汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

2021年12月15日系统设计 产品开发评论6293447字阅读模式

本文介绍了汽车继电器的分类以及插入式电磁继电器的结构和关键参数,同时结合工程实践总结了一套继电器选型的方法,并对整车电气系统设计时继电器相关回路设计注意事项进行阐述,具有一定的指导意义。

1、引言

继电器在汽车电源分配电路以及车身控制器PCB板上很常见,单台车不同型号继电器的使用数量从20个到40个不等,包括发动机主继电器、灯光继电器、雨刮继电器、鼓风机继电器、电动门窗继电器、天窗电机继电器等,由于继电器所控制的负载不同、布置区域的不同以及EMC的需求,因此根据不同的使用场景选择合适的继电器对于整车电气系统的可靠性至关重要。

2、继电器的作用及分类

继电器是当输入量达到规定条件时,其一个或多个输出量产生预定跃变的元器件,继电器在汽车电路中的主要作用有:

(1)电流放大:允许使用低电流开关(或模块内部MOSFET驱动)控制大电流的通断;

(2)电气隔离:在负载之间提供电气隔离(例如消除潜藏回路);

(3)逻辑反转:将低电平控制信号转换为高电平控制信号;

汽车继电器的分类方式有很多种,按照内部结构分为:

(1)电磁式继电器:借助电磁感应原理通过触点的闭合/断开通断电路;

(2)固态继电器:是由微电子电路,分立电子器件组成的新型无触点开关器件;

(3)组合式继电器:采用PCB式继电器与其他逻辑电子线路一起组成特定功能的继电器。

国标QC/T 695-2018—《汽车用继电器》根据安装类型和外形及负载能力将汽车汽车继电器分为7个类别(如表1),本文主要对汽车上电源分配系统(保险/继电器盒)内常用的插入式电磁继电器选型及使用原则进行介绍。

表1:国标汽车汽车继电器的分类

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

3、汽车插入式电磁继电器的结构及关键参数

插入式电磁继电器主要由绕组(线圈)、铁心、轭铁、衔铁、动簧片、动断触点NC(在继电器动作后处于断开状态、释放后处于闭合状态的触点组)、动和触点NO(在继电器动作后处于闭合状态、释放后处于断开状态的触点组)、引出脚以及底座组成(如图1),在线圈未通电时依靠动簧片的拉力使动断触点接通、动和触点断开,当在线圈两端输入一定的电压或电流后,线圈产生的磁场克服动簧片的拉力而吸引衔铁,从而使动断触点断开、动和触点闭合。

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

图1:电磁继电器的内部结构

汽车插入式电磁继电器的主要参数包括触点参数、性能参数、线圈参数,表2针对各主要参数进行详细的解释:

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

表2:电磁继电器的主要参数-1

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

表2:电磁继电器的主要参数-2

4、继电器的选型方法

下面通过某纯电动轻卡驱动系统散热风扇继电器的选型过程来分析插入式电磁继电器的选型方法:

4.1根据负载类型及负载大小选择继电器的型号

整车用电器的负载类型大致可分为阻性负载(如外后视镜加热,后风窗加热等),感性负载(如冷却风扇等),容性负载(大灯、雾灯等),对于感性负载、容性负载除了考虑负载稳定工作后的连续电流外还要考虑触点接通瞬间的脉冲电流、浪涌电流的大小,负载稳定工作的连续电流要小于所选用继电器触点参数的最大连续电流限值,脉冲电流及浪涌电流的峰值要小于所选用继电器触点参数中最大切换电流的限值,如图2为该纯电动轻卡所用散热风扇示波器采集的起动电流波形,稳定工作电流为19.4A,启动瞬间峰值电流为64A,根据公司平台化及通用化规则选用宏发 HFV15类型继电器,该继电器常开触点最大连续电流40A(85°C),最大切换电流150A(NO触点)满足负载的需求。

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

图2:散热风扇启动电流波形

4.2确定继电器使用电压

根据整车电压平台选择继电器的使用电压,例如在商用车上分12V、24V平台,所以选用继电器的线圈电压要和整车的电压平台相匹配,用于切换24V负载的继电器触点间隙远大于切换12V负载的触点间隙,如果将标有12V的继电器用于切换24V负载,有可能无法断开电弧而导致继电器烧毁,因为该纯电动轻卡低压系统为12V平台所以采用宏发HFV15/12类型继电器。

4.3 确定触点的形式

根据整车电气原理选择一组常开(只有动合触点NO)或者一组转换形式(包括动断触点NC和动合触点NO),该纯电动轻卡驱动系统散热风扇由VCU根据电机控制器IGBT温度以及驱动电机温度设置阀值来控制继电器的触点闭合,因此选用一组常开形式。

