汽車用PCB繼電器的應用分析

余世運

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車用PCB繼電器的應用分析

余世運

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶汽車繼電器是整車上必不可少的一部分，其中PCB(Printed Circuit Board)繼電器由于成本壓力應用越來越多，成為汽車電路中必不可少的重要部分。文章主要對汽車用PCB繼電器的發現趨勢以及優缺點進行分析，為后期車型繼電器選型設計提供參考經驗。

∶PCB繼電器；汽車；插入式繼電器；溫升

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.060

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-179-04

引言

近年來，汽車電器電子技術快速發展，與舒適型配置、安全型配置和智能化配置相關的汽車電器應用越來越多，之前出現在高檔車型出現的電器配置在中低端車型上越來越普遍，諸如ESP、PWM風扇、360全景等，而很大一部分電器配置因為控制方式及自身功率過大，需要整車原理架構提供繼電器進行驅動，導致整車繼電器數量快速增多。據統計，一款中等的轎車車型整車需要配備32-35只繼電器才能滿足整車電器配置需求。特別是自主品牌車型主要靠配置銷車的現狀，電器配置的增加導致繼電器成本以及布置問題越來越凸顯。傳統車型使用的插入式繼電器成本在5元每只左右，某些特殊用途的繼電器成本更高，如乘客艙內使用的靜音繼電器，啟停車型使用的30萬次長壽命繼電器成本在7元每只左右，而電動汽車采用的固態繼電器成本高達100元每只；而這些繼電器主要布置在室內電器盒和室外電器盒，有些還需要開發帶支架的繼電器用于外掛。由于插入式繼電器的外形尺寸需要ISO標準，大量使用插入式繼電器導致室內外電器盒體積越來越大，電器盒平臺化方向的道路越來越艱難，因為電器盒體積越大布置難度越高，需要向其他模塊爭取布置空間；而且為了滿足車型電器功能需求，不得不根據車輛布置現狀開發更多不同形式的電器盒，間接增加了整車項目開發周期及開發風險，成本也會大幅度上升。

如何解決配置增加帶來的繼電器布置問題，如何降低繼電器的成本是主機廠當前需要慎重考慮的，而繼電器的新技術和新工藝應用的需求更加強烈，為了滿足客戶需求，繼電器供應商需要不停進步，進而推動繼電器行業進行新一輪的技術換代升級，繼電器技術在汽車上的應用得到了快速發展。

1、傳統插入式繼電器的特點

繼電器是一種當輸入量（電、磁、光、聲、熱）達到一定值時，輸出量將發生跳躍式變化的自動控制器件。傳統繼插入式電器按照繼電器所能負載的電流能力一般分為Micro繼電器(阻性負載標稱30A)、Power Micro繼電器（阻性負載標稱35A)、MINI繼電器(阻性負載標稱40A）和Power MINI繼電器（阻性負載標稱70A）。繼電器的負載能力和負載類型、環境溫度相關性很大，感性器件對繼電器的要求較高，且對繼電器的使用壽命影響較大；隨著環境溫度的上升，繼電器的負載能力也會隨之下降，一般來說，一只阻性額定負載為40A的MINI繼電器在125度高溫環境下負載能力在25A左右，溫度進一步升高，繼電器將面臨燒蝕風險。插入式繼電器按照引腳數量分一般有三腳繼電器、四腳繼電器和五腳繼電器，三腳繼電器主要應用為閃光音繼電器，五腳繼電器一般應用于博世系統的雨刮控制及串并聯高低速風扇控制，其余大多繼電器均為四腳繼電器。繼電器的外部尺寸參考ISO標準設計開發，但是部分韓資背景企業使用非標的繼電器；近年來，非標繼電器的使用越來越少，漸漸被參考ISO標準的繼電器取代，這也是發展趨勢。傳統標準的插入式繼電器見下圖1示例：

圖1　插入式MINI繼電器

插入式繼電器在汽車上一般集中布置在室內外電器盒中，電器盒提供供繼電器引腳插入的繼電器座，線束端子和繼電器引腳連接，有相應功能的控制器或者開關實現繼電器吸合與斷開。插入式繼電器盒見下圖2示例，該電器盒可以滿足3只MINI繼電器和7只Micro繼電器或者Power Micro繼電器安裝布置；個別特殊繼電器選擇外掛，外掛繼電器再帶安裝支架，一般會設計相應的防旋結構，如轉向提示音繼電器要求布置位置在轉向管柱附件，在繼電器盒資源緊張時，也常用外掛繼電器的方案，外掛繼電器與特定的線束插件配合使用，從而實現相應的電器功能；外掛繼電器在布置整齊度和可靠性方面表現一般，因此很少使用。

