汽车电磁继电器寿命试验系统设计

摘 要：设计了汽车电磁继电器寿命试验系统，该系统对触点工作过程的重要时间参数进行监测，可以得到关键时间参数在继电器生命周期内的变化数据，从而活动汽车继电器失效及失效过程中的大量重要数据，为继电器产品的可靠性设计提供参考。

关键词：汽车电磁继电器；寿命；试验系统设计

1 引言

汽车继电器继电器是汽车电路系统尤其是电动汽车电路系统的关键开关元件，其性能、寿命和工作的可靠性直接影响到汽车行驶安全、工作性能和可靠运行。大量试验表明，电寿命决定其整体寿命的长短。本文设计并实现了汽车继电器寿命试验系统。系统硬件包括线圈驱动电路、触点监测电路、信号调理电路、信号采集电路、退化参数计算及传输电路等，为进行汽车电磁继电器的可靠性分析提供了有效的退化数据。系统上位机软件基于Windows平台，采用C#与MATLAB混合编程方法开发人机接口，实时监测并显示寿命试验过程中退化数据的变化规律。

2 系统设计

以某型号汽车继电器为研究对象，设计了汽车电磁继电器寿命试验系统。本文设计的汽车继电器可靠性寿命系统能同时监测16组转换触点每次动作过程的吸合时间、超程时间、弹跳时间等多个退化参数并对其退化规律进行分析，系统结构框图如图1所示。

系统采用集散控制方式由上位机通过主控单元对16组功能相同的信号调理电路、信号采集电路以组成的采集单元进行集中控制和管理，实现对16组继电器转换触点的同步试验和监控。主控单元和退化参数计算单元以高性能ARM单片机和FPGA为核心，各单元之间通过CAN总线进行数据通讯。

系统进行寿命试验之前，由上位机设置试验条件并发送至主控单元。主控单元通过CAN总线将线圈电阻、负载电流、动作频率等试验参数广播至所有的退化参数计算单元。当系统开始对受试继电器进行寿命试验时，线圈驱动电路按所设动作频率和占空比驱动继电器完成循环闭合和断开动作，此时由退化参数计算单元根据动态波形数据计算各参数。在一个循环周期结束后，通过CAN总线将计算结果传送至主控单元，由主控单元统一进行整理并发送至上位机。采用C#与Matlab混合编程方法完成上位机软件编写。试验中止或完成后，上位机软件采用数据预处理、小波变换、回归分析、数据降维等算法对退化参数的变化规律进行分析，从中挖掘有用的信息实现受试触点判别、退化轨迹建模、寿命预测等方法。

3 实验验证

本文利用上述实验系统，对某型号汽车继电器进行寿命实验。配置参数如下：（1）负载电源：额定电压±5%，最大可至100A/24V DC；（2）线圈激励电压：额定电压±1%，电压范围：0～50V DC；（3）监测触点数量：1～16对转换触点；（4）时间参数分辨率：10μs；（5）动作频率：监测参数最快可达3次/秒，不监测时最快可达30次/秒；（6）通断比：1：100～100：1，以1ms步进。

试验完成后，试件生命周期内的被测参数变化情况见图2，图3。图中可见，继电器接近失效时触点接触电阻急剧增大，而超程时间显著降低，这与继电器工作原理及失效分析完全一致。

3.2 结论

采用ARM+FPGA作为核心处理器设计了16路汽车电磁继电器寿命系统，经过实验得到继电器试件的寿命周期中重要参数的变化趋势。实验表明本实验系统能够实现对汽车继电器寿命周期内的参数变化精确记录，可以作为进一步寿命预测和可靠性分析的重要基础数据。