汽車用繼電器常見失效類型分析

石紅偉， 張廣勇， 程智敏， 盧 云， 熊英男

（吉利汽車研究院（寧波） 有限公司， 浙江 寧波 315315）

繼電器是使用廣泛的電器產(chǎn)品，若能對現(xiàn)場使用的繼電器實(shí)現(xiàn)工作可靠性評估及失效預(yù)測，不僅能避免“納偽”造成的系統(tǒng)故障，又能減少“棄真”帶來的經(jīng)濟(jì)損失，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義[1]。繼電器作為自動(dòng)控制電路中的一種常用元器件，可以控制一組開關(guān)的通斷，或通過電信號進(jìn)行控制，或是通過磁、聲、光、熱形式來控制，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、電力、航空、汽車等行業(yè)電器的控制。在實(shí)車的性能測試中，經(jīng)常發(fā)生繼電器失效導(dǎo)致回路不能正常通斷，從而造成電器功能的不正常。本文將通過汽車用繼電器的選型、繼電器的失效案例總結(jié)分析幾種常見的失效模型，以便在車用繼電器使用中規(guī)避潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，提高整車電器的可靠性。

1 繼電器的構(gòu)造和基本原理

繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、回位彈簧、觸點(diǎn)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 繼電器的結(jié)構(gòu)

繼電器工作原理如圖2所示。當(dāng)電磁繼電器線圈兩端加上一定的電壓或電流，線圈產(chǎn)生的磁通過鐵芯、軛鐵、銜鐵、磁路工作氣隙組成磁路。在磁場的作用下，銜鐵被吸向鐵芯極靴面，從而推動(dòng)常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合；當(dāng)線圈斷電時(shí)，機(jī)械反力使銜鐵回到初始位置，常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。

圖2 繼電器工作原理

2 繼電器的選型原則

2.1 分類

1） 按裝配方式分類：PCB 板繼電器、Plug in繼電器。其中，Plug in繼電器又分為ISO（Micro ISO、Mini ISO、Power mini ISO）、280（Ultra 280、Micro 280和Mini 280）兩種。

2） 按觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分類：單刀單擲型（SPST） 和單刀雙擲型（SPDT），如圖3所示。

2.2 選型原則

1） 繼電器電性能使用壽命選擇：根據(jù)負(fù)載類型選擇繼電器，常規(guī)負(fù)載用電器要求繼電器壽命在10萬次以上，真空泵頻繁啟動(dòng)的負(fù)載選用80萬次電耐久的繼電器。

2） 繼電器線圈端電壓類型選擇：繼電器線圈電壓有12VDC和24VDC兩類，汽車?yán)^電器一般選擇12VDC。

3） 繼電器觸點(diǎn)形式選擇：根據(jù)負(fù)載和原理設(shè)計(jì)情況選擇，一般除雨刮繼電器、電機(jī)正反轉(zhuǎn)負(fù)載選擇一組轉(zhuǎn)換形式外，其他均選擇一組常開形式。

4） 繼電器封裝形式選擇：繼電器封裝形式有塑封型（S） 和防塵罩型，塑封型防水性能好，適合濕區(qū)選擇，而防塵罩型散熱性能好。

5） 繼電器觸點(diǎn)材料選擇：繼電器觸點(diǎn)必須具備抗熔焊、耐電弧燒蝕、耐氧化等性能，觸點(diǎn)材料依據(jù)不同的負(fù)載電流和耐久次數(shù)會(huì)添加其他微量金屬元素，例如銦。

6） 繼電器開關(guān)端接通及斷開電流大小選擇：繼電器負(fù)載有3種，分別是阻性負(fù)載（后除霜、點(diǎn)煙器、常規(guī)負(fù)載）、感性負(fù)載（鼓風(fēng)機(jī)、油泵、電機(jī)） 和燈負(fù)載。根據(jù)用電器類型和電氣性能選擇，繼電器接通及斷開電流必須大于負(fù)載的啟動(dòng)峰值電流及工作電流，小電流小于0.3A的負(fù)載需要使用特殊信號類繼電器。

