高次諧波電流對電動汽車用直流接觸器的溫升影響研究

【摘" 要】在新能源電動汽車的應用過程中，普遍存在直流電含有高次諧波電流的現象，會影響電動汽車直流用電器的實際溫升。為更全面評價電動汽車直流用電器的安全性能，文章設計一種溫升測試系統。在電流值等效相同的情況下，對電動汽車用直流接觸器進行兩種工況（恒直流疊加高次諧波電流和恒直流）下溫升對比試驗，證明高次諧波電流會加劇其溫升，且對最高溫升部位（正極觸點）影響更顯著。

【關鍵詞】高次諧波電流;直流接觸器;溫升測試

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0005-03

Study on the Influence of Higher Harmonic Current on Temperature Rise of

DC Contactor for Electric Vehicles

XU Xigen，ZHOU Shaozhe，LU Hongyu，XIANG Lin，ZHANG Lixi，ZHANG Yan

（Zhejiang Fangyuan Electric Equipment Test Co.，Ltd.，Jiaxing 314001，China）

【Abstract】In the application process of new energy electric vehicles，there is a common phenomenon of high harmonic currents in direct current，which can affect the actual temperature rise of DC electrical appliances in electric vehicles. In order to comprehensively evaluate the safety performance of DC electrical appliances in electric vehicles，this article designs a temperature rise testing system. Under the condition of equivalent current values，temperature rise comparison tests are conducted on DC contactors used in electric vehicles under two working conditions（constant DC superimposed with high harmonic current and constant DC），proving that high harmonic current will exacerbate its temperature rise and have a more significant impact on the highest temperature rise position（positive contact）.

【Key words】higher harmonic currents;DC contactors;temperature rise test

作者簡介

徐喜根（1987—），男，工程師，主要從事電器電磁兼容檢測工作。

電動汽車在快速充電過程中，由于直流充電樁在內部整流過程中會產生紋波，其輸出直流電流中會有疊加高次諧波電流的現象。這是因為電動汽車直流充電樁輸入的AC 380V市電經三相整流輸出的直流電（電壓為DC537V）存在紋波，隨著二級Boost升壓將輸出電壓提升至DC750V或更高的充電電壓，紋波也會被放大[1]。隨著充電樁的快充技術發展，輸出功率和輸出電壓不斷提升，此現象更加嚴重。由于高次諧波電流的頻率極高，會產生集膚效應（電流趨向電動汽車用電器的導體部件表面傳送），頻率越高，集膚效應越嚴重[2-4]，用電器表面溫度會異常升高。溫升過高會加速用電器各部件老化，縮短其使用壽命，甚至引起電路短路以及火災等安全事故。當前，國內還沒有合適的恒直流疊加高次諧波的電源發生裝置，無法進行此特殊工況的溫升測試[5]。因此，本文設計一種恒直流疊加高次諧波電流的溫升測試系統，消除直流源和交流源并聯之后的相互影響，可以更全面地評價電動汽車直流用電器的安全性能，對促進中國電動汽車產業發展具有重要意義。

1" 溫升測試系統

圖1為本文設計的溫升測試系統，該系統由上位機、電流發生裝置、錄波儀、交直流電流探頭、數據采集儀、測溫熱電偶等部分組成。上位機控制整個系統的運行，通過上位機可調節電流發生裝置輸出總電流值及高次諧波電流的頻率值;設定錄波儀的測量范圍和采樣率，實時采集試驗電路的電壓、電流值，存儲并分析試驗全過程波形圖;采用熱電偶測量環境試驗箱中試品關鍵部位的溫度值，通過數據采集儀實時采集數據并上傳，繪制動態圖直觀體現溫升情況。

2" 電流發生裝置

此溫升測試系統的核心是恒直流疊加高次諧波的電源發生裝置。裝置技術難點為：既要防止直流源因高次諧波電流通過而損壞，又要隔斷直流電進入交流電源，保護交流諧波電源。電流發生裝置電路原理圖如圖2所示。

1）直流回路部分包括可調低壓直流電源、直流電抗器。通過直流電源、直流電抗器回路實現直流電流的恒定輸出，其中直流電抗器可有效降低直流電路中的交流分量。

2）交流回路部分包括高頻可調交流電源、隔離變壓器、電容器。通過高頻交流電源回路實現高頻交流電流輸出，通過隔離變壓器、電容器實現直流電源與高頻交流電源的隔離，其中電容器可以通交流阻直流，限制交流電路中的直流分量。

