熊潔（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢　430056）

12V直插式汽車?yán)^電器應(yīng)用以及案例分析

熊潔
（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢430056）

介紹汽車?yán)^電器技術(shù)知識(shí)、應(yīng)用選型，講述汽車?yán)^電器在整車中的主要功能、控制應(yīng)用、工作原理、未來發(fā)展趨勢(shì)，通過典型案例分析了解繼電器相關(guān)故障模式以及問題處理方法，全方位掌握直插式汽車?yán)^電器技術(shù)知識(shí)。

繼電器；應(yīng)用選型；故障模式；案例分析

1　汽車?yán)^電器定義以及技術(shù)參數(shù)

1.1技術(shù)定義

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量 （激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控制量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器元件，是能反映一定輸入信號(hào) （如電流、電壓、功率、溫度、速度、頻率、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被控電路通、斷控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它實(shí)際上是用弱電流去控制大電流運(yùn)作的一種自動(dòng)開關(guān)，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)化電路等作用。

1.2工作原理

按照繼電器觸點(diǎn)形式可以將繼電器分為轉(zhuǎn)換型和開關(guān)型兩種，如圖1所示。

圖1　　繼電器原理圖

1）開關(guān)型該繼電器有4個(gè)引腳，其中2個(gè)引腳接線圈，作為輸入端即控制端，另外2個(gè)引腳接負(fù)載作為輸出端。線圈不通電時(shí)兩觸點(diǎn)是斷開的，負(fù)載回路不工作；線圈通電后線圈電壓達(dá)到吸合電壓值時(shí)，兩個(gè)觸電閉合，負(fù)載回路導(dǎo)通開始工作。

2）轉(zhuǎn)換型該繼電器共有3個(gè)觸點(diǎn)，中間是動(dòng)觸點(diǎn)，上下各有一個(gè)靜觸點(diǎn)，即NO常閉點(diǎn) （87a）和NC常開點(diǎn) （87）。線圈不通電時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)與NO靜觸點(diǎn)斷開，與NC閉合，位于常閉端負(fù)載回路導(dǎo)通工作。線圈通電后，動(dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)，使原來斷開的觸點(diǎn)閉合，原來閉合的觸點(diǎn)成為斷開狀態(tài)，切換為常開端負(fù)載工作，以達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的。

機(jī)械結(jié)構(gòu)繼電器不工作時(shí)，觸點(diǎn)位于常閉端靜止位置，如圖2a所示。當(dāng)線圈通電吸合，動(dòng)觸點(diǎn)接觸到常開觸點(diǎn)，位于常開端回路負(fù)載導(dǎo)通工作，如圖2b所示。

圖2　　機(jī)械原理圖

部分繼電器內(nèi)部線圈會(huì)并聯(lián)二極管或電阻，可以降低或者消除電路中可能出現(xiàn)的300～500V峰值的反向電動(dòng)勢(shì)，從而保護(hù)電控系統(tǒng)中的電器元件，防止出現(xiàn)功能失效［1］。

1.3產(chǎn)品分類

按照DPCA（神龍汽車有限公司）定義的容量大小分類，直插式汽車?yán)^電器分為3種：①M(fèi)icro微型繼電器；②Cubic立方體繼電器 （MINI型）；③Power功率型繼電器。選型介紹時(shí)會(huì)詳細(xì)講述3種繼電器特性。

如果按照功能分類，繼電器又可分為電磁繼電器、熱保護(hù)繼電器、延時(shí)繼電器、電子混合式繼電器。

1.4產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

以Micro繼電器為例，介紹繼電器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及組成部件，如圖3所示。

圖3　Micro繼電器組成

1.5繼電器選型

汽車?yán)^電器體積小、切換負(fù)荷大、功率低、壽命長(zhǎng)、可靠性高、耐振動(dòng)沖擊，有電磁兼容性和阻燃性，主要性能參數(shù)如下［2］。

輸入?yún)?shù)：工作電壓范圍，吸合電壓，釋放電壓，波動(dòng)范圍等。

輸出參數(shù)：觸點(diǎn)類型 （開關(guān)型/轉(zhuǎn)換型），負(fù)載電流，負(fù)載性質(zhì)，觸點(diǎn)接觸電阻等。

