0 引言

    現如今，傳統燃油汽車由于石油消耗大、尾氣排放嚴重等問題，對世界能源與環境帶來諸多負面影響^[1]。在這樣的背景下，各國政府將節能環保作為汽車工業發展的重要方向。電動汽車以電能為動力，用電機驅動，運行過程更加環保，因此受到越來越多的關注^[2-3]。

    充電設備是為電動汽車充電的配套設施，也是電動汽車產業鏈上的重要一環^[4]。交流充電樁是使用最為廣泛的充電設備，保證設備的運行安全、及時預警及檢測設備故障，是十分值得探討的問題。

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的電動汽車提供人機交互操作界面及交流充電接口，并具備測控保護功能的專用裝置^[5]，交流充電樁的主回路由于直接受到電流電壓應力的影響，成為交流充電樁內故障的高發地。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性故障，例如短路、開路、元件損壞等。這些故障可導致整個電路失效，甚至使原系統被破壞^[7]。軟故障通常稱作漸變性故障，主要由于元器件長期工作老化致使其參數超出容差范圍所引起。一般情況下，發生軟故障后系統還可繼續運行，但工作效率受到極大影響，長此以往將導致系統出現更為嚴重的故障^[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生的硬故障類型，一旦有漏電或者短路故障發生，交流充電樁將無法正常工作。

    發生漏電故障及短路故障時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。

    實際情況下，由于交流充電樁主回路中存在漏電保護器以及斷路器，無論發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，由于漏電保護的動作電流非常小，通常在幾十毫安以內，因此漏電故障發生時主回路的電壓電流曲線比較平穩，不會發生劇變；而短路保護動作時間與短路電流大小密切相關，短路故障發生時主回路的電流會先急劇增大，之后斷路器動作，切斷主回路，此時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

    交流充電樁內軟故障常見于電磁繼電器這類開關器件。電磁繼電器在壽命周期內將受到熱、振動、化學等多種應力的共同影響，其內部的各部件會發生一定程度的老化，繼電器的性能也會逐漸退化，直至失效^[9]。繼電器觸點的故障率是最高的，觸點故障是導致繼電器失效的最主要原因^[10]。常見的觸點接觸失效現象和原因如表1所示。

    分析表1，將繼電器觸點接觸故障分為兩類。第一類包含觸點粘接、線圈短路、線圈斷路，其會使繼電器無法正常通斷。但是通常這類故障多呈現偶發性,并隨著老化過程故障發生的概率會逐漸增加，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、觸點抖動、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，為開通失效和關斷失效。當繼電器控制信號與繼電器實際通斷情況不符，即繼電器無法正確開斷時，則其發生了直接失效故障，這也是判斷繼電器直接失效故障的依據。

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間或關斷時間，將繼電器開通或者關斷時間超過容差范圍視為單次間接失效發生，為了避免系統不穩定造成的對于繼電器間接失效故障的誤判，以累計6次間接失效故障或者連續兩次間接失效故障作為間接失效故障判據。

    在某型繼電器中隨機選取10只合格產品并編號，在額定電流下進行繼電器老化實驗，使用350 MHz的示波器觀察繼電器的輸入輸出電壓及流經繼電器的電流波形。當讀取到的電流電壓波形數據符合間接失效故障判據時，記錄繼電器吸合、關斷的時間。實驗結果如表2所示。

    由表2可以看出，繼電器在老化過程中，關斷時間會顯著增加，而吸合時間則變化不大。以2號繼電器為例，通過示波器觀察繼電器老化過程中的關斷波形，如圖2所示，并分析繼電器關斷波形特征。

    實驗開始階段，充電波形比較理想，繼電器性能良好。當繼電器通斷2萬次后，繼電器關斷波形抖動加劇，關斷時間變長。當實驗進行到3萬多次時，繼電器發生了間接失效，繼電器關斷波形的抖動進一步加劇，關斷時間也增長。此后繼續進行老化試驗，5 min后繼電器出現直接失效。通常情況下，繼電器隨著開關次數的增加，其性能會不斷劣化，間接失效故障與直接失效故障會相繼出現。

    綜上所述，如果將繼電器狀態信息、繼電器輸入輸出電壓、流經電流以及繼電器動作時間作為故障參數，通過比較各特征參數的變化，可以判斷繼電器發生何種故障。同時，由于繼電器的故障屬于漸發性故障，對繼電器關斷時間進行檢測，也可以用于對繼電器進行故障預警。

2 故障字典

    故障字典法是一種基于定性經驗的故障診斷方法^[12]。通過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)，并且將提取出來的數據整理成與故障相對應的字典，一旦電路設備發生故障，將實際測得的數據與故障字典保存的數據進行比對，從而迅速找到出現故障的位置以及相對應的元器件。

