汽車電磁繼電器觸點接觸電阻變化影響因素探究

王燕兵　賴雅麗

摘 要：汽車產業尤其是電動汽車等新能源產業迅猛發展，汽車按行業的發展勢必帶來其配套零配件如汽車繼電器等需求的大量增長。汽車繼電器是汽車中配電系統、控制系統中完成指令執行、保護、切換等功能的關鍵元器件。而繼電器觸點間由于接觸電阻在電流作用下產生焦耳熱導致觸點間發生熔焊造成觸點粘接無法完成吸和、分離動作而失效，觸點間熔焊是制約繼電器產品向高品質、高質量、長壽命、安全可靠發展的瓶頸。觸點間熔焊形成機理較為復雜，其關鍵影響因素為觸點間接觸電阻在電流的作用下所產生的焦耳熱融化觸點金屬，因而接觸電阻的形成機理及變化是探究觸點粘結機理的關鍵、是改善繼電器質量提升使用壽命的攻堅環節。而影響汽車繼電器觸點接觸電阻變化因素較多，各個因素之間又存在相互的影響及關聯。對繼電器接觸電阻變化的影響因素進行重點分析揭示影響因素之間的關聯關系。

關鍵詞：繼電器 觸點熔焊 接觸電阻 影響機理

1 概述

隨著國家的發展、人民的富強、科技的進步，人們對汽車的需求也發生改變，對汽車的行駛品質要求更高、對駕駛感受需求更加細膩，汽車產業的革新勢必帶動其配件市場的全面繁榮，汽車繼電器作為車輛中擔負大電流通斷的關鍵元器件其工作的可靠性對汽車的綜合體驗提升影響巨大。汽車繼電器尤其是在電動汽車控制系統中使用較為廣泛。同時汽車繼電器工作環境較為苛刻，其工作環境溫度最高可達125℃，最低可達零下40℃，同時繼電器作為小電流控制大電流通斷的觸點之間猶豫頻繁的吸和、分離導致其接觸面由于焦耳熱融化觸點間材料導致其接觸面材料發生遷移及侵蝕，甚至發生無法正常分離的熔焊現象。觸點間材料的遷移及侵蝕甚至熔焊進一步惡化了接觸面間的發熱量導致繼電器使用壽命、安全可靠性急劇下降，嚴重的時候甚至影響整車安全。筆者查閱相關材料采用大數據分析發現：繼電器90%故障大多發生在觸點之間。雖然汽車繼電器使用壽命還受到環境溫度、環境濕度、灰塵、工作環境等的影響，但觸點間材料的遷移及侵蝕才是造成汽車繼電器失效的主要原因。繼電器觸點材料的轉移和侵蝕關鍵影響因素為觸點間接觸電阻在電流的作用下所產生的焦耳熱融化觸點金屬，因而接觸電阻的形成機理及變化是探究觸點粘結機理的關鍵、是改善繼電器質量提升使用壽命的攻堅環節。而影響汽車繼電器觸點接觸電阻變化因素較多，各個因素之間又存在相互的影響及關聯。對繼電器接觸電阻變化的影響因素進行重點分析揭示影響因素之間的關聯關系。

2 接觸電阻的形成機理

使用直流接觸電阻測試繼電器觸點接觸電阻時，實際測量都是在接觸觸點間進行的，得到的測試值是觸點接觸總電阻（R），總電阻為材料電阻（Rl）和接觸電阻（Rc）之和，接觸電阻是指電流通過觸點時在接觸處由于接觸表面粗糙而產生的電阻，它由收縮電阻和膜電阻組成，如圖1。

2.1 收縮電阻

實際繼電器觸點在實際使用中的接觸表面在微觀情況下均是粗糙的，其接觸表面存在無數的不規則的凸起和凹坑。觸點兩個粗糙表面接觸時，實際接觸的并不是完整的兩個表面，而僅僅是兩個表面間的部分微凸體之間的接觸，從而形成離散的接觸點，這些接觸點在宏觀上構成了實際的觸點間實際接觸面積。由于接觸面由于粗糙度影響實際接觸為微凸點接觸，電流僅能夠接觸觸點間進行傳導，此時電流會因此而受到收縮從而產生電阻，也稱之為收縮電阻Rs。

2.2 膜電阻

工程實際中導體表面在自然環境下均會存在導電性較差的表面薄層而形成的電阻為膜電阻。該薄膜受自然環境的影響形成不同的成分、厚度。繼電器接觸觸點之間更多的是絕緣膜。絕緣膜是由于觸點所處在自然環境而形成的氧化物覆蓋、硫化物覆蓋、油脂及灰塵等附著在觸點表面之上形成厚度約100艾米厚度的絕緣層。由于該絕緣膜的存在導致觸點間形成額外的電阻即為膜電阻Rf。顯而易見絕緣層越厚膜電阻越大。

綜上所訴，接觸電阻由兩部分組成：一是由于電流線收縮形成的收縮電阻Rs;二是導電性較差的薄膜導致的膜電阻Rf。這些薄膜需要電或機械破碎才能形成金屬與金屬的直接接觸。總的接觸電阻可以由下式表示：

