汽车控制继电器.docx

汽车控制继电器特点；小电流控制大电流德国BOSCH低压电器（2007NM5）42V 汽车继电器触点电弧特性李震彪男,教授,博士,研究方向为电器、电接触电弧及材料华中黄 良男,硕士,方向为电器及其寿命检测评估. 华中 吴细秀女,副教授,电器及其自动化 魏梅芳 华中（1. 华中科技大学,湖北武汉 430074; 2.武汉理工大学,湖北武汉 430070）摘 要：42V电源是未来新一代汽车电器更新换代面临的重大选择采用42V大电压后，车用电磁继电器的各参数性能，如 燃弧时间、熄弧间隙、闭合弹跳、触点侵蚀及熔焊倾向将发生重大变化简要对比了42V和14V车用电源情况下在上述 参数性能上的区别该项研究对提高汽车用电设备总功率有着重要意义关键词： 电磁继电器; 电弧; 触点0引言汽车电气系统承受的极限电流一般为200A，超过该值，导线将变得过分粗大笨重而难以安置，因此，对于14V的电源系统最多 只能提供3kW的功率［1］随着汽车乘坐舒适性和安全性要求的不断提高，电气设备将不断增加未来10年内，汽车用电设 备的总功率将达到7kW以上,传统的14V电源系统将难以满足不断增长的电能需求选择42V作为新的电源电压是目前 国际汽车电器界的共识。

42V 电压等级下汽车继电器若保持现有结构将面临着燃弧时间长、触点开距大等许多新的技术 问题目前，国内对电压提高后继电器的各项技术指标如何变化、如何更新和具体设计研究报道较少;法国、日本等国外学 者和企业研发人员已对此做了不少实验研究工作本文对此进行简要分析1 42V 时的燃弧时间1. 1 分断燃弧时间 分断燃弧时间直接影响着触点材料的侵蚀量大小、表面凹凸状况，进而影响着材料的分断电流能力和接触温升若燃弧时 间较长，一则可能对电路系统的实时控制造成延迟;二则会使触点表面较早劣化，降低继电器寿命实验表明,继电器触点系统的分断燃弧时间在42V下与14V相比提高了一个数量级图1是在相同的电流下，银触点在阻 性负载下的燃弧时间实验结果［2］可以看出，10A时14V的燃弧时间约60p s,而42V时约4ms,后者是前者60多倍呈二-=*■话觀M ,57法诵］（r' ］o（l to1 w2图 1 燃弧时间与电流的关系(J 0.05 0.10 U I 2 3图 2 银触点电弧电压、电流和功率特性（分断速度20cm/s , A、B对应14 V, C、D对应42V;A、C对应阻性负载,B、D应感性负载）图2是在保持电源功率420W相等的前提下,14V/30A和42V/10A分别在阻性与感性负载下的燃弧时间［3］。

图2（A、C）表 明,阻性负载下14V/30A的燃弧时间约0. 1ms, 42V/10A约4ms,后者是前者40倍感性负载下（见图2B、D）,14V的燃弧 时间约2. 4ms,42V下约9. 6ms,后者是前者4倍另外，在电源功率420W相等的条件下，由于最初电流不同，感性负载下 14V/30A的最大电弧功率是42V/10A的2倍，且电弧功率最大值发生在感性负载电弧的初始阶段目前，电源电压对燃弧时 间的影响多为某些具体条件下的实验测试结果,关于电源电压为何影响触点的燃弧时间及其影响的定量规律,很少见到报 道（即很少有人从电弧放电的基本物理过程讨论电压对燃弧时间的定量影响）电压对燃弧时间的定量影响研究涉及到阴极 电子学、等离子体、气体放电及金属材料等多个学科，难度较大文献［4］在分断速度v=1. 0cm/ s、电源电压30~54V、电 路电阻5. 0Q的情况下,测量得到如图3所示的实验结果及其燃弧时间拟合公式：式中:t为燃弧时间;C为与触点材料有关的常数;v为分断速度;UE为电源电压;I为分断电流;Um为最小电弧电压;It为熄 弧电流不同材料的It如表1所示皿 农I不同材料的熄弧电流实验值Ag,k=l.DcLn/s -rt0 1 20 V) 40 50 60电源电压/V山=(O.0O]67h-i | SEA伽50E12-一.言套30「一/ALIc0322 07L.586■L. 75851 77图3试验与计算出的燃弧时间1. 2 闭合燃弧时间相对于分断燃弧时间，闭合燃弧时间较小，但它产生的热效应直接影响着触点的熔焊倾向， 故闭合电弧及其时间同样是影响 继电器工作可靠性的关键因素之一。