時(shí)間參數(shù)：吸合、釋放時(shí)間，觸點(diǎn)回跳時(shí)間等。

安全性指標(biāo)：密封性，絕緣電阻，介質(zhì)耐壓等。

最后觸點(diǎn)壽命，耐久性以及售后故障率指標(biāo)等。

對(duì)于12V直插式繼電器選型，可根據(jù)3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)［①閉合時(shí)的最大峰值電流 （In Rush Max）；②穩(wěn)定電流I（用于檢查熱能特性）；③根據(jù)自感系數(shù)，最大的電流值 （Lmax/Imax）］來確定。具體參數(shù)見圖4。

在這3類繼電器中又可根據(jù)工作環(huán)境、密封等級(jí)、負(fù)載類型、壽命等條件做進(jìn)一步選型。

環(huán)境力學(xué)條件：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、座艙不同的溫度進(jìn)行選擇，繼電器一般工作溫度范圍為-40～100℃，同時(shí)特殊區(qū)域需要采用防噪聲繼電器。還可考慮機(jī)械應(yīng)力——振動(dòng)、沖擊、離心加速度；大氣環(huán)境應(yīng)力——溫度濕度、大氣壓力等；特殊環(huán)境應(yīng)力——沙層、鹽霧、輻射、油霧、電磁干擾等；物理特性——體積、質(zhì)量、安裝尺寸、安裝方式等。

密封等級(jí)：繼電器在整車中可能受到沙塵、水、油等物體侵蝕，需要根據(jù)干/濕區(qū)選擇不同密封等級(jí)繼電器。

負(fù)載類型：繼電器負(fù)載可以分為燈負(fù)載、阻性負(fù)載、電機(jī)負(fù)載、感性負(fù)載4種。

壽命：根據(jù)負(fù)載特性曲線以及車用電器使用頻率進(jìn)行選擇。如閃光燈繼電器，其功能要求很高，工作壽命要求百萬次左右；對(duì)于前照燈繼電器可能50萬次就足夠；對(duì)于其他功能如報(bào)警器等壽命要求不高的，通常動(dòng)作3～10萬次即可滿足要求。

如果選型不當(dāng)，在應(yīng)用中出現(xiàn)過載、超負(fù)荷使用等情況，將可能造成觸點(diǎn)過度磨損、嚴(yán)重?zé)g。造成繼電器壽命減少甚至失效。

1.6未來發(fā)展趨勢(shì)

繼電器技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平發(fā)展大趨勢(shì)，向著小型化、高靈敏化、模塊化、多功能化方向發(fā)展［3］，同時(shí)要提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、品質(zhì)一致性等。

不斷縮小外形尺寸，提高負(fù)載能力，不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化創(chuàng)新，提高繼電器技術(shù)、性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)更小體積更大容量。目前多家供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出Micro型繼電器，其體積小且能滿足MINI型繼電器負(fù)載要求。

圖4　12V直插式繼電器選型

2　汽車?yán)^電器功能

2.1電源分配

一般直插式繼電器安裝于BFRM （Bo?tier Fusibles Relais Moteur發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒）以及MFRH （Matrice Fusibles Relay Habitacle座艙繼電器熔斷絲盒）中，起到切換某些部件和功能供電作用，在整車電源分配中起到重要作用。

2.2功能應(yīng)用介紹

隨著電子設(shè)備的更新?lián)Q代，技術(shù)日益發(fā)展，汽車?yán)^電器被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng) （電力分配、風(fēng)扇控制、電磁閥控制、噴油控制、起動(dòng)控制）；舒適性系統(tǒng) （空調(diào)、車窗電動(dòng)控制、座椅調(diào)節(jié)、后窗/后視鏡加熱、音響系統(tǒng)等）；防盜系統(tǒng) （中央門鎖、防盜報(bào)警器）；底盤系統(tǒng) （油泵控制、ESP/ABS）；車身系統(tǒng)（刮水器控制、喇叭控制）以及安全系統(tǒng) （安全帶預(yù)張緊、霧燈/前照燈控制、閃光燈控制、車內(nèi)照明燈控制、轉(zhuǎn)向燈控制等）中，大部分繼電器都采用PCB式繼電器集成于控制ECU內(nèi)部，目前也有越來越多的功能都逐漸集成到電氣設(shè)備本身里面，如P檔鎖止繼電器、ABS/ESP繼電器等。

直插式汽車?yán)^電器在DPCA體系中主要功能如圖5所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)主繼電器 （主要用于燃油泵、炭罐電磁閥、氧傳感器等發(fā)動(dòng)機(jī)上電氣設(shè)備供電）、后窗加熱以及空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)等大電流消耗設(shè)備，為大負(fù)載，采用功率型繼電器。

