一種大電流接觸系統在雨刮噴水開關上的應用

郭忠新，張 蕾

（1.上海科世達—華陽汽車電器有限公司，上海 201814；2.上海電機學院/機械學院，上海 201306）

隨著汽車電子電器產品的開發和應用，汽車功能越來越多，為了保證控制的安全可靠，開關也必須針對電子電器不同要求進行設計。本文將論述一種大小電流混合要求的組合開關中，雨刮大電流接觸系統的解決方案。

這款組合開關通過手柄實現大燈開關、霧燈開關、后雨刮開關和雨量間歇調節開關的功能，以及在殼體內實現轉向信號開關、變光開關、前雨刮開關和噴水開關的功能。此開關從功能上看，和其他組合開關沒什么不同，但是其電路負荷比較特殊，大小電流同時存在。其中，前后噴水功能需要承受5.2 A的大電流，其他功能為小于10 mA的小電流。對于小電流功能來講，可以使用現有常規鍍金滑片配合PCB的方案進行設計，如圖1所示；但是對于大電流的功能，標準化的大電流接觸系統無法在有限的空間內實現，就需要在滿足小電流功能的基礎上實現大電流的功能。

圖1 小電流滑塊配合PCB

1 大電流接觸系統需要考慮的因素

1.1 接觸部位的電阻

根據焦耳定律：Q= 0.24IRt，接觸部位的電阻直接影響接觸部位發熱量，如果接觸部位過熱，會使周圍非金屬件發生損傷，甚至使接觸觸點本身受到損害。當接觸部位接通時，在電流的作用下，在接觸部位形成電壓降，通過這個電壓降和電流求出的電阻被稱為接觸電阻［1］。接觸電阻通常由3部分組成，即

式中：Rj——接觸電阻；Rs——收縮電阻；Rb——表面膜電阻；Re——表面成分電阻。

接觸電阻的大小和接觸部位材料的選擇有著直接關系。應該選擇適合硬度、導電率高和熱傳導率高的接觸材料，從而達到比較理想的接觸電阻。所以在實際應用中，接觸電阻使用公式（2）進行計算［2］

式中：Rj——接觸電阻；F——接觸壓力；m——與接觸形式有關的系數；Kj——與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關的系數。

1.2 接觸部位的材料磨蝕與轉移［2-4］

觸點通斷過程中，接觸部位材料的磨蝕與轉移形式分為如下幾種：①機械磨蝕——主要是由于觸點機械運動過程中產生的材料磨蝕和轉移；②電磨蝕——電路通斷過程中，由于拉弧能量和熱能量產生的材料磨蝕和轉移；③化學磨蝕——受環境的影響，接觸部位在溫濕條件下，在電流作用下產生的材料磨蝕和轉移；④焊接——接觸部位材料在一定的接觸壓力下，在電流的作用下產生的材料磨蝕和轉移。在這4種材料磨蝕和轉移的形式中，電磨蝕對觸點的破壞力最大。

大量的研究表明：由電磨蝕引起的材料轉移方向與觸點兩端的電壓和電流的關系如圖2所示。圖2中，實線為靜態伏安曲線，當電壓、電流處于α、α′和γ區域時，材料由陽極向陰極轉移；在處于β區域時，材料由陰極向陽極轉移。而電磨蝕中，由于電拉弧引起的材料的磨蝕和轉移占了很大比重。不同材料引起電拉弧的最小電壓和電流如表1所示。

圖2 材料轉移模

表1 不同材料觸頭間的最小拉弧電壓和電流

1.3 熱量釋放

在前文考慮的2個因素分析中，歸根結底都和熱量有關系。由于局部過熱，造成接觸部位觸片、觸點零件的燒蝕。而產生局部過熱的因素主要有2個方面［4］：①接觸部位接通時間過長，大電流持續產生的熱量；②開關通斷過程中，由于拉弧產生大量電火花引起的熱量。

為了減少熱量的影響，設計時需要考慮如何降低熱量的積聚，可以從以下幾個方面考慮：①結構設計上考慮熱量的釋放，如PCB設計上考慮熱量如何有效地傳導出去，接觸部位周邊結構上考慮如何將熱量傳導出去；②選擇合適的滅弧油脂，油脂首先需要具有絕緣性，同時不腐蝕接觸部位的金屬和樹脂材料。

2 雨刮噴水功能大電流接觸系統解決方案

針對上文中提到的組合開關，基于大部分功能都是小電流，決定采用PCB和鍍金滑片配合的接觸系統，噴水功能也同樣采用類似的解決方案，即PCB和大電流金屬滑片配合。具體實施方案如圖3所示的滑片和圖4所示的PCB。

通過接觸部位電阻的理論分析，可以看出接觸電阻大小對這種大電流開關是至關重要的。因此，為了降低接觸電阻值，在大電流金屬滑片上焊接有Ag/SnO2的觸點（圖3），這種Ag/SnO2材料具有良好的電導通率和熱傳導性。同時，在PCB與金屬滑片配合處進行鍍金處理（圖4），使配合處的接觸電阻達到比較理想的狀態。

考慮到上文中提到的材料轉移，由于所選擇的配對材料中，滑片上的觸點Ag/SnO2相比PCB上的金片性能更加優良，所以在設計上，材料轉移須從滑片端向PCB端。同時，根據接觸部位的材料磨蝕與轉移中的相關理論，在開關此種電壓和電流的情況下，材料的轉移是從陽極到陰極。因此，PCB的設計如圖5所示。當滑塊從0-位向右邊運動時，滑片1會和PCB上金片先接通，但是這時滑片2還沒有接通，不形成回路；滑塊繼續運動，當滑片2與PCB接通時，會產生拉弧現象。由于這時滑片1一直在PCB金片上運動，所以滑片1處沒有拉弧現象，只有滑片2處存在拉弧現象，并且實現了材料由滑片端向PCB端的轉移。反之，滑塊向左運動道理一樣，實現了材料由滑片端向PCB端的轉移。

圖3 滑片

圖4 PCB

3 結束語

通過大電流接觸系統的理論研究，以及客戶的功能要求，實現大小電流共存開關采用類似方案的設計。從文中可看出，所選用的方案對于實現類似噴水功能等壽命要求比較低的情況，是比較適用的。此方案的采用，節省了成本，并且利用有效的空間實現了功能需求。同時可以看出，接觸系統不一定要采用最好的，合適的才最重要。希望本文能給大家一點有益的啟示。

圖5 滑塊與PCB運動示意圖

［1］ 張虎卿.Ag/SnO2電觸頭材料動態性能研究［D］.天津：天津大學，2007.

［2］ 黃玉華.汽車組合開關燈光模塊的失效分析及改進［J］.汽車電器，2007（8）：4-7.

［3］ 郭迎春，耿永紅，陳松，等.電觸點直流電侵蝕研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（a03）：264-268.

［4］ 李英民，王俊勃，紀東，等.新型Ag /SnO2 觸頭材料的發展現狀［J］.電氣開關，2003，41（3）：20-26.