发布时间：2021-09-07T09:52:39.219Z 来源：《探索科学》2021年7月下14期作者：肖兆旭林贞亮张维盛
[导读] 某车型试验车在低温仓试验过程中出现偶发启动失败问题，经排查原因为低温-高温高湿环境交替循环过程中出现继电器内部凝霜，从而导致继电器接触不良。本文目的为梳理问题的原因及扩展客户实际使用场景下预防类似故障发生的方案。
吉利汽车研究院（宁波）有限公司肖兆旭林贞亮张维盛浙江省宁波市 315336
[摘要]: 某车型试验车在低温仓试验过程中出现偶发启动失败问题，经排查原因为低温-高温高湿环境交替循环过程中出现继电器内部凝霜，从而导致继电器接触不良。本文目的为梳理问题的原因及扩展客户实际使用场景下预防类似故障发生的方案。
[关键词]: 继电器，高低温交变，凝霜
前言
作为当下越来越普及的交通工具，汽车需要适应高温、高寒、高原（三高）等极限环境以及各种环境交变
等复杂工况，在汽车研发过程中，均需要在三高及交变环境下进行对应测试，在某些极端条件下出现的故障对于汽车设计的改进与使用具有重要的参考意义。
1.问题背景
某车型试验车在-40℃低温仓试验过程中出现偶发启动失败问题，故障具体表现如下：低温仓内建立-40℃环境后，车辆第一次可以正常启动；熄火20分钟后第二次启动，无法启动，组合仪表报ACC、IG1继电器输出故障；静置10分钟后，车辆可以再次启动。汽车进水
试验过程中低温舱外天气情况为小雨、27℃~32℃。试验过程中车辆因需更换零部件进行对比试验，需要反复进出低温仓。
2.原因分析
2.1、故障分析：
故障相关继电器回路控制原理如图1所示：
PEPS（Passive Entry Passive Start-无钥匙进入及启动系统）检测符合启动条件，输出12V电信号，控制电器盒中IG1继电器吸合，从而启动车辆。PEPS从继电器控制端和输出端均有采集反馈信号，用于诊断启动失败原因。
图1
根据故障现象及故障机理，使用鱼骨图工具列写可能产生的原因如图2所示:
图2
根据故障车上PEPS的DTC（故障诊断码）信息反馈，PEPS控制逻辑和HSD都是高，继电器输出为低，推断为继电器未吸合；故障发生后试验车未做任何动作，再次起动可以成功起动；而线束接触不良一般需要重新插拔接触件；故可以排除线束接触不良的情况；初步结论：故障可能是由于继电器吸合异常导致。
2.1.1 PEPS风险分析
关于硬件如何保证在温度影响下正常输出，PEPS硬件设计基于整车正常工作温度区间，进行器件规格选型，通过Worst Case计算，并经过正式的DV、PV验证，可以保证正常的温度区间内工作。
HSD K值（匹配参数），因为PEPS 应用不同于BCM，PEPS软件未采用，PEPS是采用了独立的ADC采样电路来处理。
通过上述硬件和软件匹配上风险分析结果为无风险，通过对PEPS进行相关试验排查，结果合格，由此排除PEPS故障问题。
2.1.2 继电器风险分析
对继电器故障件实施X-RAY探测：2只继电器通过X-ray分析内部，结果质量状况良好，未发现弹片变形异常现象。
根据故障现象推断有可能因为继电器内存在水汽，低温环境下出现结霜，继电器吸合后动静触点间因存在冰霜导致无法正常吸合通电。
通过对继电器进行结霜试验进行验证如下：
试验步骤：
步骤一：预处理：继电器放置在80%RH，30℃环境下24H；
步骤二：低温动作：步骤一后，继电器立即取出放置在-20℃下静止6h，然后线圈加电 触点加载8.持续20min，然后线圈断电静止30min，之后继电器线圈加电 触点加载8. 动作10次，动作频率为15s通15s断。
样品数量：10PCS
试验结果：低温动作时，继电器在10次动作循环的首次，有3只样品出现触点不导通。
常温下拆解失效样品，发现触点表面无异常，在继电器触点附近存在水迹，可得出结论为水汽在低温环境中在触点上凝结，导致继电器触点间电阻率增大，无法正常导通。
在此过程中因触点间电阻率增大，根据P=I2*R可知电流流经结霜的触点间时因电阻增大而显著发热，导致冰霜融化，这是故障发生后一定时间内重复起动能够成功的原因。