7） 線圈功率。線圈功耗是考察控制端對繼電器的能力，線圈控制引腳的電流能力要大于線圈功耗。宏發(fā)繼電器型號如圖4所示。

圖4 宏發(fā)繼電器型號

3 常見失效問題類型

繼電器常見失效問題類型按照回路通斷來進(jìn)行分類，主要分為繼電器長閉失效、繼電器無法正常閉合失效和繼電器閉合不導(dǎo)通。下文針對這3種類型一一進(jìn)行介紹。

1） 繼電器長閉失效：主要為繼電器觸點(diǎn)粘連，即接入過電流、開關(guān)頻率超過繼電器額定開關(guān)頻率、觸點(diǎn)部位異常振動(dòng)等情況都可能導(dǎo)致觸點(diǎn)粘連。

2） 繼電器無法正常閉合失效：一般為繼電器線圈端故障導(dǎo)致繼電器無法吸合接通，失效的主要原因有過電壓或超聲波清洗導(dǎo)致的線圈斷線，或電壓不符合繼電器要求導(dǎo)致的吸合力不足。

3） 繼電器閉合不導(dǎo)通失效：主要發(fā)生的故障點(diǎn)在閉合觸點(diǎn)因異常導(dǎo)致的不導(dǎo)通，異常點(diǎn)主要有閉合接觸點(diǎn)沾污、結(jié)構(gòu)缺陷（間隙不合理、連接簧片斷裂）、連接件鉚接虛脫。

4 失效案例分析

1） 觸點(diǎn)粘連失效：某試驗(yàn)車在高溫耐久試驗(yàn)中發(fā)生車輛熄火后風(fēng)扇長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，通過診斷確認(rèn)全車無故障碼。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)是高速風(fēng)扇繼電器輸出端始終有電壓，通過拆解，發(fā)現(xiàn)繼電器的動(dòng)靜觸點(diǎn)因高溫熔融，從而導(dǎo)致觸點(diǎn)粘連失效。如圖5所示。

圖5 觸點(diǎn)粘連失效

2） 線圈斷裂失效：某試驗(yàn)車在跑耐久試驗(yàn)的過程中使用空調(diào)功能時(shí)，發(fā)現(xiàn)空調(diào)不出風(fēng)。經(jīng)排查，給鼓風(fēng)機(jī)繼電器線圈端模擬控制信號時(shí)，繼電器輸出端無電壓，懷疑繼電器線圈端故障損壞。通過拆解，發(fā)現(xiàn)繼電器線圈漆包線受力后擠壓斷裂，線圈無法導(dǎo)通，導(dǎo)致繼電器無法吸合。線圈斷點(diǎn)如圖6所示。

圖6 線圈斷點(diǎn)

3） 繼電器閉合不導(dǎo)通失效故障：某車型在耐久路試過程中發(fā)現(xiàn)整車存在偶發(fā)不能起動(dòng)或熄火的問題，經(jīng)排查，為電器盒中的油泵繼電器無電壓輸出導(dǎo)致，如圖7所示。對故障繼電器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸點(diǎn)存在沾污（圖8），通過能譜分析沾污主要成分含有Na（鈉）、K（鉀） 元素，該元素導(dǎo)電率低，長期聚集在動(dòng)觸點(diǎn)，導(dǎo)致無法接通，從而發(fā)生油泵繼電器無法正常工作的問題。

圖7 油泵繼電器無電壓輸出

圖8 動(dòng)觸點(diǎn)存在沾污

5 總結(jié)

結(jié)合實(shí)車發(fā)生的繼電器失效問題，通過問題現(xiàn)象分析發(fā)生問題的原因，最終將問題解決。因繼電器會(huì)影響到整車的電器功能，需要明確繼電器的構(gòu)造、工作原理和失效模式，以便在汽車用繼電器的選型中提供簡單的指導(dǎo)，從而提升整車電器性能的可靠性。