尽量降低闭合燃弧时间是提高继电器抗熔焊能力的重要途径实验表明［5， 6］ 对于银 触点， 14V/30A 下弹跳燃弧时间小于弹跳时间的 20% ，(见图 4) 而 42V/30A 下弹跳燃弧时间等于弹跳时间 100%(见图 5),42V下弹跳燃弧时间的大幅增长必然导致侵蚀和触点熔焊概率的增加图4闭合时的触点弹跳(14V/30A) 图5闭合时的触点弹跳(42V/30A)2弹跳图6、7表明［7］ 14V/21A比42V/8.4A有更少的弹跳次数原因可能是，当电流大时容易使触点材料软化，减小了材料的弹 性模量和碰撞反弹能量,即一般情况下闭合弹跳次数主要是受电流大小而非电压大小的影响目前,关于电压变化对触点弹 跳情况的试验比较研究仍然比较薄弱，仍需要从试验和理论上做更深入的分析对比， 以了解电压升高对触点闭合过程、触 点弹跳及其电弧的影响规律 : 心一记9-0 20 40 60 朋 1OQ捺作次敕*10/次° 20 40 60 HO 100悭惟次数就⑴一“狀图6 14 V /21A时触点弹跳与操作次数的关系 图7 42V/8. 4A时触点弹跳与操作次数的关系3 触点熄弧间距; 小型化、大容量是继电器的必然发展趋势，故较小的触点开距是实现继电器小型化目标的基本要求之一。

图8为在14VDC阻性负载下多种材料的熄弧间距，在100A下仍v120“m［7］图9、10表明［3］，银在42V和阻性负载 下熄弧间隙约2mm;AgSnO2在42V/40A下，感性负载时的熄弧间隙达8mm,阻性负载时达4mm,此值太大这一方面说明AgSnO2不适用于42V中，要研发新的触点材料;另一方面说明在42V系统中单断点触点熄弧存在困难，应米用桥式双断点 取而代之图 8 14V 阻性负载下燃弧时间及熄弧间隙* i [).2Li+0.97 t ZJGio /=0J I vj-O.OHiiO.4?KI图 9 银触点的燃弧时间及熄弧间隙i STS阴 川EUzrtt/A图 10 42V 下的燃弧时间及熄弧间隙ffirtiil /-»- 1 H十丨十1十| > >> > A >\\IILJE阻.a115I 1 MOft D o O5 5 O「曙性2iU—3(OAz i-)Ag ( + )AgZnO( + }AgSnO： 〔一盼餡lid(b) 42 VP /30 化间隙目=1- F mm图12触点材料阴极、阳极的侵蚀量4触点侵蚀与材料转移图11为14V/30A阻性、灯、感性负载下的触点分断侵蚀实验结果9］。

