汽車?yán)^電器淺說

王力人，陳 霖，張 耀

(1.上海滬工汽車電器有限公司上海 201804;2.陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721300)

汽車?yán)^電器淺說

王力人1，陳 霖2，張 耀2

(1.上海滬工汽車電器有限公司上海 201804;2.陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721300)

本文依據(jù)國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國內(nèi)汽車?yán)^電器企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)汽車?yán)^電器的基本要求和發(fā)展方向，進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述。

汽車?yán)^電器;基本要求;發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

亞博汽車產(chǎn)業(yè)分析師朱琦先生在“對(duì)十二五期間我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)看法”一文中認(rèn)為，入世(WTO)十年來，對(duì)外開放成就了中國汽車工業(yè)的輝煌。從2000年到現(xiàn)在，中國汽車產(chǎn)量提高了8倍多(2000年中國的汽車產(chǎn)量約為200多萬輛)，產(chǎn)值提高了近10倍。2011年我國汽車產(chǎn)量1842萬輛、銷量1851萬輛，同比增長分別達(dá)到了0.84%和2.45%。預(yù)計(jì)，2012年汽車產(chǎn)、銷量可望達(dá)到2000萬輛水平。

2011年，我國千人汽車擁有量為70輛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。因此，預(yù)測(cè)十二五期間，我國汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)銷增速應(yīng)該在5～10%左右，到2020年，國人的57%應(yīng)該都買得起汽車。屆時(shí)，我國的汽車保有量將超過2億輛。如是，市場(chǎng)對(duì)汽車?yán)^電器的需求可想而知!

2 汽車?yán)^電器現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)導(dǎo)近幾十年來，國際汽車?yán)^電器市場(chǎng)的年產(chǎn)和銷量均已超過了1～2×109只繼電器的規(guī)模，當(dāng)然這主要得益于汽車?yán)^電器優(yōu)越的功能。

2.1 對(duì)汽車?yán)^電器的基本要求

汽車一般分為客車、商用車輛(重型車和汽車)、摩托車和建筑設(shè)備用車等。車輛電氣系統(tǒng)使用的蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其電壓為12V DC或24V DC(未來這個(gè)電壓將為42VDC)，電源從0.5U～1.33U。在需要電氣切換功能時(shí)，車輛上就需要配置相應(yīng)的繼電器。這樣，就有了下列要求:繼電器應(yīng)用于引擎箱內(nèi)的時(shí)候，其環(huán)境溫度可高達(dá)125℃;繼電器應(yīng)用于門鎖等組件時(shí)，必須能夠耐受高達(dá)490m/s2的沖擊;繼電器安裝于引擎上時(shí)，要求能夠耐受高達(dá)294 m/s2的振動(dòng)等。下表為整車對(duì)汽車?yán)^電器的一般要求。

2.2 一般汽車?yán)^電器

大多數(shù)汽車?yán)^電器設(shè)計(jì)成單穩(wěn)態(tài)，觸點(diǎn)形式多為動(dòng)合(form A)、轉(zhuǎn)換(form C)、橋式(form U)以及24V系統(tǒng)的雙動(dòng)合(form X)。其負(fù)載可達(dá)30A或更高。接觸系統(tǒng)一般使用銅合金簧片，如負(fù)載較高時(shí)，則使用彈簧鋼片或銅編織帶(線)。因?yàn)樵谶@種情況下，如果使用銅片的話，就會(huì)大大減少其使用壽命。接觸簧片及拉簧一般設(shè)計(jì)成一種簧片組合，最為常用的觸點(diǎn)材料是AgNi0.15或AgSnO2。它們有不同的類型及添加劑;其閃光器的接點(diǎn)一般使用鈀觸點(diǎn)。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)為快速連接型或焊接型，在較高負(fù)載電流時(shí)，也采用螺紋連接。繼電器外形及引線腳都采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，多數(shù)直插式繼電器符合ISO7588標(biāo)準(zhǔn)(其他標(biāo)準(zhǔn)為SAE J1744及280雙列直插式引線腳排列)以及JIS 5011標(biāo)準(zhǔn)。PCB式汽車?yán)^電器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。各整車制造商差不多都有自己要求的外形尺寸和引出端形式。大多數(shù)PCB繼電器設(shè)計(jì)成THT(通孔技術(shù))，并采用波峰焊工藝，而采用回流焊技術(shù)可以使所有的電氣及電子元件的焊接一次性焊到PCB板上面。市場(chǎng)上也有SMT(表面安裝技術(shù))的繼電器。不過，這對(duì)有較大負(fù)載電流的繼電器來說是不適用的。由于這些原因，未來的發(fā)展趨勢(shì)是回流焊和HTH式繼電器。回流焊要求材料有較高的耐熱性，一般的PA或PBT工程塑料不適合作汽車?yán)^電器外罩，同樣對(duì)于無鉛焊接工藝也有相同的耐熱要求問題。