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

    隨后進行故障現象集劃分，根據相關理論或者實驗明確每種故障現象所包含的所有故障類型。劃分過程以主回路中繼電器輸入輸出節點作為測試節點并選擇繼電器輸入輸出電壓電流有效值變化量的絕對值、電路狀態切換時間和繼電器狀態信息作為故障參數，如表4所示。

    表4中分別表示故障發生前后繼電器輸入、輸出電壓和流經繼電器電流有效值之差的絕對值，t_off為發生故障時繼電器的關斷時間，S參量狀態0/1表示繼電器應處于關斷/開通狀態。參數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，且負載為10 Ω的大功率電阻的情況下所選取的經驗值。

    最后，將所有故障類型的故障代碼進行總結，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，就可以確定對應的唯一的故障類型。

3 實驗驗證

    為驗證故障字典對于交流充電樁故障檢測的有效性，設計實驗平臺模擬交流充電樁主回路的工作狀態，并使用電流電壓傳感器和單片機組成數據采集模塊分別對模擬主回路的電流以及繼電器輸入輸出電壓進行實時采集,采集的數據無線傳輸至上位機。

    實驗時輸入有效值為50 V的交流電作為激勵信號，并聯4只40 Ω、500 W的大功率波紋電阻作為負載。設置單片機內A/D采樣頻率為5 kHz，則一個周期內單片機采集100個數據，電壓信號采樣范圍為交流有效值0~100 V，電流信號采樣范圍為交流有效值0~10 A。分別在實驗平臺模擬漏電故障和繼電器故障。

3.1 漏電故障驗證

    使用斷路器自帶的漏電測試開關對主回路進行漏電故障驗證。實驗數據如表6所示。 

    由表6可以得知所建立的故障字典對漏電故障具有較好的識別能力。 

3.2 繼電器故障驗證

    在某型繼電器中重新選取5只良品并編號，首先對繼電器進行老化試驗，當繼電器發生單次間接失效時，停止老化實驗，使繼電器開通10 min，隨后斷開一次并重復這一過程，以此模擬充電樁的實際充電過程。連續用示波器觀測繼電器關斷時間并采集繼電器關斷時間，當滿足間接失效故障判據時，通過遠程監控平臺驗證間接失效的故障代碼。然后繼續進行繼電器老化試驗，直至繼電器出現粘接失效。當繼電器出現粘接失效時，再次進行模擬充電實驗，通過遠程監控平臺驗證粘接失效的故障代碼。繼電器老化實驗數據如表7所示。

    由表7可以得知，通過讀取示波器中的相關特征量，可以正確有效地診斷出繼電器發生的故障，這證明了建立的故障字典對于交流充電樁內繼電器故障診斷的有效性。在實驗平臺所采集的數據對于交流充電樁的硬故障以及交流充電樁內繼電器的直接失效故障具有很好的診斷正確率，但對于交流充電樁繼電器的間接失效故障存在誤診斷，這是由于無線傳輸的過程存在高達幾百毫秒的延時，且單片機模塊對每路傳感器的數據采集不連續造成的。

4 結論

    本文對交流充電樁內主要的故障模式及故障原因進行分析，通過提取相關電特征量，建立故障字典對故障進行檢測。實驗證明，運用故障字典，對交流充電樁內的各類軟、硬故障的檢測可以達到較高的檢測正確率，這驗證了故障字典法在交流充電樁故障檢測方面的可行性和有效性，對于充電樁的實際故障排查有很大的實際意義。

參考文獻

[1] 孫曉明.電動汽車充電電價時段劃分方法及有序充電策略研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[2] 宋旭東，徐智，鄭丹.V2G模式下電動汽車平抑負荷波動的優化策略[J].陜西電力，2012，40(9)：24-27.

[3] 韓海英，和敬涵，王小君，等.基于改進粒子群算法的電動車參與負荷平抑策略[J].電網技術，2011，35(10)：165-169.

[4] 魯莽，周小兵，張維.國內外電動汽車充電設施發展狀況研究[J].華中電力，2010，23(5)：16-20.

[5] 魏國，商慧杰，朱春波，等.電動汽車交流充電樁系統設計[J].現代電子技術，2012，35(21)：124-126.

[6] 曾希雯.基于故障字典的電路故障診斷研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[7] 敖永才.容差條件下模擬電路軟故障診斷方法研究[D].成都：電子科技大學，2014.

[8] 龍英.開關電流電路測試與故障診斷方法研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[9] 王淑娟，余瓊，翟國富.電磁繼電器接觸失效機理判別方法[J].電工技術學報，2010，25(8)：38-44.

[10] 馬躍.航天繼電器失效機理與壽命預測方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[11] 王稚惠.密封電磁繼電器的可靠性及觸點粘結失效分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[12] 掌孝政.故障字典法在模擬電路中的應用[D].成都：電子科技大學，2013.

作者信息:

金  勇1，梁立新1，劉廷章2，邢  琛2

（1.上海國際汽車城（集團）有限公司，上海201805；2.上海大學 上海市電站自動化技術重點實驗室，上海200072）