汽車電磁繼電器觸點接觸電阻變化影響因素探究

王燕兵　賴雅麗

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)尤其是電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，汽車按行業(yè)的發(fā)展勢必帶來其配套零配件如汽車?yán)^電器等需求的大量增長。汽車?yán)^電器是汽車中配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中完成指令執(zhí)行、保護(hù)、切換等功能的關(guān)鍵元器件。而繼電器觸點間由于接觸電阻在電流作用下產(chǎn)生焦耳熱導(dǎo)致觸點間發(fā)生熔焊造成觸點粘接無法完成吸和、分離動作而失效，觸點間熔焊是制約繼電器產(chǎn)品向高品質(zhì)、高質(zhì)量、長壽命、安全可靠發(fā)展的瓶頸。觸點間熔焊形成機(jī)理較為復(fù)雜，其關(guān)鍵影響因素為觸點間接觸電阻在電流的作用下所產(chǎn)生的焦耳熱融化觸點金屬，因而接觸電阻的形成機(jī)理及變化是探究觸點粘結(jié)機(jī)理的關(guān)鍵、是改善繼電器質(zhì)量提升使用壽命的攻堅環(huán)節(jié)。而影響汽車?yán)^電器觸點接觸電阻變化因素較多，各個因素之間又存在相互的影響及關(guān)聯(lián)。對繼電器接觸電阻變化的影響因素進(jìn)行重點分析揭示影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：繼電器 觸點熔焊 接觸電阻 影響機(jī)理

1 概述

隨著國家的發(fā)展、人民的富強(qiáng)、科技的進(jìn)步，人們對汽車的需求也發(fā)生改變，對汽車的行駛品質(zhì)要求更高、對駕駛感受需求更加細(xì)膩，汽車產(chǎn)業(yè)的革新勢必帶動其配件市場的全面繁榮，汽車?yán)^電器作為車輛中擔(dān)負(fù)大電流通斷的關(guān)鍵元器件其工作的可靠性對汽車的綜合體驗提升影響巨大。汽車?yán)^電器尤其是在電動汽車控制系統(tǒng)中使用較為廣泛。同時汽車?yán)^電器工作環(huán)境較為苛刻，其工作環(huán)境溫度最高可達(dá)125℃，最低可達(dá)零下40℃，同時繼電器作為小電流控制大電流通斷的觸點之間猶豫頻繁的吸和、分離導(dǎo)致其接觸面由于焦耳熱融化觸點間材料導(dǎo)致其接觸面材料發(fā)生遷移及侵蝕，甚至發(fā)生無法正常分離的熔焊現(xiàn)象。觸點間材料的遷移及侵蝕甚至熔焊進(jìn)一步惡化了接觸面間的發(fā)熱量導(dǎo)致繼電器使用壽命、安全可靠性急劇下降，嚴(yán)重的時候甚至影響整車安全。筆者查閱相關(guān)材料采用大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：繼電器90%故障大多發(fā)生在觸點之間。雖然汽車?yán)^電器使用壽命還受到環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、灰塵、工作環(huán)境等的影響，但觸點間材料的遷移及侵蝕才是造成汽車?yán)^電器失效的主要原因。繼電器觸點材料的轉(zhuǎn)移和侵蝕關(guān)鍵影響因素為觸點間接觸電阻在電流的作用下所產(chǎn)生的焦耳熱融化觸點金屬，因而接觸電阻的形成機(jī)理及變化是探究觸點粘結(jié)機(jī)理的關(guān)鍵、是改善繼電器質(zhì)量提升使用壽命的攻堅環(huán)節(jié)。而影響汽車?yán)^電器觸點接觸電阻變化因素較多，各個因素之間又存在相互的影響及關(guān)聯(lián)。對繼電器接觸電阻變化的影響因素進(jìn)行重點分析揭示影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 接觸電阻的形成機(jī)理

使用直流接觸電阻測試?yán)^電器觸點接觸電阻時，實際測量都是在接觸觸點間進(jìn)行的，得到的測試值是觸點接觸總電阻（R），總電阻為材料電阻（Rl）和接觸電阻（Rc）之和，接觸電阻是指電流通過觸點時在接觸處由于接觸表面粗糙而產(chǎn)生的電阻，它由收縮電阻和膜電阻組成，如圖1。

2.1 收縮電阻

實際繼電器觸點在實際使用中的接觸表面在微觀情況下均是粗糙的，其接觸表面存在無數(shù)的不規(guī)則的凸起和凹坑。觸點兩個粗糙表面接觸時，實際接觸的并不是完整的兩個表面，而僅僅是兩個表面間的部分微凸體之間的接觸，從而形成離散的接觸點，這些接觸點在宏觀上構(gòu)成了實際的觸點間實際接觸面積。由于接觸面由于粗糙度影響實際接觸為微凸點接觸，電流僅能夠接觸觸點間進(jìn)行傳導(dǎo)，此時電流會因此而受到收縮從而產(chǎn)生電阻，也稱之為收縮電阻Rs。

2.2 膜電阻

工程實際中導(dǎo)體表面在自然環(huán)境下均會存在導(dǎo)電性較差的表面薄層而形成的電阻為膜電阻。該薄膜受自然環(huán)境的影響形成不同的成分、厚度。繼電器接觸觸點之間更多的是絕緣膜。絕緣膜是由于觸點所處在自然環(huán)境而形成的氧化物覆蓋、硫化物覆蓋、油脂及灰塵等附著在觸點表面之上形成厚度約100艾米厚度的絕緣層。由于該絕緣膜的存在導(dǎo)致觸點間形成額外的電阻即為膜電阻Rf。顯而易見絕緣層越厚膜電阻越大。

