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某車型車載充電機(jī)自動(dòng)中斷充電問題分析及優(yōu)化

2021-09-12 12:26:13·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：麥慧敏  
　
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司1引言車載充電機(jī)(OBC)是固定安裝在電動(dòng)汽車上用于控制和調(diào)整蓄電池充電的電能轉(zhuǎn)換裝置，由于大功率充放產(chǎn)生巨大的發(fā)熱量
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司

1引言
車載充電機(jī)(OBC)是固定安裝在電動(dòng)汽車上用于控制和調(diào)整蓄電池充電的電能轉(zhuǎn)換裝置，由于大功率充放產(chǎn)生巨大的發(fā)熱量。為降低對(duì)內(nèi)部元器件壽命和性能的影響，要求高熱量的電子器件/芯片/MOSFET等必須與五金鑄模的殼體內(nèi)壁接觸，以有效實(shí)現(xiàn)熱傳遞。
國(guó)內(nèi)企業(yè)早期采用殼體內(nèi)部灌滿導(dǎo)熱膠的方案來實(shí)現(xiàn)熱傳遞，該方式除了能快速導(dǎo)熱外還起到各帶電元器件間的絕緣防護(hù)作用。但由于導(dǎo)熱膠的熱脹冷縮，對(duì)內(nèi)部元器件引腳的拉扯應(yīng)力長(zhǎng)期存在，從而破壞其引腳使功能失效。某車型的車載充電機(jī)曾出現(xiàn)過該失效模式，我們通過臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比出問題原因和措施效果，使問題得到改進(jìn)。

2問題描述
某車型車載充電機(jī)不能充電，裝車復(fù)測(cè)3次，均出現(xiàn)自動(dòng)中斷充電，充電時(shí)間10min-30min不等。分別監(jiān)控充電機(jī)、BMS的報(bào)文，充電機(jī)報(bào)文顯示充電電流約為25A（與實(shí)際充電電流相符），但BMS報(bào)文顯示約為65A。當(dāng)在充電機(jī)輸出線束上加上磁環(huán)時(shí)，BMS報(bào)文充電電流回歸正常，充電機(jī)恢復(fù)充電功能，取消磁環(huán)后，故障復(fù)現(xiàn)。
檢測(cè)充電機(jī)輸出電流，發(fā)現(xiàn)電流曲線呈饅頭波，正常應(yīng)是直線波（圖1），測(cè)量濾波電路電容容值，總?cè)葜禐?0.285nF（正常約為125uF），表明濾波電路已不起作用。拆開電路板，7顆并聯(lián)的濾波電容針腳與本體已脫離，電容與正負(fù)極銅條形成斷路。判斷可能充電機(jī)內(nèi)部導(dǎo)熱膠在溫度上升后對(duì)濾波薄膜電容引腳產(chǎn)生應(yīng)力，拉脫其引腳，充電機(jī)濾波電路損壞產(chǎn)生EMI干擾，BMS采集精度失真，采集到超高充電電流，超過BMS安全閾值，向充電機(jī)發(fā)出“停止充電”指令。


3故障分析
3.1臺(tái)架分析
為驗(yàn)證以上推斷，做冷熱沖擊試驗(yàn)：濾波電路側(cè)板灌膠7PCS，未灌膠4PCS，經(jīng)過10個(gè)冷熱循壞后，未灌膠樣件電容針腳無異常，灌膠樣件出現(xiàn)電容針腳脫離4PCS，故障再現(xiàn)。將灌膠樣件的濾波電容減少到3顆、2顆、1顆分別做臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著電容的減少，溫度呈上升趨勢(shì)。只剩1顆時(shí)，溫度約為140℃，正常7顆電容時(shí)，溫度最高點(diǎn)約為108℃。而該電容規(guī)定的工作溫度為-55℃——125℃，長(zhǎng)期過載高溫、以及引腳虛接打火會(huì)引起元器件燒蝕。


3.2原因小結(jié)
車載充電機(jī)EMI干擾增大的原因：充電過程中內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)熱膠熱脹冷縮拉脫一部分濾波電容的針腳。當(dāng)被拉脫的電容數(shù)量越來越多時(shí)，余下電容的溫度隨之劇增，直至高溫引起電容燒蝕，導(dǎo)致濾波電路失效降低濾波效果，從而使車載充電機(jī)的EMI干擾增大。
根據(jù)以上失效原理，判定如下兩個(gè)措施可以解決該問題：（1）通過增加外殼保護(hù)電容引腳；（2）優(yōu)化散熱條件：增大殼體厚度。

4措施驗(yàn)證
4.1電容增加外殼塑封
對(duì)電容增加外殼封裝，保護(hù)電容引腳焊接面，防止電容在外力條件下引腳受損，見圖4。

有封裝外殼與無封裝外殼電容交替安裝，見圖5，將試驗(yàn)樣件高溫存儲(chǔ)135℃，時(shí)間4H，低溫存儲(chǔ)-40℃，時(shí)間1H，交替循環(huán)。觀測(cè)電容引腳狀態(tài)和測(cè)試電容容值。經(jīng)過24次高低溫循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)部分無外殼封裝的電容引腳開裂，測(cè)試總電容容值偏小，見表5。


4.2增大殼體厚度
更改前拔模角度1.2°，最薄處1.82mm，最厚處2.30mm。兩邊對(duì)稱減小拔模角度到0.8°，兩側(cè)增料偏移1mm，最厚厚度增至約3.8mm，增強(qiáng)縱向?qū)崮芰?，以降低?cè)板的熱量。

將改進(jìn)前和改進(jìn)后的兩臺(tái)樣件，加上額定負(fù)載，當(dāng)內(nèi)部檢測(cè)溫度達(dá)到90度后，對(duì)比相同器件的溫度，通過溫度對(duì)比溫度，可見增厚鋁殼可降低溫度約10℃左右，見表６。

5結(jié)語
經(jīng)分析驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱膠在充電機(jī)工作過程發(fā)生熱脹冷縮，對(duì)元器件產(chǎn)生應(yīng)力，長(zhǎng)期加持會(huì)使元器件引腳疲勞損傷，功能失效。在設(shè)計(jì)零部件過程中，應(yīng)考慮零部件內(nèi)部的最高溫度對(duì)導(dǎo)熱膠的影響、以及避免使用引腳裸露的元器件。優(yōu)化后的充電機(jī)在整車上做耐久試驗(yàn)，未發(fā)生失效，滿足要求。
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