刮水器、一鍵車窗升降等屬于中等容量負(fù)載，一般采用MINI型繼電器。

報(bào)警器、傳感器、后視鏡折疊等裝置為小負(fù)載，使用Micro型繼電器就能滿足要求。

圖5　　直插式繼電器功能應(yīng)用

3　故障模式分析

繼電器失效模式有很多種，為更加系統(tǒng)清晰了解引起繼電器故障的原因，列出典型繼電器失效模式如下，其故障樹如圖6所示。

1）控制信號(hào)缺失：比如線圈燒斷，線圈短路，外部控制回路故障等。

2）觸點(diǎn)失效：觸點(diǎn)燒蝕，由于拉弧、液橋造成短路，觸點(diǎn)變形，異物污染等。繼電器觸點(diǎn)頻繁操作后，觸點(diǎn)表層不斷侵蝕，表面狀況不斷惡化，導(dǎo)致觸點(diǎn)的接觸電阻不斷增大（電壓降增大），甚至產(chǎn)生永久性熔焊，使繼電器全完喪失工作能力［4］。

3）機(jī)械失效：外部沖擊造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，繼電器引腳持續(xù)受力造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形。

圖6　　繼電器失效故障樹

4　典型案例解析

4.1繼電器常工作故障

4.1.1故障現(xiàn)象

自2015年4月到2015年7月，DPCA連續(xù)發(fā)生17起起動(dòng)機(jī)常工作，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)燒毀，部分車輛無法起動(dòng)的故障。集中發(fā)生在2015年5月生產(chǎn)的2008以及C3-XR車型，故障里程從0～2000km。

4.1.2工作原理

起動(dòng)機(jī)控制原理如圖7所示。起動(dòng)機(jī)線圈由BFRM中起動(dòng)機(jī)繼電器進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)。繼電器輸入控制端由BSI（Bo?tier de Servitude Intelligent智能伺服控制盒）以及CMM （Control Motor Multifunction多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制器）共同控制，輸出回路直接連接起動(dòng)機(jī)。

圖7　　起動(dòng)機(jī)工作原理

4.1.3故障分析過程

為了尋找根本原因，初步做了故障分析結(jié)構(gòu)樹，如圖8所示。根據(jù)故障現(xiàn)象，系統(tǒng)羅列出每一個(gè)可能的原因，初步定為如下幾個(gè)方向：①起動(dòng)機(jī)原因：符合性問題以及其控制信號(hào)異常；②起動(dòng)機(jī)繼電器內(nèi)部故障；③線束短路；④BFRM故障：符合性問題、內(nèi)部短路。

圖8　　起動(dòng)機(jī)常工作故障樹分析

根據(jù)各個(gè)專業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。

表1　故障分析結(jié)果

根據(jù)以上分析，將焦點(diǎn)鎖定在繼電器上：由于繼電器常工作導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)一直有供電，進(jìn)而常轉(zhuǎn)導(dǎo)致燒毀。下一步需要尋找繼電器異常工作的根本原因。

針對(duì)一起故障再現(xiàn)的C3-XR（故障里程1286km），對(duì)其繼電器做進(jìn)一步的深入分析。專業(yè)人員在測(cè)量故障車輛后發(fā)現(xiàn)：在沒有任何輸入信號(hào)情況下，繼電器被控回路有電壓輸出。于是，拆卸故障件 （線束+ BFRM+繼電器），對(duì)整體故障件做X光檢查，發(fā)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)沒有粘連吸合，觸點(diǎn)間隙在0.16～0.27 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)間隙 （0.3mm）。

對(duì)故障件進(jìn)一步做拆解分析 （圖9），發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)工作面上有嚴(yán)重電磨損燒蝕的痕跡，存在觸點(diǎn)粘連過的痕跡。繼電器觸點(diǎn)在斷開過程中動(dòng)靜觸點(diǎn)即將要分離時(shí)，由于觸點(diǎn)間隙減小，產(chǎn)生嚴(yán)重拉弧現(xiàn)象，電流密度劇增，從而引起高溫使得觸點(diǎn)表面金屬局部熔化。當(dāng)觸點(diǎn)逐漸分開時(shí)，融化的金屬液體隨著拉伸，形成液橋［5］。液體凝固后使得靜動(dòng)觸點(diǎn)粘連。

