基于商用車24V整車電環(huán)境控制回路繼電器選型研究

【摘" 要】文章首先闡述繼電器的結(jié)構(gòu)特點，并以商用車24V整車電環(huán)境控制回路繼電器為研究對象，通過試驗對比，總結(jié)不同負載對繼電器的影響，提出商用車24V電環(huán)境選用控制繼電器的選型規(guī)范，為設(shè)計商用車整車電路提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】商用車；繼電器；膜電阻；選用規(guī)則

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0047-04

Research on Selection of Relay for 24V Vehicle Electrical Environment Control Circuit

in Commercial Vehicles

ZHAO Wu，ZHOU Wei，YAN Da，QU Erlong

（Dongfeng CVTC，Wuhan 430056，China）

【Abstract】The article first elaborates on the structural characteristics of relays，and takes the 24V vehicle electrical environment control circuit relay of commercial vehicles as the research object. Through experimental comparison，the influence of different loads on relays is summarized，and a selection specification for control relays in the 24V electrical environment of commercial vehicles is proposed，providing a theoretical basis for designing the entire vehicle circuit of commercial vehicles.

【Key words】commercial vehicles；relay；membrane resistance；selection rules

繼電器作為汽車必不可少的零部件，在汽車控制回路中承擔著重要作用。隨著汽車電氣化、智能化程度越來越高，對繼電器控制回路可靠性要求也越來越高，特別是涉及到整車起動、運行安全回路的控制可靠性，是商用車運營商最為關(guān)注的要點。國內(nèi)商用車設(shè)計者對繼電器控制回路的可靠性研究不多，缺少對繼電器的選型匹配技術(shù)的研究。本文主要研究商用車24V整車電環(huán)境控制回路繼電器的選型匹配技術(shù)，為商用車繼電器控制回路可靠性開發(fā)設(shè)計提出理論參考。

1" 基本概況

1.1" 繼電器功能介紹

繼電器在整車電路中基本承擔4種功能：①放大，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路；②擴大控制范圍，例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路；③綜合信號，例如，當多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達到預定的控制效果；④自動、遙控、監(jiān)測，例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運行。

繼電器從結(jié)構(gòu)構(gòu)成分類可以分成兩類：觸點繼電器和電子繼電器。其中，觸點繼電器因為結(jié)構(gòu)的原因，還具備一個特性功能：實現(xiàn)線路的隔離。例如線圈輸入回路（直流24V）與觸點驅(qū)動回路（交流220V）不同的電壓在繼電器內(nèi)實現(xiàn)物理隔離。

電子繼電器因為電子電氣的特點，可以具備微電流的電路邏輯轉(zhuǎn)換功能。

1.2" 基本結(jié)構(gòu)

觸點繼電器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其原理簡要說明為：通過線圈的電流產(chǎn)生磁場，拉動銜鐵向下運動；運動過程中動簧的動觸點從常閉靜觸點移開，實現(xiàn)常閉回路斷開；銜鐵繼續(xù)移動到位置，動觸點與常開靜觸點接觸，實現(xiàn)常開回路閉合。這是觸點繼電器的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成，實際上根據(jù)繼電器線圈電流特性和觸點負載特性，一般會在線圈端和觸點端增加電容、電阻、二極管來做特性改善。

1.3" 繼電器的基本特性

1.3.1" 觸點繼電器線圈的電流特性、觸點吸合電壓特性

繼電器線圈是一個標準的電感，在通電過程中電流上升過程出現(xiàn)短谷底波折，是因為銜鐵運動改變線圈磁場，反作用于線圈電流造成電流跌落。隨著銜鐵運動停止，改變磁場反作用效應停止，電流勻速升至平衡點。需要注意的是，由于動簧片在銜鐵運動過程中，特別是動觸點與常開靜觸點閉合的彈跳顫動的原因，觸點電壓的切換出現(xiàn)毫秒級的瞬斷波形。這種觸點彈跳現(xiàn)象會造成兩個后果：一是產(chǎn)生觸點電弧燒蝕，造成繼電器觸點壽命縮短；二是造成輸出波形雜波，對波形型號要求比較高的控制信號采樣信號造成干擾，出現(xiàn)誤判。這是基于電路控制特性選用繼電器型號的重要依據(jù)之一。圖2為觸點電流的理論特性曲線和實測特性曲線，顯示為基本相同。

