汽车典型负载特点及对应继电器使用触点材料的设计

汽车典型负载特点及对应继电器使用触点材料的设计吴灵勇【摘要】机电式继电器在汽车上的作用越来越重要.本文将分析汽车上典型负载的特点，比较不同类型的汽车电气负载，选择不同的继电器触点材料与其相对应.并通过实验结果说明该如何选择合适继电器触点材料.【期刊名称】《电气技术》【年(卷)，期】2010(000)009【总页数】4页(P54-57)【关键词】汽车;负载;继电器;触点;材料;选择【作者】吴灵勇【作者单位】厦门宏发电声股份有限公司，福建，厦门,361021【正文语种】中文1引言为减少燃料的使用，增加人员乘坐的安全性和舒适性，车上所需电子装置和控制装置越来越多，这些电子装置和控制装置大都使用机电式的继电器接通、断开和转换负载。因而机电式的继电器在汽车上的作用越来越重要。如果在整车设计时选择的继电器不当，将会带来很大的问题：如继电器的早期失效增多，带来大量的售后维修工作，严重的可能对驾乘人员的安全造成危害。据统计，继电器失效有60%是由于触点失效引起的，需要引起高度重视的是其中由于触点材料选择不当而造成的继电器失效比例约占其中50%。本文将分析汽车上典型负载的特点，比较不同类型的汽车电气负载，选择不同的继电器触点材料与其相对应。并通过实验结果说明该如何选择合适继电器触点材料。2汽车负载种类汽车上负载种类比较多，如大灯负载，车内照明灯负载，转向灯负载，车窗升降负载，空调负载、后窗加热负载、点烟器负载，雨刮器负载，油泵负载等等，以上的负载根据其负载特性，不考虑特别的情况，大致可以归类为三大类，分别为灯负载，电动机负载和阻性负载，各大类负载的特点同中有异，如灯负载中有闪光灯、照明灯、大灯等负载，闪光灯的负载和照明灯、大灯的负载有很大的不同，电动机负载中比较特殊的是控制正反转的电动机负载，如自动车窗、自动顶篷等负载，正反转的电动机负载带有反向的冲击电流，在继电器触点材料选用上需要特别注意。各种大类负载的的性能，用示波器上可以看出其负载的特点。（1）灯负载图1所示的是典型的灯负载的波型图，灯负载的特点在灯刚接通时有一个比较大的冲击电流，之后电流趋于稳定，图1所示的一个所测量的型的灯负载的波型图，汽车上的大灯负载，两只55W大灯，稳态电流为10A，冲击电流达到55A，有这样的波形是因为当灯丝第一次通电时，由于灯丝处于冷态，电阻比较小，当通电一段时间，灯丝被加热，灯丝的电阻变大，其通过的电流变小。图1灯负载（2）感性负载图2所示的是典型的电动机负载的电流波型图，电动机负载的特点在电动机刚开始动作时有一个比较大的冲击电流，之后电流趋于稳定，这是因为当电动机的转子刚开始动作时，电动机还没有产生反电动势，所以有比较高的冲击电流，当动作一段时间后，反电动势逐渐增大，使负载的电流逐渐下降，当到达一定时间后就趋于稳定，从电流波形上看电动机负载的电流波型图与灯负载的波形图有点一致，但实际上差别比较大，灯负载在第一次通电的瞬间通常有一个比较大的瞬间电流，最高可达稳态电流的15倍左右，由于时间很短，必须选择合适的示波器量程才能看出来，这种负载对继电器触点比较严酷，通常在接触的瞬间发生触点粘接的现象，对继电器的触点材料要求比较特殊，电动机负载的峰值比较固定，和稳态电流的倍数比值和灯负载比通常较低。图2电动机负载电流波形（3）阻性负载阻性负载的电流波型图比较简单，就是一条直线，电流始终处于稳定的状态，在对继电器触点的考验方面，由于负载没有冲击电流，因此触点材料的转移比较小，触点始终处于相同的电流作用下，触点电阻间发热相对比较严重，因此触点材料本身的接触电阻要比较低。