12V直插式汽車繼電器應用以及案例分析

熊潔（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢　430056）

12V直插式汽車繼電器應用以及案例分析

熊潔
（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢430056）

介紹汽車繼電器技術知識、應用選型，講述汽車繼電器在整車中的主要功能、控制應用、工作原理、未來發展趨勢，通過典型案例分析了解繼電器相關故障模式以及問題處理方法，全方位掌握直插式汽車繼電器技術知識。

繼電器；應用選型；故障模式；案例分析

1　汽車繼電器定義以及技術參數

1.1技術定義

繼電器是一種電控制器件，是當輸入量 （激勵量）的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控制量發生預定的階躍變化的一種電器元件，是能反映一定輸入信號 （如電流、電壓、功率、溫度、速度、頻率、光等）的感應機構，實現被控電路通、斷控制的執行機構。它實際上是用弱電流去控制大電流運作的一種自動開關，在電路中起著自動調節、安全保護、轉化電路等作用。

1.2工作原理

按照繼電器觸點形式可以將繼電器分為轉換型和開關型兩種，如圖1所示。

圖1　　繼電器原理圖

1）開關型該繼電器有4個引腳，其中2個引腳接線圈，作為輸入端即控制端，另外2個引腳接負載作為輸出端。線圈不通電時兩觸點是斷開的，負載回路不工作；線圈通電后線圈電壓達到吸合電壓值時，兩個觸電閉合，負載回路導通開始工作。

2）轉換型該繼電器共有3個觸點，中間是動觸點，上下各有一個靜觸點，即NO常閉點 （87a）和NC常開點 （87）。線圈不通電時，動觸點與NO靜觸點斷開，與NC閉合，位于常閉端負載回路導通工作。線圈通電后，動觸點移動，使原來斷開的觸點閉合，原來閉合的觸點成為斷開狀態，切換為常開端負載工作，以達到轉換的目的。

機械結構繼電器不工作時，觸點位于常閉端靜止位置，如圖2a所示。當線圈通電吸合，動觸點接觸到常開觸點，位于常開端回路負載導通工作，如圖2b所示。

圖2　　機械原理圖

部分繼電器內部線圈會并聯二極管或電阻，可以降低或者消除電路中可能出現的300～500V峰值的反向電動勢，從而保護電控系統中的電器元件，防止出現功能失效［1］。

1.3產品分類

按照DPCA（神龍汽車有限公司）定義的容量大小分類，直插式汽車繼電器分為3種：①Micro微型繼電器；②Cubic立方體繼電器 （MINI型）；③Power功率型繼電器。選型介紹時會詳細講述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、熱保護繼電器、延時繼電器、電子混合式繼電器。

1.4產品結構組成

以Micro繼電器為例，介紹繼電器產品結構以及組成部件，如圖3所示。

圖3　Micro繼電器組成

1.5繼電器選型

汽車繼電器體積小、切換負荷大、功率低、壽命長、可靠性高、耐振動沖擊，有電磁兼容性和阻燃性，主要性能參數如下［2］。

輸入參數：工作電壓范圍，吸合電壓，釋放電壓，波動范圍等。

輸出參數：觸點類型 （開關型/轉換型），負載電流，負載性質，觸點接觸電阻等。

時間參數：吸合、釋放時間，觸點回跳時間等。

安全性指標：密封性，絕緣電阻，介質耐壓等。

最后觸點壽命，耐久性以及售后故障率指標等。

對于12V直插式繼電器選型，可根據3個關鍵參數［①閉合時的最大峰值電流 （In Rush Max）；②穩定電流I（用于檢查熱能特性）；③根據自感系數，最大的電流值 （Lmax/Imax）］來確定。具體參數見圖4。

