【摘" 要】文章首先闡述繼電器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以商用車24V整車電環(huán)境控制回路繼電器為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，總結(jié)不同負(fù)載對(duì)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(jì)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(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：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(dān)著重要作用。隨著汽車電氣化、智能化程度越來(lái)越高，對(duì)繼電器控制回路可靠性要求也越來(lái)越高，特別是涉及到整車起動(dòng)、運(yùn)行安全回路的控制可靠性，是商用車運(yùn)營(yíng)商最為關(guān)注的要點(diǎn)。國(guó)內(nèi)商用車設(shè)計(jì)者對(duì)繼電器控制回路的可靠性研究不多，缺少對(duì)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?yán)^電器控制回路可靠性開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(dān)4種功能：①放大，用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路；②擴(kuò)大控制范圍，例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時(shí)換接、開(kāi)斷、接通多路電路；③綜合信號(hào)，例如，當(dāng)多個(gè)控制信號(hào)按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時(shí)，經(jīng)過(guò)比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果；④自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)，例如，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

繼電器從結(jié)構(gòu)構(gòu)成分類可以分成兩類：觸點(diǎn)繼電器和電子繼電器。其中，觸點(diǎn)繼電器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的原因，還具備一個(gè)特性功能：實(shí)現(xiàn)線路的隔離。例如線圈輸入回路（直流24V）與觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)回路（交流220V）不同的電壓在繼電器內(nèi)實(shí)現(xiàn)物理隔離。

電子繼電器因?yàn)殡娮与姎獾奶攸c(diǎn)，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(diǎn)繼電器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其原理簡(jiǎn)要說(shuō)明為：通過(guò)線圈的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，拉動(dòng)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)簧的動(dòng)觸點(diǎn)從常閉靜觸點(diǎn)移開(kāi)，實(shí)現(xiàn)常閉回路斷開(kāi)；銜鐵繼續(xù)移動(dòng)到位置，動(dòng)觸點(diǎn)與常開(kāi)靜觸點(diǎn)接觸，實(shí)現(xiàn)常開(kāi)回路閉合。這是觸點(diǎn)繼電器的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成，實(shí)際上根據(jù)繼電器線圈電流特性和觸點(diǎn)負(fù)載特性，一般會(huì)在線圈端和觸點(diǎn)端增加電容、電阻、二極管來(lái)做特性改善。

1.3" 繼電器的基本特性

1.3.1" 觸點(diǎn)繼電器線圈的電流特性、觸點(diǎn)吸合電壓特性

繼電器線圈是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電感，在通電過(guò)程中電流上升過(guò)程出現(xiàn)短谷底波折，是因?yàn)殂曡F運(yùn)動(dòng)改變線圈磁場(chǎng)，反作用于線圈電流造成電流跌落。隨著銜鐵運(yùn)動(dòng)停止，改變磁場(chǎng)反作用效應(yīng)停止，電流勻速升至平衡點(diǎn)。需要注意的是，由于動(dòng)簧片在銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，特別是動(dòng)觸點(diǎn)與常開(kāi)靜觸點(diǎn)閉合的彈跳顫動(dòng)的原因，觸點(diǎn)電壓的切換出現(xiàn)毫秒級(jí)的瞬斷波形。這種觸點(diǎn)彈跳現(xiàn)象會(huì)造成兩個(gè)后果：一是產(chǎn)生觸點(diǎn)電弧燒蝕，造成繼電器觸點(diǎn)壽命縮短；二是造成輸出波形雜波，對(duì)波形型號(hào)要求比較高的控制信號(hào)采樣信號(hào)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(hào)的重要依據(jù)之一。圖2為觸點(diǎn)電流的理論特性曲線和實(shí)測(cè)特性曲線，顯示為基本相同。

1.3.2" 觸點(diǎn)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(shí)，線圈作為電感元器件儲(chǔ)存的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成反向電動(dòng)勢(shì)，通常這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)瞬間電壓可達(dá)上千伏（與線圈驅(qū)動(dòng)電壓、電流、電感有關(guān)）。這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)返回線圈電路，會(huì)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(duì)某型號(hào)繼電器（24V、20A）在沒(méi)有加抑制措施和增加電阻、二極管抑制的效果。從表1測(cè)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(jí)電阻并不能完全消除反向沖擊電壓，且并聯(lián)電阻會(huì)發(fā)熱，所以不適宜采用小電阻降低反向電動(dòng)勢(shì)。而采用并聯(lián)二極管的方式，能完全消除反向電動(dòng)勢(shì)，對(duì)外部電路能做到完全沒(méi)有沖擊，并且在繼電器工作時(shí)，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(dòng)繼電器線圈時(shí)，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(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)設(shè)計(jì)有續(xù)流二極管，此時(shí)繼電器線圈可以不增加任何保護(hù)。當(dāng)控制器端無(wú)續(xù)流電路設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮在繼電器線圈端并聯(lián)續(xù)流二極管。

