車用閃光繼電器電壽命試驗方法與裝置研究

孫曙光，杜太行，潘從榮，劉建強，龐毅

(河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130)

車用閃光繼電器電壽命試驗方法與裝置研究

孫曙光，杜太行，潘從榮，劉建強，龐毅

(河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130)

根據(jù)國家標準規(guī)定，要求對車用閃光繼電器進行電壽命試驗，確定閃光繼電器電壽命試驗過程中待監(jiān)測的性能參數(shù)，提出相應的試驗方案，并設計電壽命試驗設備，該設備利用模擬負載來替代原有的信號燈負載。電壽命試驗結果表明:試驗設備可以準確檢測出閃光頻率、通電率、起動時間和觸點電壓等關鍵參數(shù);模擬負載的設計解決試驗過程中信號燈負載產(chǎn)生的光污染，優(yōu)化閃光繼電器電壽命試驗環(huán)境，提高設備可靠性與通用性;同時，對單個試品在正常負載與故障負載時各個性能參數(shù)的變化趨勢進行分析，為后續(xù)進一步進行產(chǎn)品的電壽命評估打下基礎。

車用閃光繼電器;電壽命試驗;模擬負載;性能參數(shù)

0 引言

車用閃光繼電器是關系到車輛行車安全的重要電子器件，主要用于車輛的轉彎指示、報警指示以及故障顯示等。對閃光繼電器進行電壽命試驗是其可靠性試驗的重要組成部分，也是獲取產(chǎn)品的電壽命性能指標及評價產(chǎn)品可靠性高低的重要手段［1－7］。目前國內外現(xiàn)有的車用閃光繼電器電壽命試驗裝置設備的種類、數(shù)量都較少;并且現(xiàn)有的閃光繼電器電壽命試驗設備大多存在著操作復雜、制作成本高、功能單一和測量數(shù)據(jù)存在較大偏差等問題。同時現(xiàn)有設備的電壽命試驗過程中選用燈泡負載，閃光繼電器連續(xù)動作，燈泡連續(xù)閃爍，產(chǎn)生了光污染，不利于試驗的操作進行。

為解決以上問題，同時提高試驗設備本身的可靠性，本文在分析國家標準規(guī)定要求的基礎上，設計相應的電壽命試驗方案，并研制計算機控制與檢測的閃光繼電器電壽命試驗設備，為了避免試驗過程中的光污染，和實現(xiàn)設備的通用性，在深入研究車燈負載特性的基礎上，設計不同電壓、電流規(guī)格的電阻－電容模擬負載，同時利用本設備對JQ501E閃光繼電器進行電壽命試驗，分析在正常與故障負載下相關試驗參數(shù)的變化趨勢，以期為進一步進行車用閃光繼電器的電壽命評估打下基礎。

1 車用閃光繼電器電壽命試驗方法

就所有的電磁式繼電器而言，觸頭是用于接通和分斷電路的最關鍵執(zhí)行部件。因此，觸頭能否正常工作，將會直接影響整個繼電器的性能。閃光繼電器是一款性能參數(shù)與時間相關的繼電器，并且時間參數(shù)也會隨著負載狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。為了盡可能地反映閃光繼電器電壽命特征信息，結合國標QC/T501—1999《汽車信號閃光器技術條件》要求［8］，選擇了閃光繼電器電壽命試驗待檢測的性能參數(shù)，其中主要有閃光頻率、通電率、起動時間和觸點電壓。

系統(tǒng)測量性能參數(shù)中，閃光頻率、通電率和起動時間是閃光繼電器的時間參數(shù);電壓降直接反映了閃光繼電器的接觸電阻，是閃光繼電器的電氣參數(shù)。通過分析閃光繼電器輸出電壓的理想波形如圖1所示。

圖1 閃光繼電器輸出電壓的理想波形

閃光頻率:在正常負載下的閃光繼電器動作頻率，單位為次/min。

通電率:是指閃光繼電器在動作時，觸頭的閉合時間占整個周期的百分比。

起動時間:是指閃光繼電器自接通電源至觸頭第一次閉合或者是觸頭第一次斷開的時間。

觸點電壓:觸頭的接觸電阻所承擔的電壓，即觸點電壓。其中觸點電壓包括了觸點電壓降和開路電壓。

在汽車中閃光繼電器的負載由前后兩個主指示燈和側向指示燈組成。在閃光繼電器負載功率符合設計規(guī)定，閃光器在額定功率范圍內有關性能應符合表1規(guī)定，閃光繼電器動作時的觸點電壓的規(guī)定見表2要求。