AgSnO2阻性负载下的侵蚀量很小，约10ng/次图12为42V/10A和30A阻性负载下的侵蚀结果［3］AgSnO2阳极侵蚀量分别约35p g/次和150|J g/次上述结果说明，当功率相同时,42V/10A下的侵蚀量是14V/30A的3倍以上;当保持电流相同时,42V/30A下的侵蚀量是14V/30A的15倍以上因此，电压比电流对触点侵蚀的影响更加显著图 11 触点侵蚀变化(30A，20cm/s)l—AgSnO2 (a ) OmH 42 V DC/10A 间隙 g = 0. 5 mm2—AgCdO 3—AgNi 4—AgCu 5—Ag5结语为满足未来汽车电器日益增长的电能需要，采用42V电源电压是新一代汽车电器的必然选择采用42V后,若用目 前的电器结构和材料，则电磁继电器的燃弧时间增长、熄弧间隙增大、触点侵蚀加重因此，研究新的继电器结构和接触材 料是42V汽车继电器研发中应当重视的关键技术关键问题；电力电子器件和电磁式继电器触头之间的时序配合，使电力电子器件工作时间短、发热小无弧通断)2005年松下电工3款支持42V电源系统的继电器产品的额定电流分别为10A、30A、100A对于支持42V电压中存在 的电弧问题，该公司分别采用了如下对策：在10A的产品中采用了双重触点，在30A的产品中采用了磁铁，在100A的 产品中采用了双重触点和磁铁。

双重触点就是使可移动方的二个触点同时接触或离开固定方的二个触点由于触点同时 在 2 个位置开关，因此与普通的单触点方式相比触点的间隙加倍因此能够在瞬间增加触点间隙，这便可以起到切断电 弧的作用另外，使用磁铁的方式为使用磁力弯曲电弧的路线，通过延长电弧路线而使其消失Taiko Device公司推出TF系列42V继电器，其大小为12.9x18.5x16mm，该器件采用双闭合设计，电弧抑制功能强， 可用于汽车电动窗、门锁及间歇挡风玻璃擦等产品电流为7A时，两种继电器的电气寿命均为100,000次在1070r的条件下，LaFe025Ni075O3陶瓷与银之间加入2mg的WO3时陶瓷与银的浸润角为80加MoO3浸润角为 54°，而添加 CuO 浸润角只有 35°模拟电寿命条件：24VDC18A 阳极mg阴极mg总变化mgAg(LaFe0.25Ni0.75O3)10％ -0.337 -0.401 -0.068Ag(LaFe0.25Ni0.75O3)10％+CuO0.5％ -0.439 -0.50 -0.061菱型钙钛矿结构LaNiO3陶瓷室温下具有较高的电导率而同为LaFeO3陶瓷，却是一种绝缘体。

LaFexNR XO3系氧化1-X 3物属于类金属导电陶瓷，电阻率较低，具有较好的接触性能和催化性能o LaAXFe0.25-XNi0.75O3(A=^，Wo X=0,0.05)材 料制备：La2O3、NiO3、Fe2O3、WO3、MoO3按化学量比混合一行星球磨2h—干燥一造粒一压型一1400°C烧结3hAgSnO2触头材料性能特点及应用材料及工艺性能特点及应用主要供货形式AgSnO2(10)A1C1 - ASE氧化物颗粒较细，材料强度、硬度较高，加工性、抗熔焊性及耐磨损性等综合性能良好， 适用于中小电流继电器线、钉AgSnO2(10)C1E2 - ASEAgSnO2(12)A1C1 - ASE氧化物颗粒较细，材料强度、硬度较高，加工性、抗熔焊性及耐磨损性等综合性能良好， 适用于中大电流继电器线、片、钉AgSnO2(12)C1E2 - ASEAgSnO2(14.5)C1E2 - ASE氧化物颗粒较细，材料强度、硬度高，抗电流冲击及抗材料转移性能优异，适用于大电 流继电器和汽车继电器线、钉AgSnO2(10)C1 - MSE氧化物颗粒较粗，材料强度、硬度较低，加工性能优异，适用于中小电流继电器和小功 率接触器线、钉AgSnO2(12)C1 - MSE氧化物颗粒较粗，材料强度、硬度较低，加工性能良好，适用于中小电流继电器和中小 功率接触器线、片、钉AgSnO2(12)A2C1 - MSE氧化物颗粒较粗，材料强度、硬度较低，加工性能良好，适用于中大电流继电器和中等 功率接触器线、片、钉AgSnO2(12)G1 - MSE片AgSnO2(12)A1K1 - MSE氧化物颗粒较粗，材料强度、硬。