3适用于汽车继电器的触点材料性能根据汽车上负载的特点和类型，用于汽车继电器中的触点材料必须具有以下的特点:（1）良好的导电性和导热性。这是对触点材料的基本要求，材料本身要具有低而稳定的电阻，同时在工作一段时间后，要保证接触电阻不会急剧增大，温度不会升高太多。（2）耐电磨损。承受的电流密度较大，触点材料必须要能经受强电弧的侵蚀，保证有足够的使用寿命。（3）抗熔焊能力强。在汽车继电器使用过程中，如灯负载和电动机负载等往往还存在着大的浪涌电流，极易造成触点熔焊或剧烈烧损，触点材料在选择材料成分和结构时要充分考虑到这一点。（4）良好的机械加工性。触点材料要加工成各种形状，特别是大量的铆钉型触点，因此触点材料应具有高强度并兼顾很好的塑性。根据以上的分析，有以下三种触点材料常用于汽车继电器上。（1）第1种触点材料：AgNi0.15AgNi0.15的材料是由第一组分（金属Ag）和第二组分（Ni）混合形成的粉末金属复合材料，其中Ni的含量为0.15%，性能接近于纯银，俗称〃细晶银”，材料的物理质地软，材料塑性和延展性好，制成的触点接触电阻比较小，在高浪涌电流负载的条件下容易发生触点粘接现象。（2）第2种触点材料：AgSnO2AgSnO2也是一种合金材料，是由第一组分（金属Ag）和第二组分（氧化物SnO2）混合形成的粉末金属复合材料，其中第一组分金属银具有良好的导电性、抗氧化性、抗氮化性。第二组分SnO2决定电弧的开断性能，其很高的熔化和分解温度使Ag-SnO2在电弧的高温作用下不易分解，这种材料的作用机理有两个：一是氧化物的分解和升华中消耗了大量电弧输入触点的能量，使得触点冷却；二是金属氧化物在触点表面熔池中以颗粒形式存在，增加了熔融态金属的粘性，有助于降低因液态喷溅发生的损耗。三是SnO2粒子增大了Ag熔池的粘度使熔化的银不易喷射，电弧侵蚀小。四是SnO2具有的脆性使Ag-SnO2的抗熔焊性很好，且抗熔焊稳定性很高。（3）第3种触点材料：AgSnO2In2O3人们在多年AgSnO2材料的负载应用开发中了解到AgSnO2触点材料具有以下的不足：在电弧多次作用下，SnO2成分富集于触点表面引起接触电阻增大，温升较高。严重影响了电气使用性能，这也是导致AgSnO2材料在运行过程中尤其是通断操作次数很高时，温升比较高的原因。通过添加特定的添加剂，可有效地降低通断操作过程中AgSnO2触点材料的温升。有研究认为，SnO2具有较高的热稳定性，在高温下比CdO、ZnO更不易分解，AgSnO2触点材料在一定的负荷下，经多次通断操作后，触点表面不断形成非导电的SnO2渣层，使接触电阻升高。形成非导电的SnO2渣层的原因是Ag对SnO2颗粒的润湿性差，当融化时SnO2颗粒聚集，而Ag在电弧作用下发生喷溅逐渐减少，最后在触点材料表面出现了SnO2渣层，AgSnO2In2O3在AgSnO2的基础上添加了In2O3成分，材料的物理质地更硬，材料塑性和延展性差，制成的触点接触电阻比较大，但是在电寿命实验中，材料表现出来的优良的抗转移性能。4试验验证汽车负载的继电器触点材料选择必须根据负载的特点和触点材料的性能进行匹配选择，对于这个问题，很多资料根据材料的特性和负载的特点给出了一些指导，本文拟通过具体试验来阐述这个问题。试验的载体为一种汽车继电器，型号称为HFKC，这种继电器的特点是结构性能比较稳定，选择做实验的继电器样品使用同批的零件，在同样的制造条件下按同样的制造参数制造出来，基本上可以保证继电器的性能散差很小。