其中閃光器對主指示燈故障指示如下:

若出現(xiàn)一只主指示燈損毀時，閃光器的動作或者光顯示就會產(chǎn)生如下其中之一的變化:1)閃光頻率增高;其閃光頻率至少高于原來閃光頻率的75%，但不高于140次/min;2)閃光頻率下降;其閃光頻率至少應低于原來閃光頻率的50%，但不低于50次/min。

表1 閃光繼電器基本技術參數(shù)表

表2 閃光繼電器觸點電壓降要求

對于待測的時間參數(shù):閃光頻率、通電率和起動時間，采用計數(shù)法對其進行測量。

在圖2中假定T是待測信號時間間隔，TA是系統(tǒng)采樣周期，N是計數(shù)器的計數(shù)，Δt1是從信號的上升沿開始與出現(xiàn)第1個采樣點之間的時間，Δt2是從信號的下降沿結束之前出現(xiàn)最后一個采樣點之間的時間?？傻?

因此采樣點計數(shù)的最大誤差為ΔNmax=1，同時最大相對誤差為

因為采樣頻率為500 Hz，閃光器的閃光周期大約為0.5～1 s，所以最大相對誤差0.4%左右。

圖2 計數(shù)法測量波形圖

2 閃光繼電器電壽命試驗設備設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

該試驗檢測系統(tǒng)的原理如圖3所示。PCL－720與固態(tài)繼電器控制試驗回路的通斷;選用CHV－25P電壓傳感器和CHB－25NP電流傳感器進行電壓、電流的檢測。

圖3 試驗系統(tǒng)原理圖

2.1.1 主電路設計

試驗主回路提供了閃光繼電器電壽命試驗中的負載模塊、電源和控制開關等，使閃光繼電器可以在不同試驗條件、狀態(tài)下進行電壽命試驗。如圖4所示。

圖4 試驗主回路電路圖

圖中K4控制主回路的導通與關斷。K1、K2、K3是為了滿足12 V、24 V、48 V等不同電壓系列的閃光繼電器切換到相應模擬負載。以12 V負載為例，3條并聯(lián)支路分別模擬實際中的3個車燈負載，J11、J12、J13分別用于控制回路的通斷來模擬車燈出現(xiàn)故障的情況。其中D11－D12為觸點電壓降的檢測引出點，D12－D14是閃光繼電器輸出電壓的檢測引出點，D13－D14是試驗回路電流檢測點。

2.1.2 模擬負載電路設計

以12V模擬負載設計為例，當閃光繼電器負載為21 W、21 W和 4 W的3個燈泡負載時電流特性如圖5所示。包括沖擊電流和穩(wěn)態(tài)電流，其他支路亦同。

圖5 燈泡負載特性(橫軸0.2 s/div;縱軸5 A/div)

在設計模擬負載時，應使模擬負載模擬燈泡燈絲在絕對冷態(tài)(燈泡第1次起動)下的電流沖擊特性。

為模擬燈絲的上述特性，模擬負載由電阻、電容組成。電路原理圖如圖6所示。其中充電與放電回路如圖中所示。二極管D1、D2、D3起到對電容放電路徑的限制作用。以第1條支路為例，閃光器導通，通過電阻R11對電容C1的充電，此過程模擬燈泡負載的沖擊特性，時間長短由RC來決定，當電容充滿時，電容相當于開路，電流流經(jīng)R11和R12模擬穩(wěn)態(tài)特性。

圖6 模擬負載電路原理圖

為實現(xiàn)對不同負載功率等級通用性的要求，模擬負載中的電阻R11、R12設計采用分段分級電阻串聯(lián)的方法來組成，原理如下:

假設額定電壓的范圍為Umin～Umax，車燈的額定工作電流范圍是Imin～Imax，沖擊電流的過載倍數(shù)設為N倍。

其中Re=R11+R12的范圍可表示為Re為。

這里以Re的分級分段電阻串聯(lián)設計為例進行分析說明。設Re分為了K級，且每級又可均分為L段，各級的基準電阻分別為:

從以上的分析發(fā)現(xiàn)，第K級基準電阻越小，對于整個電流的精確度就會越高，但同時制作成本越高。為此可以通過確定K×L的值取最小值，即可實現(xiàn)設計的整體最優(yōu)。確定分級數(shù)K的方法是:

對于每級下的均分數(shù)L的選擇，可以選擇2、5、10等類似的整數(shù)，為了便于計算和關于刻度、精確度等的要求，可設計L=10，即每級下又均分了10段，如此即可確定分級數(shù)K的值。同時對沖擊電流負載電阻的分級分段設計原理同上分析所得。

