[10]。常見的觸點(diǎn)接觸失效現(xiàn)象和原因如表1所示。

分析表1，將繼電器觸點(diǎn)接觸故障分為兩類。第一類包含觸點(diǎn)粘接、線圈短路、線圈斷路，其會(huì)使繼電器無(wú)法正常通斷。但是通常這類故障多呈現(xiàn)偶發(fā)性,并隨著老化過(guò)程故障發(fā)生的概率會(huì)逐漸增加，因此仍將這類故障歸為軟故障的范疇，稱這類故障為繼電器直接失效故障。第二類包含接觸不良、觸點(diǎn)抖動(dòng)、靈敏度差，這類故障使得繼電器的通斷性能下降，此稱為間接失效故障[11]。

1.2.1 直接失效分析

繼電器直接失效故障有兩種情況，為開通失效和關(guān)斷失效。當(dāng)繼電器控制信號(hào)與繼電器實(shí)際通斷情況不符，即繼電器無(wú)法正確開斷時(shí)，則其發(fā)生了直接失效故障，這也是判斷繼電器直接失效故障的依據(jù)。

1.2.2 間接失效分析

繼電器間接失效故障通常影響繼電器的開通時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間，將繼電器開通或者關(guān)斷時(shí)間超過(guò)容差范圍視為單次間接失效發(fā)生，為了避免系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的對(duì)于繼電器間接失效故障的誤判，以累計(jì)6次間接失效故障或者連續(xù)兩次間接失效故障作為間接失效故障判據(jù)。

在某型繼電器中隨機(jī)選取10只合格產(chǎn)品并編號(hào)，在額定電流下進(jìn)行繼電器老化實(shí)驗(yàn)，使用350 MHz的示波器觀察繼電器的輸入輸出電壓及流經(jīng)繼電器的電流波形。當(dāng)讀取到的電流電壓波形數(shù)據(jù)符合間接失效故障判據(jù)時(shí)，記錄繼電器吸合、關(guān)斷的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，繼電器在老化過(guò)程中，關(guān)斷時(shí)間會(huì)顯著增加，而吸合時(shí)間則變化不大。以2號(hào)繼電器為例，通過(guò)示波器觀察繼電器老化過(guò)程中的關(guān)斷波形，如圖2所示，并分析繼電器關(guān)斷波形特征。

實(shí)驗(yàn)開始階段，充電波形比較理想，繼電器性能良好。當(dāng)繼電器通斷2萬(wàn)次后，繼電器關(guān)斷波形抖動(dòng)加劇，關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到3萬(wàn)多次時(shí)，繼電器發(fā)生了間接失效，繼電器關(guān)斷波形的抖動(dòng)進(jìn)一步加劇，關(guān)斷時(shí)間也增長(zhǎng)。此后繼續(xù)進(jìn)行老化試驗(yàn)，5 min后繼電器出現(xiàn)直接失效。通常情況下，繼電器隨著開關(guān)次數(shù)的增加，其性能會(huì)不斷劣化，間接失效故障與直接失效故障會(huì)相繼出現(xiàn)。

綜上所述，如果將繼電器狀態(tài)信息、繼電器輸入輸出電壓、流經(jīng)電流以及繼電器動(dòng)作時(shí)間作為故障參數(shù)，通過(guò)比較各特征參數(shù)的變化，可以判斷繼電器發(fā)生何種故障。同時(shí)，由于繼電器的故障屬于漸發(fā)性故障，對(duì)繼電器關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，也可以用于對(duì)繼電器進(jìn)行故障預(yù)警。

2 故障字典

故障字典法是一種基于定性經(jīng)驗(yàn)的故障診斷方法[12]。通過(guò)提取不同故障情況下的電路特征量(例如電壓、電流、幅頻特性等)，并且將提取出來(lái)的數(shù)據(jù)整理成與故障相對(duì)應(yīng)的字典，一旦電路設(shè)備發(fā)生故障，將實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)與故障字典保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而迅速找到出現(xiàn)故障的位置以及相對(duì)應(yīng)的元器件。

建立故障字典首先要確定故障的狀態(tài)集，即明確在交流充電樁中可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)或者故障類型。通過(guò)上節(jié)分析，交流充電樁的常見故障主要包括漏電、短路、過(guò)流、欠壓、繼電器直接失效和繼電器間接失效，如表3所示。