圖9　　繼電器解剖分析

4.1.4故障總結(jié)

1）經(jīng)過排查繼電器供應(yīng)商生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程異常導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙變小，生產(chǎn)線上沒有跟蹤觸點(diǎn)間隙尺寸，造成批次問題。同時(shí)在繼電器安裝到BFRM或者M(jìn)FRH過程中，由于安裝力過大，造成觸點(diǎn)間隙進(jìn)一步減小。

2）由于繼電器觸點(diǎn)間隙變小，造成繼電器觸點(diǎn)之間存在嚴(yán)重拉弧燒蝕現(xiàn)象，繼電器觸點(diǎn)粘連導(dǎo)通，處于常工作狀態(tài)，存在CCA（Court Circuit Aggravé嚴(yán)重短路）風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.5行動(dòng)方案

供應(yīng)商更改繼電器生產(chǎn)過程工藝，增加觸點(diǎn)間隙檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)使用同一規(guī)格其他繼電器代替現(xiàn)有產(chǎn)品，替代后故障消除。并將此經(jīng)驗(yàn)反饋給所有繼電器供應(yīng)商，避免發(fā)生類似故障。

4.2沖擊導(dǎo)致繼電器失效典型案例

4.2.1故障現(xiàn)象

根據(jù)DPCA工廠零公里故障信息反饋 （新車剛下線），愛麗舍車型BFRM中繼電器存在多起失效問題，導(dǎo)致繼電器對(duì)應(yīng)電氣功能失效：設(shè)備常工作或者不工作。比如發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)、刮水器高/低速失效、霧燈失效以及遠(yuǎn)光燈失效等，更換新繼電器后故障排除。

4.2.2故障分析過程

以遠(yuǎn)光燈常工作故障為例，講述分析過程。1）目視檢查繼電器外殼有破損，引腳歪斜。2）無任何輸入信號(hào)情況下，電氣檢測(cè)繼電器輸出端有輸出。

3）對(duì)零件做X-Ray檢測(cè) （圖10），發(fā)現(xiàn)繼電器彈片折彎變形，造成觸點(diǎn)位置移動(dòng)，導(dǎo)致失效。拆開繼電器外殼后發(fā)現(xiàn)彈片與外殼內(nèi)部加強(qiáng)筋有干涉。

4）檢查物流與裝配環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖10　　繼電器故障分析

4.2.3原因分析

①繼電器在物流中受沖擊造成內(nèi)部失效。②安裝過程中，安裝力過大，造成繼電器引腳受到側(cè)向力作用變形，會(huì)影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)。③返修BFRM或者M(jìn)FRH時(shí)，需要拆卸繼電器。返修過程中，外殼容易與底座分離，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破環(huán)。返修BFRM或者M(jìn)FRH后，繼電器往往會(huì)回用，導(dǎo)致故障件流入DPCA。

4.2.4解決方案

1）整改物流環(huán)節(jié)：輕拿輕放，防止繼電器受到外部沖擊導(dǎo)致失效。

2）繼電器供應(yīng)商在繼電器四周增加環(huán)氧膠，增加外殼與底座力以及端子強(qiáng)度。

整改后，故障現(xiàn)象消失。

5　總結(jié)

直插式繼電器是一種小電流控制大功率電控開關(guān)元件，在整車控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，本文主要通過講述直插式汽車?yán)^電器技術(shù)原理，掌握汽車?yán)^電器基本選型方案，并通過典型案例講解繼電器故障模式以及分析方法，解決供應(yīng)商由于產(chǎn)品或者生產(chǎn)過程不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的符合性問題。全面掌握汽車?yán)^電器原理、應(yīng)用選型、故障分析解決等技術(shù)。

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［2］劉松偉，白俊偉.汽車?yán)^電器的選型［C］.河南省汽車工程學(xué)會(huì)第七屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集：184-187.

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（編輯心翔）

Application and Case Analysis of 12V Plug-in Relay

XIONG Jie
（Technical Center of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）

The technical knowledge，application selection of vehicle relay are introduced here as well as its main functions，control application，working principle and development trend.The related fault pattern and problem solving method are elaborated through typical case analysis so it can help us fully master the technical knowledge of plug-in relay.

relay；application selection；fault pattern；case analysis

U463.6

B

1003-8639（2016）02-0026-05

2015-11-09；

2015-11-27

熊潔，女，碩士，工程師，從事整車電器架構(gòu)與線束/線束零部件設(shè)計(jì)工作。