1.3.3" 觸點(diǎn)繼電器線圈的溫度特性

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

線圈的動(dòng)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(huì)提升。

現(xiàn)階段商用車?yán)^電器漆包線的耐溫等級(jí)一般都在180℃。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，考慮到電阻法所測(cè)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(fù)載條件下的測(cè)量，線圈的溫升控制在170℃以下為宜。

1.3.4" 觸點(diǎn)繼電器觸點(diǎn)間隙特性

觸點(diǎn)間隙決定繼電器的斷開(kāi)能力，同種類型負(fù)載下，負(fù)載增加，觸點(diǎn)間隙也要隨之增加。不同的負(fù)載種類，對(duì)觸點(diǎn)間隙的要求也不一樣。表2列舉了某繼電器的觸點(diǎn)最小間隙的控制值，設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)間隙可以設(shè)計(jì)成1.4mm。

通過(guò)觸點(diǎn)外部電路保護(hù)，可以使最小觸點(diǎn)間隙減小。常用的保護(hù)方式是針對(duì)電機(jī)/電感類型負(fù)載，在觸點(diǎn)端并聯(lián)電容。通過(guò)并聯(lián)電容，電容能吸收電機(jī)/電感負(fù)載斷開(kāi)時(shí)形成的反向電動(dòng)勢(shì)，也可以通過(guò)并聯(lián)反向穩(wěn)壓二極管，工作原理是一樣的。繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)電容電路如圖6所示。

1.4" 觸點(diǎn)繼電器觸點(diǎn)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(diǎn)和沸點(diǎn)，具備一定的抗熔焊和耐磨性能，并且能夠適應(yīng)較大的浪涌電流，在燈光負(fù)載和電阻負(fù)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(jī)負(fù)載和電感負(fù)載情形下會(huì)用到。

1.5" 觸點(diǎn)繼電器觸點(diǎn)電阻

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

觸點(diǎn)繼電器觸點(diǎn)電阻計(jì)算公式為：

Rnj=+（1）

式中：Rnj——觸點(diǎn)繼電器觸點(diǎn)電阻；ρ——觸點(diǎn)材料電阻率；σ——膜的隧道電阻率；ap——導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑平均值；n——觸點(diǎn)個(gè)數(shù)。

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

可以看到，觸點(diǎn)間接觸電阻不可能為0。當(dāng)觸點(diǎn)負(fù)載電流為小電流（1A以下）或者負(fù)載有高反向電壓時(shí)，從帶電常通到斷開(kāi)的瞬間，觸點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧會(huì)將觸點(diǎn)周圍的有機(jī)氣體碳化，在觸點(diǎn)上形成積碳。如果觸點(diǎn)導(dǎo)通產(chǎn)生的熱量不能將觸點(diǎn)表面的積碳燒蝕消耗，積碳堆積就會(huì)形成假導(dǎo)通現(xiàn)象，即觸點(diǎn)接觸，電路不導(dǎo)通。所以，觸點(diǎn)電流小于1A的電路不能采用觸點(diǎn)繼電器，會(huì)有一定概率的假導(dǎo)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(hù)電路，吸收限制干擾及脈沖信號(hào)。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(dòng)電路，高邊功率開(kāi)關(guān)BTS6143D構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路，負(fù)責(zé)接通斷開(kāi)負(fù)載。大功率TVS D3對(duì)電源端的干擾耐沖信號(hào)進(jìn)行抑制。BTS6143D輸出4腳是預(yù)留的電流監(jiān)控信息輸出端?？刂菩盘?hào)輸入后，如果大于起始電壓Ug，三極管Q1導(dǎo)通飽和，U1第2腳電平被拉低，1、5腳與3腳導(dǎo)通，負(fù)載得電開(kāi)始工作；控制信號(hào)斷開(kāi)后Q1截止，U1第2腳電平恢復(fù)為高電平，內(nèi)部MOS管斷開(kāi)，負(fù)載無(wú)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(diǎn)彈跳帶來(lái)的雜波信號(hào)，在整車電路設(shè)計(jì)中采用不多。