表1 汽車?yán)^電器的一般要求

2.3 汽車?yán)^電器標(biāo)準(zhǔn)

汽車?yán)^電器行業(yè)不像工控、通訊等繼電器行業(yè)那樣產(chǎn)品都必須具有UL、CSA或VDE的等通常的認(rèn)證要求，每一個(gè)OEM對(duì)某種供應(yīng)的零件有自己的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?，F(xiàn)有的幾種用于電氣和電子元件的國際標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)規(guī)范，通常在OEM零件規(guī)范中也僅僅是作為參考文件。表2列出了用于汽車?yán)^電器的最重要的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.4 汽車?yán)^電器的應(yīng)用

在汽車電氣功能需要進(jìn)行控制時(shí)，一般需要使用繼電器。其應(yīng)用范圍可分為阻性負(fù)載、電容性負(fù)載和感性負(fù)載。負(fù)載電壓及負(fù)載電流在通常情況下是在阻性負(fù)載下做出的規(guī)定。另外，燈負(fù)載也常作為電容性負(fù)載，這是因?yàn)槠淅鋺B(tài)燈絲比熱態(tài)燈絲的電阻低得多的緣故。感性負(fù)載的特征是負(fù)載電流會(huì)成指數(shù)形式增加并伴有強(qiáng)電弧產(chǎn)生，所以在開斷這樣的負(fù)載時(shí)，常采用磁吹滅弧的方法。大功率繼電器(如斷開燈負(fù)載的繼電器)有時(shí)會(huì)同時(shí)用來開斷混合型的不同負(fù)載。感性和阻性負(fù)載的電路一般就是接通和斷開，而馬達(dá)負(fù)載電路的開斷就比較復(fù)雜。相關(guān)具體信息請(qǐng)參見US工程師繼電器手冊(cè)(2006第六版)汽車?yán)^電器一章。

2.5 應(yīng)用趨勢(shì)

由于電氣及電子功能在汽車中的應(yīng)用(例如:X－線及使用無鑰匙開門)在不斷增長，因此，對(duì)電流及蓄電池的應(yīng)用和處理就變得更為廣泛，對(duì)蓄電池的耦合問題(雙蓄電池系統(tǒng))以及降低繼電器的功耗就顯得更為重要了。與此同時(shí)，對(duì)42V的車輛以及預(yù)期出現(xiàn)的電動(dòng)車輛、混合型車輛的幾百伏的問題也亟待解決。對(duì)于有低功耗要求的，可使用自保持式繼電器，以便使部分問題得以解決。實(shí)際上，磁保持繼電器已經(jīng)在通訊行業(yè)里廣泛使用了。目前，大多數(shù)電氣功能都是由處理器進(jìn)行控制的。在電源接通、斷開時(shí)，保持式繼電器的切換狀態(tài)得到了安全的控制。最新型的保持式繼電器有良好的耐沖擊性能，因而就解決了它在ECU上面的應(yīng)用問題。由于要求整體具有的診斷功能(指功能板)，越來越多的半導(dǎo)體可能會(huì)替代機(jī)電式繼電器參與其中。但是，即使在將來，目前使用的機(jī)械式電磁繼電器仍然具有外型、價(jià)格、載流能力、斷弧效應(yīng)等諸多方面的優(yōu)勢(shì)，因此可以肯定地說，在一個(gè)相當(dāng)時(shí)間里機(jī)電式汽車?yán)^電器仍然會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

表2 汽車?yán)^電器標(biāo)準(zhǔn)

3 發(fā)展趨勢(shì)

小型化、大負(fù)載、低功耗、高靈敏(吸合值常常僅為額定值的55～60%左右)、高可靠、長壽命、抗沖擊和振動(dòng)、功能化〔如雨刮繼電器(刮水繼電器)、閃光器與電子線路組合成為刮水器控制器、閃光器等〕、低成本、輕量化、具有電磁兼容性、阻燃性、多用途和表面貼裝化以及有非常好的抗惡劣環(huán)境和抗電磁干擾功能等是今后汽車?yán)^電器發(fā)展的總體趨勢(shì)。