4.4根据继电器使用环境选择封装方式

汽车上常用的插入式电磁继电器一般放置在继电器盒内,通常选用防尘罩型,而对于有防水要求的则选择塑封型,其底座、引出端和外壳间有点胶封闭,继电器内部被封闭在外壳和底板内,该车型散热风扇继电器布置在底盘保险盒内因此可选用防尘罩型。

4.5选择触点材料

对于同一款继电器,不同的触点材料所适用的负载种类或范围略有不同。常用的触点材料为AgSnO2银锡合金氧化物触点材料,其具有优秀的抗粘接性,同时材料转移少,适用于阻性负载、灯负载、感性负载和容性负载,所以在选用继电器时触点材料通常默认为AgSnO2银锡合金氧化物触点材料。

4.6是否在线圈两端并联瞬态抑制元件

由于继电器的线圈是感性负载,当断开继电器线圈回路时,储存在线圈中的能量会在开关两侧产生过电压,该过电压的峰值甚至可以达到数KV,并且关端速度越快,过电压峰值越高,如果控制线圈回路的半导体元件耐压不够高的话将极有可能被击穿失效,同时该反峰电压沿电源线传导会造成严重的电磁骚扰,通过在线圈两端并联瞬态抑制元件(电阻、二极管、TVS)可在线圈的控制开关断开后,将线圈和抑制元件构成导电回路,从而有效缩减线圈断开的反向峰值电压,但同时使得线圈电流的衰减速度变缓,导致继电器的动触点返回常闭位置的速度变缓,时间增加,引起继电器的寿命降低。在线圈两端并联瞬态抑制二极管对反峰电压的抑制效果最好但同时对继电器的降低程度最大,因此通常不推荐使用,通常选用在继电器线圈两端并联瞬态抑制电阻的方式来降低反峰电压,因此选择在散热继电器两端并联680Ω瞬态抑制电阻从而降低由继电器引起的传导骚扰问题。

总和如上6项内容可确定该纯电动轻卡车型驱动系统散热风扇继电器的型号为宏发 HFV15/12-HT-R,如下图3其订货标记示例。

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

图3:宏发继电器订货标记示例

5 、继电器的使用原则

5.1满足最小负载电流的原则

电磁继电器的设计在触点负载电流大于1A时可以稳定的切换,但当触点负载电流小于1A(例如负载为电磁阀、电磁铁等)时,由于开闭电弧所引起的触点面清洁效果较小,长期使用触点表面积碳,因此接触可靠性会下降,对于该使用情况需要进行可靠性的验证或者选用固态继电器替代电磁继电器。

5.2避免线圈两端并联电器负载的原则

如下图4所示,这是一个经常出现在车辆电源模式控制情景下的示意图,图中上游的S1开关可以是点火钥匙或者BCM、PEPS的电源模式高边驱动输出,例如RUN/CRANK,S1还可能是另一个继电器的触点,例如发动机系统的主继电器,

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

图4:电器负载和继电器的线圈并联示意

当没有负载2时,S1开关在断开时,储存在继电器线圈中的能量通过图4中小的电流回路进行释放,线圈中的电流通过并联在线圈两端的电阻(通常为680Ω),考虑线圈电阻(HFV15为90Ω)后的等效电阻为79.5Ω,当继电器线圈控制回路在断开前的电压为13.5V时,当S1断开瞬间流经线圈和并联电阻的电流为170mA,并逐渐减小将线圈中存储的电能转换为热能。但当负载2存在,如图4并联在继电器线圈的两端时,存储在继电器线圈中的电流在释放时会通过接地回路寻找到另外一条路径如图3大的电流回路,如果负载2的电阻为3Ω,则线圈释放的大部分电流就会经过负载2,这样磁场会以较慢的速度分解,继电器触点的回跳时间延长,导致触点间电弧发生触点黏连的可能性增加。

为了避免上述情况,通常可以增加继电器的底边控制,如图5在继电器线圈后面增加S2开关,S1仅仅控制整车的电源模式,实际继电器的工作转状态由S2开关控制,例如对于上述纯电动轻卡车型驱动系统散热风扇继电器,通常将整车控制器(VCU)作为S2开关来控制散热风扇的工作状态。另外也可以在负载2的电源输入回路增加二极管,可阻止继电器线圈释放电流通过负载2.

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

汽车插入式电磁继电器的选型及使用原则

图5:阻止线圈释放电流通过并联回路的方法

6、结论

通过上述继电器的选型方法及继电器使用原则可规避前期设计阶段因为继电器选型不合理造成的继电器触点烧蚀、积碳以及EMC问题,但同时还需要在设计验证阶段借助一系列的电性能测试对继电器的设计选型进行验证,从而保证车辆在面对各种复杂使用工况的可靠性。

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