1.3.2" 觸點繼電器線圈的釋放電壓特性

在繼電器線圈由穩(wěn)定通電狀態(tài)切換為不通電狀態(tài)時，線圈作為電感元器件儲存的能量會轉(zhuǎn)化成反向電動勢，通常這個反向電動勢瞬間電壓可達上千伏（與線圈驅(qū)動電壓、電流、電感有關(guān)）。這個反向電動勢返回線圈電路，會造成電路的其他器件的損壞。常用在線圈端的抑制措施有并聯(lián)續(xù)流電阻和并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖3、圖4所示的兩種方式。

表1是針對某型號繼電器（24V、20A）在沒有加抑制措施和增加電阻、二極管抑制的效果。從表1測試結(jié)果看出，并聯(lián)電阻能降低外部沖擊電壓，采用千歐級電阻并不能完全消除反向沖擊電壓，且并聯(lián)電阻會發(fā)熱，所以不適宜采用小電阻降低反向電動勢。而采用并聯(lián)二極管的方式，能完全消除反向電動勢，對外部電路能做到完全沒有沖擊，并且在繼電器工作時，二極管本身不發(fā)熱。但是，由于二極管本身存在極性，在生產(chǎn)上需要控制二極管不能接反，并且外部線路也不能接反。

在采用控制器驅(qū)動繼電器線圈時，需要注意線圈的電感特性，需要注意控制本身的斷電流和耐沖擊能力。部分控制器在內(nèi)部驅(qū)動電路設(shè)計時，已經(jīng)設(shè)計有續(xù)流二極管，此時繼電器線圈可以不增加任何保護。當控制器端無續(xù)流電路設(shè)計時，需考慮在繼電器線圈端并聯(lián)續(xù)流二極管。

1.3.3" 觸點繼電器線圈的溫度特性

繼電器線圈通電后，其動作電壓隨溫度變化有提升，一般可以借用圖5所示曲線進行甄選。

線圈的動作電壓與線圈的溫度密切相關(guān)；連續(xù)通電以后，線圈內(nèi)部溫度升高，吸合電壓會提升。

現(xiàn)階段商用車繼電器漆包線的耐溫等級一般都在180℃。試驗測量時，考慮到電阻法所測的線圈溫升是平均值，安全的使用策略是在不同使用環(huán)境、不同負載條件下的測量，線圈的溫升控制在170℃以下為宜。

1.3.4" 觸點繼電器觸點間隙特性

觸點間隙決定繼電器的斷開能力，同種類型負載下，負載增加，觸點間隙也要隨之增加。不同的負載種類，對觸點間隙的要求也不一樣。表2列舉了某繼電器的觸點最小間隙的控制值，設(shè)計時可以選用向上兼容的方式。特殊工況要求下，部分特殊繼電器觸點間隙可以設(shè)計成1.4mm。

通過觸點外部電路保護，可以使最小觸點間隙減小。常用的保護方式是針對電機/電感類型負載，在觸點端并聯(lián)電容。通過并聯(lián)電容，電容能吸收電機/電感負載斷開時形成的反向電動勢，也可以通過并聯(lián)反向穩(wěn)壓二極管，工作原理是一樣的。繼電器觸點并聯(lián)電容電路如圖6所示。