在繼電器盒開發時，一般首先考慮繼電器的數量、型號方面要求，為保證后期升級換代需求，會進行相應的設計預留。繼電器的布置對電器盒的開發影響很大，布置面積基本可以占到電器盒面積的60%以上，電器盒其余的布置面積主要供保險和線束對配插件使用，使用小體積繼電器對縮小電器盒有很大益處。開發體積小、滿足性能要求的新型繼電器才能滿足大多主機廠的當前需求，同時可以推動電器盒平臺化的快速發展，對優化整車布置和降低整車重量也有一定好處。

圖2　插入式繼電器電器盒示例

2、汽車繼電器的發展趨勢

為更小更輕的汽車電器電子系統提供高容量低溫升的繼電器產品是各個繼電器開發巨頭公司的首要目標，為爭奪繼電器細分市場，提高公司競爭力，整個繼電器行業為此做出了大量的努力。嘗試把繼電器做小、重量降低，但是同時需要考慮繼電器的負載能力、溫升、吸斷電壓和可靠性等因素。繼電器體積越小，在同等條件下散熱慢溫升大，也提高了吸合斷開的控制難度；為保證繼電器的負載能力，需要提高繼電器的線圈電阻降低繼電器工作線圈端時產生的熱量，同時優化負載回路的接觸電阻，降低電壓降。此外，繼電器體積越小，對工藝要求很高，內部精細結構件要求高精度模具制作，同時對生產線裝配工藝有較高要求。小體積繼電器要求繼電器制造工藝提升，產品質量一致性管控方面更加嚴格，整個繼電器行業需要完成技術升級，同時繼電器的配套行業會面臨同樣的技術升級要求。

經過整車行業的努力嘗試，PCB繼電器已經成為繼電器小型化輕量化的一個重要的發展方向。PCB繼電器是一種可以焊接在PCB電路板上的繼電器，無需通過繼電器盒進行安裝布置，可以在自動化生產線上實現組裝，總成產品一致性好。目前已經完成了從MICRO繼電器到POWER MINI繼電器全系列產品的開發， 負載能力從20A到70A均有相應型號的PCB繼電器可以滿足需求。產品已經在各主機廠新開發產品上進行應用試驗及驗證，見下圖3示例：

圖3　PCB繼電器發展

3、PCB繼電器在汽車應用方面的優勢

PCB繼電器以體積小輕量化著稱, 見下圖4示例：

圖4　PCB繼電器體積小輕量化示例

以新開發的MINI繼電器為例，體積和重量都減小至原傳統插入式繼電器的三分之一，負載能力可以滿足室溫環境下阻性負載40A要求，體積減少意味著繼電器吸斷噪聲問題也可以得到優化，提升了客戶駕乘體驗，性能方面通過大量的單件試驗及整車試驗驗證，可以代替傳統的插入式MINI繼電器，從而實現了繼電器產品開發的重大突破，具有里程碑式的意義。

PCB繼電器不止是體積小重量輕，在其他方面也有一定優勢。采用新技術新工藝開發的PCB繼電器，阻性負載使用壽命可以達到15萬次左右，超過了插入式繼電器10萬次的壽命要求，大幅減少因傳統插拔式繼電器損壞而引起的車輛維修次數，正常情況下可以覆蓋車輛整個生命周期對繼電器壽命的需求;另外，高線圈電阻和低接觸電阻的設計，降低了繼電器正常工作時的溫升，以一款型號為FBR59ND12-Y的PCB繼電器為例，在室溫條件下搭載額定60A的負載一個小時后測試，觸點溫升只有42度，而在同等條件下測試傳統插入式繼電器溫升達到89度，觸點溫升方面性能非常優異，同樣在線圈溫升和PIN針溫升方面具有同樣的優勢，見下圖5、6、7示：

圖5　繼電器觸點溫升性能對比

圖6　繼電器線圈溫升性能對比

在成本方面，雖然PCB繼電器工藝要求較高，但是用料少，在實現批量生產后，主要決定產品成本的開發費用和模具費用可以分攤在每一只產品上，隨著應用越來越廣泛，采用PCB繼電器方案設計的整車控制器批產數量越來越多，價格可以維持傳統插入式繼電器的水平，甚至更低；而PCB繼電器自動化的組裝工藝減少了相應的組裝成本，對降低主機廠的成本有一定幫助。

圖7　繼電器PIN針溫升性能對比

4、PCB繼電器在汽車上的實際應用

得益于PCB繼電器的快速發展，以及在體積小、輕量化、溫升低和成本方面的優勢，PCB繼電器已經廣泛應用于室內電器盒總成和車身控制器（BCM)等汽車核心控制器上，體積小溫升低可以使控制器內部集成更多的PCB繼電器，不用擔心控制器體積增大及散熱困難，有效解決了整車的繼電器布置問題，繼電器盒系統重量也有所降低。