3 接觸電阻變化影響因素

繼電器觸點間接觸電阻變化因素主要為收縮電阻和膜電阻的變化，而影響收縮電阻及膜電阻的主要因素如圖3所示。

3.1 材料性質

由收縮電阻的產生機理可以發現接觸材料物理屬性直接影響收縮電阻的變化。在收縮電阻中每個電斑點的電阻與觸點材料電阻率成正比，而觸點間接觸導電斑點由觸點外力擠壓接觸粗糙表面微凸點形成，因而導電斑點的數量與觸點材料的硬度存在直接關系。

3.2 接觸形式

接觸形式對收縮電阻的影響。深入分析觸點間接觸形式分為：電接觸、線接觸、面接觸三種。三種接觸形式的分類依據主要是接觸點數目依次增加。通常而言面接觸擁有最多的接觸點，其收縮電阻最小。電接觸顧名思義其接觸點最少，收縮電阻最大。線接觸形式的收縮電阻介于兩者之間。

接觸形式對觸點間膜電阻的影響。每個接觸點上所承受的接觸壓力是接觸形式對膜電阻的主要影響因素，繼電器觸點間在電磁吸和力的作用下受壓力F，接觸面間由于外力F的作用形成n個接觸點，假設接觸點均勻則單個接觸點所承受的壓為：F1=F/n，而單個接觸點所承受的壓力F1與接觸形式直接相關。由上述可知點接觸存在最少的接觸點數n。相同外力F作用下點接觸形式下接觸點n點<線接觸形式下接觸點n線<面接觸形式下接觸點n面，由單個接觸點所承受的壓為：F1=F/n，可知點接觸形式下單個接觸點承受壓力最大，在相同電壓電流作用下最易突破接觸間的薄膜，因此點接觸形式是膜電阻Rf最少的，線接觸次之，而面接觸最大。

3.3 觸點表面粗糙度

繼電器觸點表面粗糙度對接觸電阻影響機理較為繁雜。觸點表面越粗糙，接觸面間接觸電斑點愈加的減少，至接觸電阻越大。筆者建議采用表面形貌分析方法對觸點接觸電阻進行計算。

3.4 接觸壓力

繼電器觸點間接觸壓力F作用下接觸面間的微凸點所承受的接觸壓力超過了材料的彈性形變極限而發生了塑性變形，進而導致接觸點增多、實際接觸面積增加，致使收縮電阻Rs減少。于此同時在接觸壓力F的作用下觸點間接觸微凸被壓潰進而擊穿了接觸面間的膜電阻，使膜電阻Rf下降，進而接觸電阻Rc下降。

3.5 溫度

材料物理屬性如電阻率、硬度等參數均是隨溫度變化，如接觸點溫度上升后，觸點間材料電阻率增大，與此同時材料硬度降低致使接觸面間有效接觸面積增加。觸點間溫度升高致使收縮電阻Rs升高，材料硬度降低使收縮電阻Rs減小。因此觸點間收縮電阻Rs隨溫度變化微乎其微。繼電器觸點間金屬材料在高溫下表面發生氧化，其氧化行為至接觸面間的氧化膜厚度增加進而導致膜電阻Rf增大，膜電阻Rf增大進一步導致發熱量增加致使溫度急劇升高，而溫度上升加劇了氧化膜的厚度致使膜電阻Rf進一步增加，依次反復惡性循環。

3.6 其他因素

觸點材料的材料穩定性、抗電侵蝕性能和抗磨性能均是影響觸點間接觸電阻的大小和穩定性的相關因素。觸點材料作為某種金屬，其表面氧化形成的氧化物、附著的硫化物、有機污染膜及各種自然環境下塵埃的吸附和沉淀均會嚴重影響觸點間接觸電阻的大小及穩定性。另外需要指出的是，當非金屬材料如石墨等作為電接觸材料時，當接觸位置的溫度很高（但低于接觸金屬材料的熔點）時，會使非金屬材料發生氧化等化學反應，使得接觸接觸狀況發生改變（如微觀形貌變化、宏觀的燒蝕后退等），使得接觸電阻發生改變。

綜上所述，觸點間接觸電阻的大小及穩定性受材料物理性能、表面粗糙度、外力F、工作環境、溫度等眾多因素影響的非線性影響關系，本文分析了影響繼電器觸點間接觸電阻的主要因素，分析其影響機理，提出采用表面形貌分形接觸的方法解決接觸電阻數值求解的途徑。

基金項目：貴州電子信息職業技術學院科學研究《汽車電磁繼電器觸點瞬態接觸行為及傳熱特性研究》

參考文獻：

[1]張鄭濱.汽車繼電器的發熱及散熱仿真技術研究[D].廈門理工學院，2020.

[2]呂樹遠.基于宏觀參數和微觀參數相關性分析的鐵路繼電器觸點性能研究[J].電器與能效管理技術，2020（04）：7-10+29.

[3]薄凱.直流繼電器觸點熔焊仿真分析與實驗研究[D].哈爾濱工業大學，2019.

[4]王海濤，王連崢，王子相.汽車繼電器用AgMeO觸點材料不同配對方式時的性能[J].材料科學與工藝，2019，27（04）：17-23.

[5]李文華，盧文將，趙月山，李爽，鄭杭，仝大永.航天繼電器微觀形貌參數與電氣參數融合方法研究[J].航天控制，2019，37（03）：54-60.