按照以上設計，測得12 V系列閃光繼電器接功率分別為21 W、21 W和4 W的3個模擬負載的電流特性如圖7所示。與圖5第1次通電時的電流特性非常接近。

圖7 模擬負載電流特性(橫軸0.4s/div;縱軸5A/div)

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為開發(fā)語言，并且采用模塊化設計思想［9－11］。

2.2.1 測試模塊程序設計

該模塊主要功能是對試驗采集到的數(shù)據(jù)進行計算、處理，得出閃光繼電器的觸點電壓降、閃光頻率、通電率和起動時間等特性參數(shù)，并顯示存儲，為以后的電壽命可靠性分析做準備。本功能模塊的主要程序流程如圖8所示。

圖8 測試程序流程圖

3 閃光繼電器電壽命試驗結果分析

在實際試驗中，測試的閃光繼電器的型號為JQ501E閃光繼電器，也可以叫做21#閃光器。

3.1 測量參數(shù)

在無故障負載時，模擬負載為2×21W+4W時，測量點D12－D14、D11－D12、D13－D14的輸出波形，可以清晰觀測出閃光繼電器的工作狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 無故障負載時測量參數(shù)波形圖

3.2 性能參數(shù)變化

3.2.1 無故障負載電壽命試驗參數(shù)變化

選取試品在無故障負載條件下，進行電壽命試驗，按照表1與表2的參數(shù)要求，測得該試品的電壽命高達為80多萬次，繪制性能參數(shù)隨操作次數(shù)增加而變化趨勢圖，如圖10所示。

圖10 性能參數(shù)變化波形圖

在整個電壽命實驗過程中，時間性能參數(shù)閃光頻率、通電率和起動時間隨著操作次數(shù)的增加，在標準規(guī)定范圍內微小變化。開路電壓隨操作次數(shù)的增加在規(guī)定范圍內波動，最大波動的范圍在0.1V左右，整體相對穩(wěn)定。其中變化最明顯的性能參數(shù)是觸點電壓降，其總體變化趨勢為:隨著操作次數(shù)的增加，電壓降逐漸變大，最終超出標準規(guī)定后，還有繼續(xù)增加的趨勢。

3.2.2 故障負載下電壽命參數(shù)變化

更換一個新的閃光器，在出現(xiàn)一個主燈故障條件下，電壽命性能參數(shù)隨操作次數(shù)增加變化波形如圖11所示。

通過與圖10對比，閃光頻率加倍，是無故障負載時的2.3倍左右，通電率也明顯降低，起動時間與觸點電壓的值變化不大。各參數(shù)的整體變化趨勢與無故障負載條件下的變化趨勢相似。

圖11 故障負載性能參數(shù)變化波形圖

4 結束語

本文確定了閃光繼電器電壽命試驗過程中待監(jiān)測的性能參數(shù)，對試驗系統(tǒng)軟硬件進行了設計，模擬負載的設計優(yōu)化了閃光繼電器電壽命試驗環(huán)境，提高了設備可靠性與通用性，并利用所設計的電壽命試驗設備分析了單個試品在正常負載與故障負載時，各個性能參數(shù)的變化趨勢，為后續(xù)進一步基于此進行產(chǎn)品的電壽命評估打下了堅實的基礎。

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(編輯:劉楊)

Research on electrical life testing method and device of automotive flash relay

SUN Shuguang，DU Taihang，PAN Congrong，LIU Jianqiang，PANG Yi
(School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Automotive flash relay electrical life test has been made according to the requirements of the national standard.Characteristic parameters to be monitored have been determined during the test.A test scheme is proposed and electrical life test device is designed.This device uses simulating load to replace the original light load.The test results show that this device can detect the characteristic parameters such as flash frequency，electrified rate，start time，contact voltage and etc accurately.The design of simulation load can solve the light pollution problem caused by the light load，optimize the testing environment，and improve the reliability and versatility of the device.The variation trend of performance parameters of single test sample under normal and fault loads are analyzed，and this lays a foundation for further electrical life assessment of automotive flash relay.

automotive flash relay;electrical life test;simulating load;characteristic parameter

A

1674－5124(2016)11－0065－06

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.014

2016－05－11;

2016－07－05

天津市科技支撐重點項目(12ZCZDGX014000)河北省教育廳資助科研項目(ZD2016108)

孫曙光(1979－)，男，河北河間市人，副教授，博士，

主要從事電器可靠性與檢測技術研究。