對一款采用了PCB繼電器方案的小型SUV車型繼電器盒進行解析，室內繼電器盒內部見下圖8示：

圖8　PCB繼電器盒內部示例

該繼電器盒內部集成了8只某繼電器行業巨頭提供的PCB繼電器，其中有7只MICRO繼電器和1只MINI 繼電器，繼電器與PCB電路板之間用焊接工藝組裝，全部集成在繼電器盒內部，無需使用傳統的插入式繼電器，性價比很高。其控制的負載主要為燈光和電機類感性負載，也有功率高達198W的后除霜大功率類型的阻性負載，與其他同級別車型采用的插入式繼電器類型基本一致，額定負載30A的PCB MICRO繼電器已經代替了傳統的插入式MICRO繼電器的使用，額定負載40A的PCB MINI繼電器已經代替了傳統的插入式MINI繼電器的使用。

對另一款轎車的車身控制器(BCM)進行硬件和功能解析，該控制器同樣采用了PCB繼電器方案，硬件信息顯示該零部件內部可以集成8只PCB繼電器，該件實際集成了5只繼電器，其中有兩對雙胞PCB繼電器和一只單胞PCB繼電器，車身控制器內部見下圖9示例：

圖9　車身控制器內部示例

該車身控制器的繼電器設計方案和上述的繼電器盒方案比較類似，其控制的負載主要電機類感性負載，但是無阻性負載，一對雙胞的PCB MICRO繼電器代替了兩只傳統的五腳MICRO繼電器的使用。

5、PCB繼電器目前存在的問題

PCB繼電器已經在汽車電器盒及控制器上應用非常廣泛，因其體積小，成本具有優勢，在部分功能領域已經取代了傳統的插入式繼電器，但是目前PCB繼電器在以下方面也存在問題，距離全部代替傳統的插入式繼電器還有一定的路要走。

PCB繼電器目前發展主要集中在幾大繼電器巨頭，如美國泰科電子、日本松下電子、中國宏發電聲、歐姆龍等，其他廠家在PCB領域發展較慢或者是市場占有率較低，整個PCB繼電器行業目前沒有形成統一的行業標準，部分廠家開發PCB繼電器的標準是參考傳統的插入式繼電器形成的，幾大巨頭件技術壁壘森嚴，發展較慢的廠家PCB繼電器性能、工藝水平參差不齊，產品一致性和可靠性無法滿足汽車控制器需求，缺乏統一的標準要求不利于整個行業的健康發展。

另外PCB繼電器和傳統的插入式繼電器相比，維修維護方便性較差。PCB繼電器集成在整車控制器中，在車輛下線后功能故障排查時，無法通過更換繼電器完成確認，需要更換整套控制器，如果確認內部繼電器故障，需要更換整個控制器完成，與傳統插入式繼電器直接更換繼電器排除故障相比，整車維修成本大幅上升。這就對PCB繼電器的可靠性及壽命提出了更高要求，在車輛整個生命周期中需要保持良好的通斷狀態。

6、小結

因為傳統插入式繼電器在體積成本重量方面的缺點，PCB繼電器得到了長足發展，在溫升及過電流方面已經超越了普通的插入式繼電器，在部分領域已經代替了插入式繼電器的使用，性能可靠性方面可以滿足汽車控制器使用需求。但是由于行業缺乏統一的標準，以及在售后維護方面存在的缺點，PCB繼電器的發展還需要進一步加快，直至完全取代傳統插入式繼電器。

[1] Robert Bosch GmbH. 汽車電氣與電子[M]. 魏春源,等, 譯. 北京:北京理工大學出版社, 2004.

[2] 錢菊根. 國內外汽車電器發展趨勢[J]. 江蘇電器.2008(7): 1 ～2.

[3] 王楠.汽車繼電器作用.信息與通訊，2008.

[4] 吳基安.汽車電子技術.人民郵電出版社.1999,11.

The Application analysis for PCB Relay in Vehicle

Yu Shiyun
(Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601)

Relay is an essential part of vehicle, owing to the pressure of vehicle degression, PCB relay is used more and more extensively and also indispensable important part of the automobile. The major of this paper analyses the growing trend and relative merits for the vehicle PCB relay, also provides experience for the other models in relay project.

PCB relay; vehicle; Plug-in relay; Temperature rise

∶U463.6 助

∶A

∶1671-7988(2016)09-179-04

余世運（1990-），就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，從事汽車電器設計開發工作。