3.1 智能化組合繼電器日漸流行

智能化組合繼電器將傳統(tǒng)的開關(guān)繼電器與微電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合成為汽車?yán)^電器最新研發(fā)方向之一。在汽車故障診斷系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)中都大量地使用功能不同的組合繼電器。

3.2 42V汽車?yán)^電器發(fā)展迅速

鑒于14V汽車電源系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)汽車向操縱自動(dòng)化、電氣化方向發(fā)展，迫切要求把汽車電源系統(tǒng)電壓提高到42V。這是因?yàn)?2V系統(tǒng)可以使汽車線束采用更小尺寸，可以給予電子驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)器－交流發(fā)電機(jī)、交流壓縮機(jī)、內(nèi)部空氣加熱器、催化劑加熱器、油泵、水泵、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)以及線控駕駛(X－by－wire)、懸吊系統(tǒng)和動(dòng)力方向盤等系統(tǒng)有大的功率支持。引擎負(fù)載的減少再加上避免使用有損耗皮帶輪，可以獲得更好的燃油效率。據(jù)測(cè)算，采用42V電源系統(tǒng)，將使負(fù)載和布線重量減少1/3、損耗降低1/9。預(yù)計(jì)到2015年，世界近13%的汽車將使用42V電源系統(tǒng)。42V汽車?yán)^電器的開發(fā)與研制是一個(gè)非常重要的課題。目前，世界著名的汽車制造商已經(jīng)開始采用14/42V雙電壓電氣系統(tǒng)，這將是汽車?yán)^電器結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個(gè)新方向。

3.3 對(duì)靜音及電磁兼容等性能指標(biāo)的嚴(yán)格要求

目前，整車廠商以及消費(fèi)者對(duì)繼電器靜音指標(biāo)要求越來越嚴(yán)格，同時(shí)隨著汽車電子設(shè)備使用數(shù)量的不斷增加，要求汽車?yán)^電器具備更好的電磁兼容性能。一方面要求繼電器能夠承受、抵抗其他電子器件的電磁干擾保持正常工作;另一方面也要求繼電器本身的電磁干擾系數(shù)盡可能的小，不會(huì)對(duì)其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生干擾。

3.4 電動(dòng)汽車的推廣對(duì)汽車?yán)^電器提出更新的要求

電動(dòng)汽車是世界汽車工業(yè)的一次革命。它從根本上解決了汽車對(duì)環(huán)境的污染，是改變汽車對(duì)地球上有限石油資源消耗的最有效方法。世界各大汽車公司都在加速開發(fā)研制，我國也是一樣。鋰電池已經(jīng)投入小批量生產(chǎn)，并已投入實(shí)際使用中。電動(dòng)汽車三大系統(tǒng)(電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主能源系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng))對(duì)汽車?yán)^電器負(fù)載等技術(shù)參數(shù)必然會(huì)提出新的要求。

3.5 ISO/TS16949標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車?yán)^電器配套廠家提出更高要求

ISO/TS16949包含福特的質(zhì)量規(guī)范、通用和克萊斯勒的QS－9000、德國汽車制造商的VDA6.1、法國的EAQF和意大利汽車標(biāo)準(zhǔn)AVSQ等都在質(zhì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)部分要求做了細(xì)化，在減少供應(yīng)鏈波動(dòng)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)供應(yīng)商的持續(xù)改進(jìn)和失效預(yù)防。

3.6 有用SSR替代目前廣泛使用的開關(guān)式繼電器的趨勢(shì)

在國外，一些比較大的公司如VALEO＇HELLER＇DANSO＇德國INFIEON半導(dǎo)體公司業(yè)已開發(fā)出多款≧600V、≧400A，接觸電阻≦1mΩ的MOSFET。其主要原因是歐共體對(duì)排放的要求。新能源要求低功耗、小體積、長壽命、過壓、過流、過熱、自動(dòng)檢測(cè)并自動(dòng)采取措施進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)斷或馬上通過總線通訊進(jìn)行報(bào)警等，這些傳統(tǒng)的開關(guān)繼電器是無法辦到的。SSR繼電器的汽車中的采用比率會(huì)逐年增長。

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.013

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1000－6133(2013)02－0056－04

2013－03－26