1.4" 觸點繼電器觸點表面材料

繼電器表面鍍層一般選用銀氧化錫（AgSnO2）或銀氧化錫氧化銦（AgSnO2In2O3）。銀氧化錫具有較高的熔點和沸點，具備一定的抗熔焊和耐磨性能，并且能夠適應較大的浪涌電流，在燈光負載和電阻負載情況下經(jīng)常用到。銀氧化錫氧化銦在抗熔焊和硬度方面較銀氧化錫有一定的提升，在電機負載和電感負載情形下會用到。

1.5" 觸點繼電器觸點電阻

繼電器觸點之間的接觸電阻由動觸點的收縮電阻（Rj）、膜電阻（Rs1）、靜觸點收縮電阻（Rb）組成。繼電器觸點接觸面如圖7所示。

觸點繼電器觸點電阻計算公式為：

Rnj=+（1）

式中：Rnj——觸點繼電器觸點電阻；ρ——觸點材料電阻率；σ——膜的隧道電阻率；ap——導電斑點的半徑平均值；n——觸點個數(shù)。

根據(jù)公式（1）的結(jié)論：觸點壓力越大，接觸斑點數(shù)量越多，斑點直徑越大，觸點接觸電阻就越小。

可以看到，觸點間接觸電阻不可能為0。當觸點負載電流為小電流（1A以下）或者負載有高反向電壓時，從帶電常通到斷開的瞬間，觸點間會產(chǎn)生電弧。電弧會將觸點周圍的有機氣體碳化，在觸點上形成積碳。如果觸點導通產(chǎn)生的熱量不能將觸點表面的積碳燒蝕消耗，積碳堆積就會形成假導通現(xiàn)象，即觸點接觸，電路不導通。所以，觸點電流小于1A的電路不能采用觸點繼電器，會有一定概率的假導通故障發(fā)生。這種電路一般采用電子繼電器。

1.6" 高邊電子繼電器原理

高邊電子繼電器原理如圖8所示。電路采用橋式輸入，控制端可以不分極性。電阻R1、電阻R2、電容C、TVS管D1構(gòu)成輸入防護電路，吸收限制干擾及脈沖信號。穩(wěn)壓二極管D2、R3調(diào)整工作電壓，使輸入電壓在一定范圍內(nèi)（14～32V），繼電器均可以穩(wěn)定輸出。三極管Q1構(gòu)成驅(qū)動電路，高邊功率開關(guān)BTS6143D構(gòu)成開關(guān)電路，負責接通斷開負載。大功率TVS D3對電源端的干擾耐沖信號進行抑制。BTS6143D輸出4腳是預留的電流監(jiān)控信息輸出端?？刂菩盘栞斎牒?，如果大于起始電壓Ug，三極管Q1導通飽和，U1第2腳電平被拉低，1、5腳與3腳導通，負載得電開始工作；控制信號斷開后Q1截止，U1第2腳電平恢復為高電平，內(nèi)部MOS管斷開，負載無電。

基于成本考慮，商用車電子繼電器主要解決小電流的可靠通斷狀態(tài)判斷，以及克服觸點彈跳帶來的雜波信號，在整車電路設(shè)計中采用不多。

2" 車載電器負載分類及電壓電流特性分析

商用車繼電器觸點端主要是用電負載，負載分為電機負載（雨刮電機）、燈泡負載（遠近光）、電感負載（起動機繼電器線圈）、電阻負載（控制器電源）、小電流負載（控制器信號）、電容負載（此類負載一般不與繼電器匹配，本文不做說明）。不同的負載呈現(xiàn)不同的負載通斷特性，對繼電器要求也不一樣。

2.1" 電流小于1A的負載

商用車電流小于1A的負載，無論是阻性負載、感性負載還是燈泡負載，觸點繼電器都不能保證可靠導通。基于此，建議采用電子繼電器進行控制。其電壓電流特性與以下敘述特性基本相同，分別由電子繼電器采用電子電路進行保護、抑制、防浪涌措施。

