汽車用PCB繼電器的應(yīng)用分析

余世運(yùn)

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車用PCB繼電器的應(yīng)用分析

余世運(yùn)

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶汽車?yán)^電器是整車上必不可少的一部分，其中PCB(Printed Circuit Board)繼電器由于成本壓力應(yīng)用越來(lái)越多，成為汽車電路中必不可少的重要部分。文章主要對(duì)汽車用PCB繼電器的發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為后期車型繼電器選型設(shè)計(jì)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

∶PCB繼電器；汽車；插入式繼電器；溫升

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.060

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-179-04

引言

近年來(lái)，汽車電器電子技術(shù)快速發(fā)展，與舒適型配置、安全型配置和智能化配置相關(guān)的汽車電器應(yīng)用越來(lái)越多，之前出現(xiàn)在高檔車型出現(xiàn)的電器配置在中低端車型上越來(lái)越普遍，諸如ESP、PWM風(fēng)扇、360全景等，而很大一部分電器配置因?yàn)榭刂品绞郊白陨砉β蔬^(guò)大，需要整車原理架構(gòu)提供繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致整車?yán)^電器數(shù)量快速增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一款中等的轎車車型整車需要配備32-35只繼電器才能滿足整車電器配置需求。特別是自主品牌車型主要靠配置銷車的現(xiàn)狀，電器配置的增加導(dǎo)致繼電器成本以及布置問(wèn)題越來(lái)越凸顯。傳統(tǒng)車型使用的插入式繼電器成本在5元每只左右，某些特殊用途的繼電器成本更高，如乘客艙內(nèi)使用的靜音繼電器，啟停車型使用的30萬(wàn)次長(zhǎng)壽命繼電器成本在7元每只左右，而電動(dòng)汽車采用的固態(tài)繼電器成本高達(dá)100元每只；而這些繼電器主要布置在室內(nèi)電器盒和室外電器盒，有些還需要開(kāi)發(fā)帶支架的繼電器用于外掛。由于插入式繼電器的外形尺寸需要ISO標(biāo)準(zhǔn)，大量使用插入式繼電器導(dǎo)致室內(nèi)外電器盒體積越來(lái)越大，電器盒平臺(tái)化方向的道路越來(lái)越艱難，因?yàn)殡娖骱畜w積越大布置難度越高，需要向其他模塊爭(zhēng)取布置空間；而且為了滿足車型電器功能需求，不得不根據(jù)車輛布置現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)更多不同形式的電器盒，間接增加了整車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期及開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，成本也會(huì)大幅度上升。

如何解決配置增加帶來(lái)的繼電器布置問(wèn)題，如何降低繼電器的成本是主機(jī)廠當(dāng)前需要慎重考慮的，而繼電器的新技術(shù)和新工藝應(yīng)用的需求更加強(qiáng)烈，為了滿足客戶需求，繼電器供應(yīng)商需要不停進(jìn)步，進(jìn)而推動(dòng)繼電器行業(yè)進(jìn)行新一輪的技術(shù)換代升級(jí)，繼電器技術(shù)在汽車上的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。

1、傳統(tǒng)插入式繼電器的特點(diǎn)

繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、磁、光、聲、熱）達(dá)到一定值時(shí)，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動(dòng)控制器件。傳統(tǒng)繼插入式電器按照繼電器所能負(fù)載的電流能力一般分為Micro繼電器(阻性負(fù)載標(biāo)稱30A)、Power Micro繼電器（阻性負(fù)載標(biāo)稱35A)、MINI繼電器(阻性負(fù)載標(biāo)稱40A）和Power MINI繼電器（阻性負(fù)載標(biāo)稱70A）。繼電器的負(fù)載能力和負(fù)載類型、環(huán)境溫度相關(guān)性很大，感性器件對(duì)繼電器的要求較高，且對(duì)繼電器的使用壽命影響較大；隨著環(huán)境溫度的上升，繼電器的負(fù)載能力也會(huì)隨之下降，一般來(lái)說(shuō)，一只阻性額定負(fù)載為40A的MINI繼電器在125度高溫環(huán)境下負(fù)載能力在25A左右，溫度進(jìn)一步升高，繼電器將面臨燒蝕風(fēng)險(xiǎn)。插入式繼電器按照引腳數(shù)量分一般有三腳繼電器、四腳繼電器和五腳繼電器，三腳繼電器主要應(yīng)用為閃光音繼電器，五腳繼電器一般應(yīng)用于博世系統(tǒng)的雨刮控制及串并聯(lián)高低速風(fēng)扇控制，其余大多繼電器均為四腳繼電器。繼電器的外部尺寸參考ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，但是部分韓資背景企業(yè)使用非標(biāo)的繼電器；近年來(lái)，非標(biāo)繼電器的使用越來(lái)越少，漸漸被參考ISO標(biāo)準(zhǔn)的繼電器取代，這也是發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的插入式繼電器見(jiàn)下圖1示例：