交流回路與直流回路并聯，在試品回路中實現直流電流與高頻交流諧波電流的疊加。

3" 測試與分析

對新能源汽車用直流接觸器進行溫升測試，采用專用銅排和相應導線將該試品接入系統的試驗回路，線圈兩端施加DC 24V額定控制電壓，讓接觸器吸合。為模擬電動汽車實際使用的嚴酷環境溫度，將試品置于高低溫試驗箱中，設定溫度為+85℃并至穩定[6-7]。

對試品進行恒直流疊加高次諧波電流工況下的電器溫升測試。首先，設定直流電源的輸出電流值、高頻交流電源輸出頻率和電流值;其次，上位機控制錄波儀和交直流電流探頭監測直流接觸器主電路的電流波形，再微調交直流電源;最終，疊加后的電流能滿足試驗需求。本試品恒定直流電為DC 200.7A，疊加的諧波電流波形如圖3所示，頻率20kHz、有效值為31.8A（峰值約為45A）。疊加后的測試電流波形如圖4所示，Imax為245.7A，Imin為155.7A，紋波頻率為20kHz。

試驗過程中保持電流輸出穩定，利用J型熱電偶對正極觸點、負極觸點、線圈外殼和安裝盒4個關鍵部位的溫度進行檢測，數據采集儀每1s記錄溫度，通電總時間為1.2h。由圖5可見，在環境溫度為+85℃下，試品1.2h內4個被檢測部位的溫升結果為：正極觸點75.1K、負極觸點73.0K、線圈外殼43.9K、安裝盒16.3K。本次測試結束，取出試品，待試品冷卻至室溫。

進一步比較恒直流疊加高次諧波電流工況和恒直流工況下電器溫升的差異，使用同一試品在+85℃的環境條件下，在DC 200.7A恒定電流的基礎上，再增加與高次諧波電流有效值相同的直流電（DC 31.8A），對試品再次進行通恒直流電工況下的電器溫升測試。在試品閉合狀態下，調節主電路直流電源的輸出電流為232.5A，關閉交流電源（交流諧波電流值為0）。DC 232.5A工況下直流接觸器的溫度曲線如圖6所示，試品1.2h內4個被檢測部位的溫升結果為：正極觸點58.9K、負極觸點57.4K、線圈外殼36.3K、安裝盒13.1K。

對比可得，兩次試驗電流值等效相同，溫升情況卻有明顯差異。與僅通直流電的測試工況相比，直流接觸器在恒直流疊加高次諧波電流工況下，4個關鍵部位溫度均更明顯升高，其最高溫升部位（正極觸點）高出16.2K。因為直流電是在直流接觸器的導電部件內均勻分布和穩定流動，而高頻交流電存在集膚效應，高次諧波電流主要集中在表面流通，根據電阻定律，這促使導體有效截面減小，有效電阻增大，整體損耗增加，關鍵部位表面溫升增高。通常正極觸點電流密度更集中，其溫升略高于負極及其他區域，且更易受電流變化影響。

4" 結論

本論文設計了恒直流疊加高次諧波電流的溫升測試系統，在極端環境溫度對電動汽車用直流接觸器進行溫升測試。通過兩種工況的對比試驗，證明高次諧波電流會加劇電動汽車用直流接觸器的溫升，且對最高溫升部位（正極觸點）有更顯著影響。因此，對于電動汽車用直流電器溫升試驗，有必要考慮高次諧波電流的實際影響。此外，在本系統的基礎上，可進一步研究諧波電流對新能源領域電氣設備的安全性能及電能品質影響，如光伏匯流箱、光伏并網逆變器、儲能電池等。

參考文獻：

[1] 宋鵬. 電動汽車直流充電站多充電機諧波疊加問題研究[D]. 長沙：湖南大學，2018.

[2] 高孟超. 考慮高頻效應的鍵合線老化功率器件的傳輸特性研究[D]. 天津：天津理工大學，2021.

[3] 常娜娜. 集膚效應對諧振無線電能傳輸系統的影響[J]. 集成電路應用，2020，37（9）：1-3.

[4] 孫玉鑫. 交直流疊加工況下橋臂電抗器空間磁場分布與異常溫升控制策略研究[D]. 濟南：山東大學，2022.

[5] 王勝利，吳云峰，唐輝，等. 交直流疊加電源的研制[J]. 電子技術應用，2017，43（3）：141-144.

[6] 吳佳燕，孫新函，劉小兵，等. 新能源汽車電子電氣零件高溫環境可靠性試驗方法研究[J]. 上海汽車，2021，28（9）：39-43.

[7] 劉志平，張雄，謝鑫. 純電動汽車動力電池低溫充電熱管理試驗研究[J]. 客車技術與研究，2021，43（4）：58-60.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-30