文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174743
中文引用格式： 金勇，梁立新，劉廷章，等. 基于故障字典法的交流充電樁故障檢測[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(6)：56-59，67.
英文引用格式： Jin Yong，Liang Lixin，Liu Tingzhang，et al. Fault detection of AC charging piles based on fault dictionary method[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：56-59，67.
0 引言
現(xiàn)如今，傳統(tǒng)燃油汽車由于石油消耗大、尾氣排放嚴重等問題，對世界能源與環(huán)境帶來諸多負面影響[1]。在這樣的背景下，各國政府將節(jié)能環(huán)保作為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。電動汽車以電能為動力，用電機驅(qū)動，運行過程更加環(huán)保，因此受到越來越多的關(guān)注[2-3]。
充電設(shè)備是為電動汽車充電的配套設(shè)施，也是電動汽車產(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)備的運行安全、及時預警及檢測設(shè)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(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(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)運行，但工作效率受到極大影響，長此以往將導致系統(tǒng)出現(xiàn)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(fā)生的硬故障類型，一旦有漏電或者短路故障發(fā)生，交流充電樁將無法正常工作。
發(fā)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(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，由于漏電保護的動作電流非常小，通常在幾十毫安以內(nèi)，因此漏電故障發(fā)生時主回路的電壓電流曲線比較平穩(wěn)，不會發(fā)生劇變；而短路保護動作時間與短路電流大小密切相關(guān)，短路故障發(fā)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(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、化學等多種應(yīng)力的共同影響，其內(nèi)部的各部件會發(fā)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(xiàn)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(xiàn)偶發(fā)性,并隨著老化過程故障發(fā)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(guān)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(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間或關(guān)斷時間，將繼電器開通或者關(guān)斷時間超過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(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選取10只合格產(chǎn)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(jīng)繼電器的電流波形。當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，記錄繼電器吸合、關(guān)斷的時間。實驗結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出，繼電器在老化過程中，關(guān)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(guān)斷波形，如圖2所示，并分析繼電器關(guān)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(guān)斷波形抖動加劇，關(guān)斷時間變長。當實驗進行到3萬多次時，繼電器發(fā)生了間接失效，繼電器關(guān)斷波形的抖動進一步加劇，關(guān)斷時間也增長。此后繼續(xù)進行老化試驗，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，其性能會不斷劣化，間接失效故障與直接失效故障會相繼出現(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)電流以及繼電器動作時間作為故障參數(shù)，通過比較各特征參數(shù)的變化，可以判斷繼電器發(fā)生何種故障。同時，由于繼電器的故障屬于漸發(fā)性故障，對繼電器關(guān)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(jīng)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(shù)據(jù)整理成與故障相對應(yīng)的字典，一旦電路設(shè)備發(fā)生故障，將實際測得的數(shù)據(jù)與故障字典保存的數(shù)據(jù)進行比對，從而迅速找到出現(xiàn)故障的位置以及相對應(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。通過上節(jié)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(xiàn)象集劃分，根據(jù)相關(guān)理論或者實驗明確每種故障現(xiàn)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(jié)點作為測試節(jié)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(tài)切換時間和繼電器狀態(tài)信息作為故障參數(shù)，如表4所示。
表4中
分別表示故障發(fā)生前后繼電器輸入、輸出電壓和流經(jīng)繼電器電流有效值之差的絕對值，toff為發(fā)生故障時繼電器的關(guān)斷時間，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，且負載為10 Ω的大功率電阻的情況下所選取的經(jīng)驗值。
最后，將所有故障類型的故障代碼進行總結(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，就可以確定對應(yīng)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(shè)計實驗平臺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組成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(lián)4只40 Ω、500 W的大功率波紋電阻作為負載。設(shè)置單片機內(nèi)A/D采樣頻率為5 kHz，則一個周期內(nèi)單片機采集100個數(shù)據(jù)，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(guān)對主回路進行漏電故障驗證。實驗數(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(fā)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(xù)用示波器觀測繼電器關(guān)斷時間并采集繼電器關(guān)斷時間，當滿足間接失效故障判據(jù)時，通過遠程監(jiān)控平臺驗證間接失效的故障代碼。然后繼續(xù)進行繼電器老化試驗，直至繼電器出現(xiàn)粘接失效。當繼電器出現(xiàn)粘接失效時，再次進行模擬充電實驗，通過遠程監(jiān)控平臺驗證粘接失效的故障代碼。繼電器老化實驗數(shù)據(jù)如表7所示。
由表7可以得知，通過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于交流充電樁內(nèi)繼電器故障診斷的有效性。在實驗平臺所采集的數(shù)據(jù)對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?shù)倪^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(shù)據(jù)采集不連續(xù)造成的。
4 結(jié)論
本文對交流充電樁內(nèi)主要的故障模式及故障原因進行分析，通過提取相關(guān)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(nèi)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。
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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(shù)重點實驗室，上海200072）