隨后進(jìn)行故障現(xiàn)象集劃分，根據(jù)相關(guān)理論或者實(shí)驗(yàn)明確每種故障現(xiàn)象所包含的所有故障類型。劃分過(guò)程以主回路中繼電器輸入輸出節(jié)點(diǎn)作為測(cè)試節(jié)點(diǎn)并選擇繼電器輸入輸出電壓電流有效值變化量的絕對(duì)值、電路狀態(tài)切換時(shí)間和繼電器狀態(tài)信息作為故障參數(shù)，如表4所示。

表4中off為發(fā)生故障時(shí)繼電器的關(guān)斷時(shí)間，S參量狀態(tài)0/1表示繼電器應(yīng)處于關(guān)斷/開通狀態(tài)。參數(shù)范圍均是在主回路輸入幅值為50 V、頻率為50 Hz的正弦交流信號(hào)，且負(fù)載為10 Ω的大功率電阻的情況下所選取的經(jīng)驗(yàn)值。

最后，將所有故障類型的故障代碼進(jìn)行總結(jié)，形成故障字典，如表5所示。

從表5可以得知，故障字典中不同類型的故障其故障代碼唯一，只要確定故障代碼，就可以確定對(duì)應(yīng)的唯一的故障類型。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證故障字典對(duì)于交流充電樁故障檢測(cè)的有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬交流充電樁主回路的工作狀態(tài)，并使用電流電壓傳感器和單片機(jī)組成數(shù)據(jù)采集模塊分別對(duì)模擬主回路的電流以及繼電器輸入輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,采集的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至上位機(jī)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入有效值為50 V的交流電作為激勵(lì)信號(hào)，并聯(lián)4只40 Ω、500 W的大功率波紋電阻作為負(fù)載。設(shè)置單片機(jī)內(nèi)A/D采樣頻率為5 kHz，則一個(gè)周期內(nèi)單片機(jī)采集100個(gè)數(shù)據(jù)，電壓信號(hào)采樣范圍為交流有效值0~100 V，電流信號(hào)采樣范圍為交流有效值0~10 A。分別在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬漏電故障和繼電器故障。

3.1 漏電故障驗(yàn)證

使用斷路器自帶的漏電測(cè)試開關(guān)對(duì)主回路進(jìn)行漏電故障驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

由表6可以得知所建立的故障字典對(duì)漏電故障具有較好的識(shí)別能力。

3.2 繼電器故障驗(yàn)證

在某型繼電器中重新選取5只良品并編號(hào)，首先對(duì)繼電器進(jìn)行老化試驗(yàn)，當(dāng)繼電器發(fā)生單次間接失效時(shí)，停止老化實(shí)驗(yàn)，使繼電器開通10 min，隨后斷開一次并重復(fù)這一過(guò)程，以此模擬充電樁的實(shí)際充電過(guò)程。連續(xù)用示波器觀測(cè)繼電器關(guān)斷時(shí)間并采集繼電器關(guān)斷時(shí)間，當(dāng)滿足間接失效故障判據(jù)時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)驗(yàn)證間接失效的故障代碼。然后繼續(xù)進(jìn)行繼電器老化試驗(yàn)，直至繼電器出現(xiàn)粘接失效。當(dāng)繼電器出現(xiàn)粘接失效時(shí)，再次進(jìn)行模擬充電實(shí)驗(yàn)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)驗(yàn)證粘接失效的故障代碼。繼電器老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

由表7可以得知，通過(guò)讀取示波器中的相關(guān)特征量，可以正確有效地診斷出繼電器發(fā)生的故障，這證明了建立的故障字典對(duì)于交流充電樁內(nèi)繼電器故障診斷的有效性。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)于交流充電樁的硬故障以及交流充電樁內(nèi)繼電器的直接失效故障具有很好的診斷正確率，但對(duì)于交流充電樁繼電器的間接失效故障存在誤診斷，這是由于無(wú)線傳輸?shù)倪^(guò)程存在高達(dá)幾百毫秒的延時(shí)，且單片機(jī)模塊對(duì)每路傳感器的數(shù)據(jù)采集不連續(xù)造成的。

4 結(jié)論

本文對(duì)交流充電樁內(nèi)主要的故障模式及故障原因進(jìn)行分析，通過(guò)提取相關(guān)電特征量，建立故障字典對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用故障字典，對(duì)交流充電樁內(nèi)的各類軟、硬故障的檢測(cè)可以達(dá)到較高的檢測(cè)正確率，這驗(yàn)證了故障字典法在交流充電樁故障檢測(cè)方面的可行性和有效性，對(duì)于充電樁的實(shí)際故障排查有很大的實(shí)際意義。