不同触点材料的继电器分批情况见表1。安排进行的试验主要用到的设备见表2。表1批号对应继电器使用的触点材料AAgNi0.15BAgSnO2CAgSnO2In2O3表2试验设备序号设备名称1继电器综合参数测试仪27410绝缘耐压测试仪3开关电源4直流电源5负载柜4.1阻性电寿命试验（1）实验条件环境温度：23°C，激励电压：13.5VDC,触点负载为20A，实验频率：2s通，2s断。试验线路图：见图3,实验负载只接继电器的常开负载端。（2）实验结果（见表3）图3表3组别继电器数量试验结果A组10只全部样品达到30万次以上B组10只5只样品在20万次以下失效，接触电阻变大C组10只6只样品在15万次以下失效，接触电阻变大4.2灯负载电寿命试验(1)实验条件环境温度：23°C，激励电压：13.5VDC,触点负载为147W，实验频率：1s通，6s断。试验线路图：见图3,实验负载只接继电器的常开负载端。图4(2)实验结果(见表4)表4组别继电器数量试验结果A组10只全部样品在3万次以下失效，触点粘接失效B组10只2只样品在6万次以下失效，触点粘接失效C组10只全部样品达到10万次以上4.3感性负载电寿命试验(1)实验条件环境温度：23C，激励电压：13.5VDC,触点负载为模拟电动机负载，冲击25A,温态5A试验线路图：见图5,实验频率见图6。图5图6(2)实验结果(见表5)表5组别继电器数量试验结果A组10只全部样品在15万次以下失效，触点粘接失效B组10只全部样品达到30万次以上C组10只全部样品达到30万次以上，接触电阻较大4.4结果概述上述所提到的三种触点材料，AgNi0.15,AgSnO2,AgSnO2In2O3在不同的负载条件阻性、灯和电动机负载下表现各不相同，在阻性负载条件下，AgNi0.15因其较小的接触电阻，在阻性负载通电时发热较小，表现最好，在灯负载的条件，AgSnO2In2O3因其良好抗触点粘接性能，有最好的表现，在电动机负载的条件下，AgSnO2，AgSnO2In2O3都能达到较高的电寿命的要求，但是AgSnO2In2O3有较高的接触电阻，同时因为In材料比较贵，所以在电动机负载的条件下，推荐使用AgSnO2继电器触点材料。5结论根据上文论述的接触材料理论和具体实验情况，在实际的工程应用上可以大概有对应负载的触点材料的使用范围，满足实际的产品使用要求，表6就是实际工程应用上各种负载推荐使用的继电器触点材料，继电器的使用客户也可以按表6的要求来选择使用继电器型号。表6触点材料适用负载类型负载描述AgNi0.15阻性负载电流稳定，无冲击电流AgSnO2电动机负载冲击电流较小，或中等AgSnO2In2O3灯负载冲击电流较大以上的表格工程上适用性较好，但是在实际的产品应用当中，由于具体应用条件的限制，还必须进一步的进行研究，如在一些比较特殊的应用场合，要对负载对应的触点材料重新进行考虑，如汽车灯负载中的闪光灯负载，单用AgSnO2In2O3可能也会有问题，如接触电阻较大，造成产品失效，要选择合适的触点材料与其配对使用；电动机负载中的大电动机负载，也可以考虑根据负载的实际情况选择AgSnO2In2O3触点材料。因此，建议汽车继电器触点材料的选择在把握以上大的原则后，最好还必须通过具体的试验来验证选用的继电器触点材料的是否合理。参考文献孟凡斌.河北工业大学博士后出站报告.周兆锋，甘卫平.AgSnO2触头材料的研究进展[J].稀有金属与硬质合金,2004,Vol.32.M.Ohta,新型银-金属氧化物触头材料[J].电工合金,1999