2.2继电器结构分析
故障继电器外壳上表面设计有透气孔，在潮湿环境下，继电器工作过程中内部线圈通电发热-断电冷却导致内部空气膨胀-收缩，空气通过透气孔与外界空气实现交换，继电器外部潮湿空气或者凝结的水珠在此过程中进入继电器内部。
2.2.1不同结构的继电器对比结霜试验
该车型电器盒中因负载不同，存在两种结构的继电器，故障继电器（IG1和ACC继电器）透气孔朝向外部，另外一种继电器（IG2继电器）透气孔贴近PCB板。
试验步骤：
步骤一：电器盒中IG1、ACC、IG2继电器都接线，连线接在电器盒插件上。
步骤二：预处理，电器盒放置在80%RH，30℃环境下24H。
步骤三：低温动作：步骤一后，将电器盒立即取出放置在-20℃下静止6h；然后按下开接通持续20min；然后线圈断电静止30min；然后再按下开关. 动作5次，动作频率为15s通15s断;
试验结果：IG1/ACC继电器在第一次出现了吸合未导通现象，与故障车所报故障相同。从 IG1/ACC 继电器报故障，IG2继电器未报故障，可以推断继电器上表面透气孔容易进水汽，透气孔在下表面、贴近PCB板处时不易进水汽。
2.3综合分析结论：
1. 从故障数据看可以锁定是继电器故障；
2. 从 IG1/ACC 继电器报故障，IG2继电器未报故障，可以推断继电器上表面透气孔容易进水汽；
3. 结合单个透气孔继电器结霜试验复现；
4.电器盒对比结霜试验结果与试验车故障相同。
原因结论：结合以上四点，判断原因是在极端潮湿的环境中，水汽经继电器的排气孔进入内部，低温环境下继电器结霜导致。
3.改进措施
改进措施：使用全塑封继电器替代透气孔型继电器
改进措施电器盒试验验证：使用全塑封继电器的整改后的电器盒结霜试验验证
试验步骤：
步骤一：电器盒中IG1、ACC、IG2继电器都接线，连线接在电器盒插件上。
步骤二：预处理，电器盒放置在80%RH，30℃环境下24H。
步骤三：低温动作：步骤一后，将电器盒立即取出放置在-20℃下静止6h；然后按下开接通持续20min；然后线圈断电静止30min；然后再按下开关. 动作5次，动作频率为15s通15s断。
试验结果：按照实验标准对保险丝盒进行结霜实验，保险丝盒继电器在低温环境下均能正常吸合释放，吸合导通结果正常。
通过试验验证永久改进措施可行，即使用全塑封继电器替代目前带透气孔型继电器。
4.客户滥用工况模拟验证：
模拟客户低温环境下进入温度较高的车库内，为快速升温而打开车门车窗的操作，观察极端温度变化对驾驶舱内电器件的影响。
试验方式：低温试验后将车辆驶出低温仓外，打开车门车窗静置。
验证结果：在-40℃~30℃潮湿环境下进行此项验证时，发现车内电器件包括线束连接器表面出现了严重的结露，重复多次后车辆仪表的液晶屏出现严重花屏和黑屏，部分电气控制器出现工作异常，整车电气系统表现已经接近泡水车的表现。
目前汽车行业设计标准将驾驶舱内定义为干区，干区内的控制器、线束连接器等基本无防水设计，在此滥用工况下会出现凝露和结霜产生的进水导致电器故障。
5.经验总结
汽车用继电器的选型使用必须充分考虑环境变化对继电器本身的影响，常规非密封型继电器在应对极端环境变化情况时，如本文示例所展现的故障，可能会因环境中水汽进入内部出现结霜而影响正常功能，而全密封的塑封型继电器可以免受潮湿环境下高低温交变的影响而保证可靠性。此结论对于汽车继电器的选型具有指导意义。
另外，对于普通汽车用户，在使用汽车的过程中应避免一些可能对汽车出现损伤的操作，例如车辆在冬
季从室外零摄氏度以下环境中驶入地下车库等具有较高温度和湿度的环境中后，应避免长时间打开车门车窗造成空气中水汽在车内凝结；应关闭车门车窗，等车辆内温
度与车辆外部温度达到平衡后方可允许长时间开放车门车窗。同样，在高温高湿环境下，应尽量关闭车门车窗，打开空调制冷，并打开内循环，通过空调制冷过程中的冷凝作用降低驾驶舱内湿度。这有利于延长汽车的无故障运行寿命，降低用车过程中的维修成本。
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