圖1　插入式MINI繼電器

插入式繼電器在汽車上一般集中布置在室內(nèi)外電器盒中，電器盒提供供繼電器引腳插入的繼電器座，線束端子和繼電器引腳連接，有相應(yīng)功能的控制器或者開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)繼電器吸合與斷開(kāi)。插入式繼電器盒見(jiàn)下圖2示例，該電器盒可以滿足3只MINI繼電器和7只Micro繼電器或者Power Micro繼電器安裝布置；個(gè)別特殊繼電器選擇外掛，外掛繼電器再帶安裝支架，一般會(huì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的防旋結(jié)構(gòu)，如轉(zhuǎn)向提示音繼電器要求布置位置在轉(zhuǎn)向管柱附件，在繼電器盒資源緊張時(shí)，也常用外掛繼電器的方案，外掛繼電器與特定的線束插件配合使用，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電器功能；外掛繼電器在布置整齊度和可靠性方面表現(xiàn)一般，因此很少使用。

在繼電器盒開(kāi)發(fā)時(shí)，一般首先考慮繼電器的數(shù)量、型號(hào)方面要求，為保證后期升級(jí)換代需求，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)預(yù)留。繼電器的布置對(duì)電器盒的開(kāi)發(fā)影響很大，布置面積基本可以占到電器盒面積的60%以上，電器盒其余的布置面積主要供保險(xiǎn)和線束對(duì)配插件使用，使用小體積繼電器對(duì)縮小電器盒有很大益處。開(kāi)發(fā)體積小、滿足性能要求的新型繼電器才能滿足大多主機(jī)廠的當(dāng)前需求，同時(shí)可以推動(dòng)電器盒平臺(tái)化的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)化整車布置和降低整車重量也有一定好處。

圖2　插入式繼電器電器盒示例

2、汽車?yán)^電器的發(fā)展趨勢(shì)

為更小更輕的汽車電器電子系統(tǒng)提供高容量低溫升的繼電器產(chǎn)品是各個(gè)繼電器開(kāi)發(fā)巨頭公司的首要目標(biāo)，為爭(zhēng)奪繼電器細(xì)分市場(chǎng)，提高公司競(jìng)爭(zhēng)力，整個(gè)繼電器行業(yè)為此做出了大量的努力。嘗試把繼電器做小、重量降低，但是同時(shí)需要考慮繼電器的負(fù)載能力、溫升、吸斷電壓和可靠性等因素。繼電器體積越小，在同等條件下散熱慢溫升大，也提高了吸合斷開(kāi)的控制難度；為保證繼電器的負(fù)載能力，需要提高繼電器的線圈電阻降低繼電器工作線圈端時(shí)產(chǎn)生的熱量，同時(shí)優(yōu)化負(fù)載回路的接觸電阻，降低電壓降。此外，繼電器體積越小，對(duì)工藝要求很高，內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)件要求高精度模具制作，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線裝配工藝有較高要求。小體積繼電器要求繼電器制造工藝提升，產(chǎn)品質(zhì)量一致性管控方面更加嚴(yán)格，整個(gè)繼電器行業(yè)需要完成技術(shù)升級(jí)，同時(shí)繼電器的配套行業(yè)會(huì)面臨同樣的技術(shù)升級(jí)要求。

經(jīng)過(guò)整車行業(yè)的努力嘗試，PCB繼電器已經(jīng)成為繼電器小型化輕量化的一個(gè)重要的發(fā)展方向。PCB繼電器是一種可以焊接在PCB電路板上的繼電器，無(wú)需通過(guò)繼電器盒進(jìn)行安裝布置，可以在自動(dòng)化生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)組裝，總成產(chǎn)品一致性好。目前已經(jīng)完成了從MICRO繼電器到POWER MINI繼電器全系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)， 負(fù)載能力從20A到70A均有相應(yīng)型號(hào)的PCB繼電器可以滿足需求。產(chǎn)品已經(jīng)在各主機(jī)廠新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)及驗(yàn)證，見(jiàn)下圖3示例：