在這3類繼電器中又可根據工作環境、密封等級、負載類型、壽命等條件做進一步選型。

環境力學條件：根據發動機艙、座艙不同的溫度進行選擇，繼電器一般工作溫度范圍為-40～100℃，同時特殊區域需要采用防噪聲繼電器。還可考慮機械應力——振動、沖擊、離心加速度；大氣環境應力——溫度濕度、大氣壓力等；特殊環境應力——沙層、鹽霧、輻射、油霧、電磁干擾等；物理特性——體積、質量、安裝尺寸、安裝方式等。

密封等級：繼電器在整車中可能受到沙塵、水、油等物體侵蝕，需要根據干/濕區選擇不同密封等級繼電器。

負載類型：繼電器負載可以分為燈負載、阻性負載、電機負載、感性負載4種。

壽命：根據負載特性曲線以及車用電器使用頻率進行選擇。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；對于前照燈繼電器可能50萬次就足夠；對于其他功能如報警器等壽命要求不高的，通常動作3～10萬次即可滿足要求。

如果選型不當，在應用中出現過載、超負荷使用等情況，將可能造成觸點過度磨損、嚴重燒蝕。造成繼電器壽命減少甚至失效。

1.6未來發展趨勢

繼電器技術發展總體趨勢瞄準世界先進水平發展大趨勢，向著小型化、高靈敏化、模塊化、多功能化方向發展［3］，同時要提高產品的環境適應性、高可靠性、品質一致性等。

不斷縮小外形尺寸，提高負載能力，不斷進行結構和材料優化創新，提高繼電器技術、性價比，實現更小體積更大容量。目前多家供應商已經開發出Micro型繼電器，其體積小且能滿足MINI型繼電器負載要求。

圖4　12V直插式繼電器選型

2　汽車繼電器功能

2.1電源分配

一般直插式繼電器安裝于BFRM （Bo?tier Fusibles Relais Moteur發動機艙繼電器熔斷絲盒）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功能應用介紹

隨著電子設備的更新換代，技術日益發展，汽車繼電器被廣泛應用于動力系統 （電力分配、風扇控制、電磁閥控制、噴油控制、起動控制）；舒適性系統 （空調、車窗電動控制、座椅調節、后窗/后視鏡加熱、音響系統等）；防盜系統 （中央門鎖、防盜報警器）；底盤系統 （油泵控制、ESP/ABS）；車身系統（刮水器控制、喇叭控制）以及安全系統 （安全帶預張緊、霧燈/前照燈控制、閃光燈控制、車內照明燈控制、轉向燈控制等）中，大部分繼電器都采用PCB式繼電器集成于控制ECU內部，目前也有越來越多的功能都逐漸集成到電氣設備本身里面，如P檔鎖止繼電器、ABS/ESP繼電器等。

直插式汽車繼電器在DPCA體系中主要功能如圖5所示。

發動機主繼電器 （主要用于燃油泵、炭罐電磁閥、氧傳感器等發動機上電氣設備供電）、后窗加熱以及空調鼓風機等大電流消耗設備，為大負載，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載，一般采用MINI型繼電器。

報警器、傳感器、后視鏡折疊等裝置為小負載，使用Micro型繼電器就能滿足要求。

圖5　　直插式繼電器功能應用

3　故障模式分析

繼電器失效模式有很多種，為更加系統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）控制信號缺失：比如線圈燒斷，線圈短路，外部控制回路故障等。

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

3）機械失效：外部沖擊造成內部結構損壞，繼電器引腳持續受力造成內部結構變形。

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故障現象

自2015年4月到2015年7月，DPCA連續發生17起起動機常工作，導致起動機燒毀，部分車輛無法起動的故障。集中發生在2015年5月生產的2008以及C3-XR車型，故障里程從0～2000km。

4.1.2工作原理

起動機控制原理如圖7所示。起動機線圈由BFRM中起動機繼電器進行供電驅動。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多功能發動機控制器）共同控制，輸出回路直接連接起動機。

圖7　　起動機工作原理

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構樹，如圖8所示。根據故障現象，系統羅列出每一個可能的原因，初步定為如下幾個方向：①起動機原因：符合性問題以及其控制信號異常；②起動機繼電器內部故障；③線束短路；④BFRM故障：符合性問題、內部短路。