綜上所訴，接觸電阻由兩部分組成：一是由于電流線收縮形成的收縮電阻Rs;二是導(dǎo)電性較差的薄膜導(dǎo)致的膜電阻Rf。這些薄膜需要電或機(jī)械破碎才能形成金屬與金屬的直接接觸。總的接觸電阻可以由下式表示：

3 接觸電阻變化影響因素

繼電器觸點間接觸電阻變化因素主要為收縮電阻和膜電阻的變化，而影響收縮電阻及膜電阻的主要因素如圖3所示。

3.1 材料性質(zhì)

由收縮電阻的產(chǎn)生機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)接觸材料物理屬性直接影響收縮電阻的變化。在收縮電阻中每個電斑點的電阻與觸點材料電阻率成正比，而觸點間接觸導(dǎo)電斑點由觸點外力擠壓接觸粗糙表面微凸點形成，因而導(dǎo)電斑點的數(shù)量與觸點材料的硬度存在直接關(guān)系。

3.2 接觸形式

接觸形式對收縮電阻的影響。深入分析觸點間接觸形式分為：電接觸、線接觸、面接觸三種。三種接觸形式的分類依據(jù)主要是接觸點數(shù)目依次增加。通常而言面接觸擁有最多的接觸點，其收縮電阻最小。電接觸顧名思義其接觸點最少，收縮電阻最大。線接觸形式的收縮電阻介于兩者之間。

接觸形式對觸點間膜電阻的影響。每個接觸點上所承受的接觸壓力是接觸形式對膜電阻的主要影響因素，繼電器觸點間在電磁吸和力的作用下受壓力F，接觸面間由于外力F的作用形成n個接觸點，假設(shè)接觸點均勻則單個接觸點所承受的壓為：F1=F/n，而單個接觸點所承受的壓力F1與接觸形式直接相關(guān)。由上述可知點接觸存在最少的接觸點數(shù)n。相同外力F作用下點接觸形式下接觸點n點<線接觸形式下接觸點n線<面接觸形式下接觸點n面，由單個接觸點所承受的壓為：F1=F/n，可知點接觸形式下單個接觸點承受壓力最大，在相同電壓電流作用下最易突破接觸間的薄膜，因此點接觸形式是膜電阻Rf最少的，線接觸次之，而面接觸最大。

3.3 觸點表面粗糙度

繼電器觸點表面粗糙度對接觸電阻影響機(jī)理較為繁雜。觸點表面越粗糙，接觸面間接觸電斑點愈加的減少，至接觸電阻越大。筆者建議采用表面形貌分析方法對觸點接觸電阻進(jìn)行計算。

3.4 接觸壓力

繼電器觸點間接觸壓力F作用下接觸面間的微凸點所承受的接觸壓力超過了材料的彈性形變極限而發(fā)生了塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致接觸點增多、實際接觸面積增加，致使收縮電阻Rs減少。于此同時在接觸壓力F的作用下觸點間接觸微凸被壓潰進(jìn)而擊穿了接觸面間的膜電阻，使膜電阻Rf下降，進(jìn)而接觸電阻Rc下降。

3.5 溫度

材料物理屬性如電阻率、硬度等參數(shù)均是隨溫度變化，如接觸點溫度上升后，觸點間材料電阻率增大，與此同時材料硬度降低致使接觸面間有效接觸面積增加。觸點間溫度升高致使收縮電阻Rs升高，材料硬度降低使收縮電阻Rs減小。因此觸點間收縮電阻Rs隨溫度變化微乎其微。繼電器觸點間金屬材料在高溫下表面發(fā)生氧化，其氧化行為至接觸面間的氧化膜厚度增加進(jìn)而導(dǎo)致膜電阻Rf增大，膜電阻Rf增大進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增加致使溫度急劇升高，而溫度上升加劇了氧化膜的厚度致使膜電阻Rf進(jìn)一步增加，依次反復(fù)惡性循環(huán)。

3.6 其他因素

觸點材料的材料穩(wěn)定性、抗電侵蝕性能和抗磨性能均是影響觸點間接觸電阻的大小和穩(wěn)定性的相關(guān)因素。觸點材料作為某種金屬，其表面氧化形成的氧化物、附著的硫化物、有機(jī)污染膜及各種自然環(huán)境下塵埃的吸附和沉淀均會嚴(yán)重影響觸點間接觸電阻的大小及穩(wěn)定性。另外需要指出的是，當(dāng)非金屬材料如石墨等作為電接觸材料時，當(dāng)接觸位置的溫度很高（但低于接觸金屬材料的熔點）時，會使非金屬材料發(fā)生氧化等化學(xué)反應(yīng)，使得接觸接觸狀況發(fā)生改變（如微觀形貌變化、宏觀的燒蝕后退等），使得接觸電阻發(fā)生改變。

綜上所述，觸點間接觸電阻的大小及穩(wěn)定性受材料物理性能、表面粗糙度、外力F、工作環(huán)境、溫度等眾多因素影響的非線性影響關(guān)系，本文分析了影響繼電器觸點間接觸電阻的主要因素，分析其影響機(jī)理，提出采用表面形貌分形接觸的方法解決接觸電阻數(shù)值求解的途徑。

基金項目：貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究《汽車電磁繼電器觸點瞬態(tài)接觸行為及傳熱特性研究》

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