圖3　PCB繼電器發(fā)展

3、PCB繼電器在汽車應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)

PCB繼電器以體積小輕量化著稱, 見(jiàn)下圖4示例：

圖4　PCB繼電器體積小輕量化示例

以新開(kāi)發(fā)的MINI繼電器為例，體積和重量都減小至原傳統(tǒng)插入式繼電器的三分之一，負(fù)載能力可以滿足室溫環(huán)境下阻性負(fù)載40A要求，體積減少意味著繼電器吸斷噪聲問(wèn)題也可以得到優(yōu)化，提升了客戶駕乘體驗(yàn)，性能方面通過(guò)大量的單件試驗(yàn)及整車試驗(yàn)驗(yàn)證，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的插入式MINI繼電器，從而實(shí)現(xiàn)了繼電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重大突破，具有里程碑式的意義。

PCB繼電器不止是體積小重量輕，在其他方面也有一定優(yōu)勢(shì)。采用新技術(shù)新工藝開(kāi)發(fā)的PCB繼電器，阻性負(fù)載使用壽命可以達(dá)到15萬(wàn)次左右，超過(guò)了插入式繼電器10萬(wàn)次的壽命要求，大幅減少因傳統(tǒng)插拔式繼電器損壞而引起的車輛維修次數(shù)，正常情況下可以覆蓋車輛整個(gè)生命周期對(duì)繼電器壽命的需求;另外，高線圈電阻和低接觸電阻的設(shè)計(jì)，降低了繼電器正常工作時(shí)的溫升，以一款型號(hào)為FBR59ND12-Y的PCB繼電器為例，在室溫條件下搭載額定60A的負(fù)載一個(gè)小時(shí)后測(cè)試，觸點(diǎn)溫升只有42度，而在同等條件下測(cè)試傳統(tǒng)插入式繼電器溫升達(dá)到89度，觸點(diǎn)溫升方面性能非常優(yōu)異，同樣在線圈溫升和PIN針溫升方面具有同樣的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)下圖5、6、7示：

圖5　繼電器觸點(diǎn)溫升性能對(duì)比

圖6　繼電器線圈溫升性能對(duì)比

在成本方面，雖然PCB繼電器工藝要求較高，但是用料少，在實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)后，主要決定產(chǎn)品成本的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和模具費(fèi)用可以分?jǐn)傇诿恳恢划a(chǎn)品上，隨著應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用PCB繼電器方案設(shè)計(jì)的整車控制器批產(chǎn)數(shù)量越來(lái)越多，價(jià)格可以維持傳統(tǒng)插入式繼電器的水平，甚至更低；而PCB繼電器自動(dòng)化的組裝工藝減少了相應(yīng)的組裝成本，對(duì)降低主機(jī)廠的成本有一定幫助。

圖7　繼電器PIN針溫升性能對(duì)比

4、PCB繼電器在汽車上的實(shí)際應(yīng)用

得益于PCB繼電器的快速發(fā)展，以及在體積小、輕量化、溫升低和成本方面的優(yōu)勢(shì)，PCB繼電器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于室內(nèi)電器盒總成和車身控制器（BCM)等汽車核心控制器上，體積小溫升低可以使控制器內(nèi)部集成更多的PCB繼電器，不用擔(dān)心控制器體積增大及散熱困難，有效解決了整車的繼電器布置問(wèn)題，繼電器盒系統(tǒng)重量也有所降低。

對(duì)一款采用了PCB繼電器方案的小型SUV車型繼電器盒進(jìn)行解析，室內(nèi)繼電器盒內(nèi)部見(jiàn)下圖8示：

圖8　PCB繼電器盒內(nèi)部示例

該繼電器盒內(nèi)部集成了8只某繼電器行業(yè)巨頭提供的PCB繼電器，其中有7只MICRO繼電器和1只MINI 繼電器，繼電器與PCB電路板之間用焊接工藝組裝，全部集成在繼電器盒內(nèi)部，無(wú)需使用傳統(tǒng)的插入式繼電器，性價(jià)比很高。其控制的負(fù)載主要為燈光和電機(jī)類感性負(fù)載，也有功率高達(dá)198W的后除霜大功率類型的阻性負(fù)載，與其他同級(jí)別車型采用的插入式繼電器類型基本一致，額定負(fù)載30A的PCB MICRO繼電器已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的插入式MICRO繼電器的使用，額定負(fù)載40A的PCB MINI繼電器已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的插入式MINI繼電器的使用。