圖8　　起動機常工作故障樹分析

根據各個專業分析，結果如表1所示。

表1　故障分析結果

根據以上分析，將焦點鎖定在繼電器上：由于繼電器常工作導致起動機一直有供電，進而常轉導致燒毀。下一步需要尋找繼電器異常工作的根本原因。

針對一起故障再現的C3-XR（故障里程1286km），對其繼電器做進一步的深入分析。專業人員在測量故障車輛后發現：在沒有任何輸入信號情況下，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），對整體故障件做X光檢查，發現繼電器觸點沒有粘連吸合，觸點間隙在0.16～0.27 mm，小于標準間隙 （0.3mm）。

對故障件進一步做拆解分析 （圖9），發現觸點工作面上有嚴重電磨損燒蝕的痕跡，存在觸點粘連過的痕跡。繼電器觸點在斷開過程中動靜觸點即將要分離時，由于觸點間隙減小，產生嚴重拉弧現象，電流密度劇增，從而引起高溫使得觸點表面金屬局部熔化。當觸點逐漸分開時，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觸點粘連。

圖9　　繼電器解剖分析

4.1.4故障總結

1）經過排查繼電器供應商生產過程，發現生產過程異常導致觸點間隙變小，生產線上沒有跟蹤觸點間隙尺寸，造成批次問題。同時在繼電器安裝到BFRM或者MFRH過程中，由于安裝力過大，造成觸點間隙進一步減小。

2）由于繼電器觸點間隙變小，造成繼電器觸點之間存在嚴重拉弧燒蝕現象，繼電器觸點粘連導通，處于常工作狀態，存在CCA（Court Circuit Aggravé嚴重短路）風險。

4.1.5行動方案

供應商更改繼電器生產過程工藝，增加觸點間隙檢測系統。同時使用同一規格其他繼電器代替現有產品，替代后故障消除。并將此經驗反饋給所有繼電器供應商，避免發生類似故障。

4.2沖擊導致繼電器失效典型案例

4.2.1故障現象

根據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，導致繼電器對應電氣功能失效：設備常工作或者不工作。比如發動機無法起動、刮水器高/低速失效、霧燈失效以及遠光燈失效等，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）無任何輸入信號情況下，電氣檢測繼電器輸出端有輸出。

3）對零件做X-Ray檢測 （圖10），發現繼電器彈片折彎變形，造成觸點位置移動，導致失效。拆開繼電器外殼后發現彈片與外殼內部加強筋有干涉。

4）檢查物流與裝配環節，發現風險點。

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部失效。②安裝過程中，安裝力過大，造成繼電器引腳受到側向力作用變形，會影響內部結構。③返修BFRM或者MFRH時，需要拆卸繼電器。返修過程中，外殼容易與底座分離，造成內部結構被破環。返修BFRM或者MFRH后，繼電器往往會回用，導致故障件流入DPCA。

4.2.4解決方案

1）整改物流環節：輕拿輕放，防止繼電器受到外部沖擊導致失效。

2）繼電器供應商在繼電器四周增加環氧膠，增加外殼與底座力以及端子強度。

整改后，故障現象消失。

5　總結

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

［1］李明誠.汽車繼電器的控制原理及其檢修 ［J］.汽車維修與保養，2010（1）：38-39.

［2］劉松偉，白俊偉.汽車繼電器的選型［C］.河南省汽車工程學會第七屆科研學術研討會論文集：184-187.

［3］周峻峰.繼電器及其技術發展態勢［J］.機電元件，2003 （2）：61-64.

［4］程禮椿.鄒積巖，李震彪.簡論汽車繼電器觸點結構與材料問題［J］.汽車電器，1994（2）：6-7.

［5］朱華.汽車繼電器觸點磨損的原因分析［J］.潤滑與密封，2005（4）：203-204.

（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，從事整車電器架構與線束/線束零部件設計工作。