2" 車載電器負(fù)載分類及電壓電流特性分析

商用車?yán)^電器觸點(diǎn)端主要是用電負(fù)載，負(fù)載分為電機(jī)負(fù)載（雨刮電機(jī)）、燈泡負(fù)載（遠(yuǎn)近光）、電感負(fù)載（起動(dòng)機(jī)繼電器線圈）、電阻負(fù)載（控制器電源）、小電流負(fù)載（控制器信號(hào)）、電容負(fù)載（此類負(fù)載一般不與繼電器匹配，本文不做說(shuō)明）。不同的負(fù)載呈現(xiàn)不同的負(fù)載通斷特性，對(duì)繼電器要求也不一樣。

2.1" 電流小于1A的負(fù)載

商用車電流小于1A的負(fù)載，無(wú)論是阻性負(fù)載、感性負(fù)載還是燈泡負(fù)載，觸點(diǎn)繼電器都不能保證可靠導(dǎo)通。基于此，建議采用電子繼電器進(jìn)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(jìn)行保護(hù)、抑制、防浪涌措施。

2.2" 阻性負(fù)載

阻性負(fù)載電壓電流特性如圖9所示。阻性負(fù)載觸點(diǎn)端電流和外部電壓值呈現(xiàn)正比關(guān)系，在吸合和斷開(kāi)的瞬間，電路電流和電壓無(wú)異常波動(dòng)值。由歐姆定律可知，電壓和電流的比值，即為整個(gè)回路的總電阻。繼電器觸點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)此類負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)不需要設(shè)計(jì)額外的保護(hù)電路。需要注意匹配的負(fù)載不大于繼電器允許的額定負(fù)載。

2.3" 燈泡負(fù)載

燈泡負(fù)載電壓電流特性如圖10所示。燈泡負(fù)載在剛接通的時(shí)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?yàn)檫@個(gè)原因，觸點(diǎn)接通時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力大于線圈吸合電磁力，產(chǎn)生觸點(diǎn)彈跳的幾率和特征表現(xiàn)比其他負(fù)載更為明顯，觸點(diǎn)燒蝕的概率明顯增加。設(shè)計(jì)匹配的繼電器時(shí)要比燈泡負(fù)載回路的額定電流增加一倍。

實(shí)測(cè)燈泡負(fù)載電壓特性，采用額定20A、觸點(diǎn)無(wú)電路保護(hù)、負(fù)載21W（24V）的燈泡，如圖11所示，繼電器接通時(shí)的觸點(diǎn)發(fā)生了2次彈跳。所以，在設(shè)計(jì)匹配的繼電器時(shí)要比燈泡負(fù)載回路的額定電流增加一倍，同時(shí)觸點(diǎn)的壽命設(shè)計(jì)要做適當(dāng)增加。

2.4" 電感負(fù)載

電感負(fù)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，理論上，其大小與外部回路電阻成正比。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)衰減為0，衰減時(shí)間與電阻成反比，與電感值成正比，電感負(fù)載對(duì)觸點(diǎn)的危害主要是斷電時(shí)的反向電動(dòng)勢(shì)。

2.5" 電機(jī)負(fù)載

電機(jī)負(fù)載電壓電流特性如圖13所示。電機(jī)負(fù)載在接通時(shí)，由于電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)速，沒(méi)有產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，而電機(jī)電樞電阻值很小，所以接通時(shí)電流值會(huì)偏大。而電樞又是一個(gè)電感，在電機(jī)斷電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，電樞電感會(huì)對(duì)電機(jī)接通時(shí)的電流尖峰有一定的抑制作用。電機(jī)負(fù)載在接通時(shí)的尖峰電流和斷開(kāi)時(shí)的反向電動(dòng)勢(shì)都會(huì)對(duì)繼電器觸點(diǎn)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(jì)通斷回路時(shí)，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(duì)反向電動(dòng)勢(shì)的要求，選用適當(dāng)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(huì)對(duì)繼電器線圈的吸合、釋放時(shí)間提出要求。

3.2" 觸點(diǎn)回路

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

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

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

4）觸點(diǎn)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(dòng)性能、耐沖擊性能等。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文以商用車?yán)^電器為研究對(duì)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(fù)載特性對(duì)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）