對(duì)另一款轎車的車身控制器(BCM)進(jìn)行硬件和功能解析，該控制器同樣采用了PCB繼電器方案，硬件信息顯示該零部件內(nèi)部可以集成8只PCB繼電器，該件實(shí)際集成了5只繼電器，其中有兩對(duì)雙胞PCB繼電器和一只單胞PCB繼電器，車身控制器內(nèi)部見(jiàn)下圖9示例：

圖9　車身控制器內(nèi)部示例

該車身控制器的繼電器設(shè)計(jì)方案和上述的繼電器盒方案比較類似，其控制的負(fù)載主要電機(jī)類感性負(fù)載，但是無(wú)阻性負(fù)載，一對(duì)雙胞的PCB MICRO繼電器代替了兩只傳統(tǒng)的五腳MICRO繼電器的使用。

5、PCB繼電器目前存在的問(wèn)題

PCB繼電器已經(jīng)在汽車電器盒及控制器上應(yīng)用非常廣泛，因其體積小，成本具有優(yōu)勢(shì)，在部分功能領(lǐng)域已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的插入式繼電器，但是目前PCB繼電器在以下方面也存在問(wèn)題，距離全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)的插入式繼電器還有一定的路要走。

PCB繼電器目前發(fā)展主要集中在幾大繼電器巨頭，如美國(guó)泰科電子、日本松下電子、中國(guó)宏發(fā)電聲、歐姆龍等，其他廠家在PCB領(lǐng)域發(fā)展較慢或者是市場(chǎng)占有率較低，整個(gè)PCB繼電器行業(yè)目前沒(méi)有形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，部分廠家開(kāi)發(fā)PCB繼電器的標(biāo)準(zhǔn)是參考傳統(tǒng)的插入式繼電器形成的，幾大巨頭件技術(shù)壁壘森嚴(yán)，發(fā)展較慢的廠家PCB繼電器性能、工藝水平參差不齊，產(chǎn)品一致性和可靠性無(wú)法滿足汽車控制器需求，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求不利于整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展。

另外PCB繼電器和傳統(tǒng)的插入式繼電器相比，維修維護(hù)方便性較差。PCB繼電器集成在整車控制器中，在車輛下線后功能故障排查時(shí)，無(wú)法通過(guò)更換繼電器完成確認(rèn)，需要更換整套控制器，如果確認(rèn)內(nèi)部繼電器故障，需要更換整個(gè)控制器完成，與傳統(tǒng)插入式繼電器直接更換繼電器排除故障相比，整車維修成本大幅上升。這就對(duì)PCB繼電器的可靠性及壽命提出了更高要求，在車輛整個(gè)生命周期中需要保持良好的通斷狀態(tài)。

6、小結(jié)

因?yàn)閭鹘y(tǒng)插入式繼電器在體積成本重量方面的缺點(diǎn)，PCB繼電器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在溫升及過(guò)電流方面已經(jīng)超越了普通的插入式繼電器，在部分領(lǐng)域已經(jīng)代替了插入式繼電器的使用，性能可靠性方面可以滿足汽車控制器使用需求。但是由于行業(yè)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以及在售后維護(hù)方面存在的缺點(diǎn)，PCB繼電器的發(fā)展還需要進(jìn)一步加快，直至完全取代傳統(tǒng)插入式繼電器。

[1] Robert Bosch GmbH. 汽車電氣與電子[M]. 魏春源,等, 譯. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2004.

[2] 錢(qián)菊根. 國(guó)內(nèi)外汽車電器發(fā)展趨勢(shì)[J]. 江蘇電器.2008(7): 1 ～2.

[3] 王楠.汽車?yán)^電器作用.信息與通訊，2008.

[4] 吳基安.汽車電子技術(shù).人民郵電出版社.1999,11.

The Application analysis for PCB Relay in Vehicle

Yu Shiyun
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601)

Relay is an essential part of vehicle, owing to the pressure of vehicle degression, PCB relay is used more and more extensively and also indispensable important part of the automobile. The major of this paper analyses the growing trend and relative merits for the vehicle PCB relay, also provides experience for the other models in relay project.

PCB relay; vehicle; Plug-in relay; Temperature rise

∶U463.6 助

∶A

∶1671-7988(2016)09-179-04

余世運(yùn)（1990-），就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，從事汽車電器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。