2.2" 阻性負載

阻性負載電壓電流特性如圖9所示。阻性負載觸點端電流和外部電壓值呈現(xiàn)正比關(guān)系，在吸合和斷開的瞬間，電路電流和電壓無異常波動值。由歐姆定律可知，電壓和電流的比值，即為整個回路的總電阻。繼電器觸點在驅(qū)動此類負載時，觸點不需要設(shè)計額外的保護電路。需要注意匹配的負載不大于繼電器允許的額定負載。

2.3" 燈泡負載

燈泡負載電壓電流特性如圖10所示。燈泡負載在剛接通的時候，其電流值特別大，為額定電流的13～30倍，約30ms后穩(wěn)定到額定電流值。因為這個原因，觸點接通時產(chǎn)生的電動力大于線圈吸合電磁力，產(chǎn)生觸點彈跳的幾率和特征表現(xiàn)比其他負載更為明顯，觸點燒蝕的概率明顯增加。設(shè)計匹配的繼電器時要比燈泡負載回路的額定電流增加一倍。

實測燈泡負載電壓特性，采用額定20A、觸點無電路保護、負載21W（24V）的燈泡，如圖11所示，繼電器接通時的觸點發(fā)生了2次彈跳。所以，在設(shè)計匹配的繼電器時要比燈泡負載回路的額定電流增加一倍，同時觸點的壽命設(shè)計要做適當增加。

2.4" 電感負載

電感負載電壓電流特性如圖12所示。電感本身的特性是電流不能突變，所以在開關(guān)斷開時，電感本身會產(chǎn)生感應電動勢，理論上，其大小與外部回路電阻成正比。感應電動勢會在一定時間內(nèi)衰減為0，衰減時間與電阻成反比，與電感值成正比，電感負載對觸點的危害主要是斷電時的反向電動勢。

2.5" 電機負載

電機負載電壓電流特性如圖13所示。電機負載在接通時，由于電機沒有轉(zhuǎn)速，沒有產(chǎn)生自感電動勢，而電機電樞電阻值很小，所以接通時電流值會偏大。而電樞又是一個電感，在電機斷電時，會產(chǎn)生一個反向電動勢，電樞電感會對電機接通時的電流尖峰有一定的抑制作用。電機負載在接通時的尖峰電流和斷開時的反向電動勢都會對繼電器觸點產(chǎn)生危害。

3" 選用規(guī)則

基于不同繼電器特性，商用車在選用繼電器設(shè)計通斷回路時，要注意以下規(guī)則。

3.1" 線圈回路分析

線圈輸入回路的電壓電流特性包括回路電壓波峰、波谷、溫度等要求，以及回路其他電器件對反向電動勢的要求，選用適當類型。線圈端的選型要素是：額定電壓、線圈電阻、吸合電壓、釋放電壓、線圈溫升、反峰電壓以及線圈并聯(lián)電阻、二極管類型。特殊要求的回路還會對繼電器線圈的吸合、釋放時間提出要求。

3.2" 觸點回路

1）負載類型。根據(jù)阻性負載、感性負載、燈泡負載、電機負載的電壓電流特性，選用繼電器。

2）負載容量。根據(jù)容量選用繼電器，注意負載容量的選擇要考慮連續(xù)工作電流、最小工作電流、電機堵轉(zhuǎn)工況下電流。

3）觸點壽命要求次數(shù)。包含特殊工況（電機堵轉(zhuǎn)工況）壽命次數(shù)。

4）觸點電壓降要求。

3.3" 使用環(huán)境要求

其他按照繼電器安裝使用環(huán)境要求考慮選用溫/濕度、外形尺寸、耐振動性能、耐沖擊性能等。

4" 結(jié)束語

本文以商用車繼電器為研究對象，闡述了繼電器的基本結(jié)構(gòu)和電氣外特性，分析了使用電路的負載特性對繼電器的影響，歸納總結(jié)出繼電器的選用規(guī)則。采用這種選用規(guī)則，將大幅減少繼電器控制電路的故障率，提升整車的安全性和出勤率。

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（編輯" 凌" 波）