基于商用车24V整车电环境控制回路继电器选型研究

【摘要】文章首先阐述继电器的结构特点，并以商用车24V整车电环境控制回路继电器为研究对象，通过试验对比，总结不同负载对继电器的影响，提出商用车24V电环境选用控制继电器的选型规范，为设计商用车整车电路提供理论依据。 

继电器在整车电路中基本承担4种功能：①放大， 用一个很微小的控制量， 可以控制很大功率的电路；②扩大控制范围， 例如， 多触点继电器控制信号达到某一定值时， 可以按触点组的不同形式， 同时换接、开断、接通多路电路；③综合信号， 例如， 当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时， 经过比较综合， 达到预定的控制效果；④自动、遥控、监测， 例如， 自动装置上的继电器与其他电器一起， 可以组成程序控制线路， 从而实现自动化运行。

继电器从结构构成分类可以分成两类：触点继电器和电子继电器。其中， 触点继电器因为结构的原因， 还具备一个特性功能：实现线路的隔离。例如线圈输入回路（直流24V） 与触点驱动回路（交流220V） 不同的电压在继电器内实现物理隔离。电子继电器因为电子电气的特点， 可以具备微电流的电路逻辑转换功能。

1.2 基本结构

触点继电器基本结构如图1所示。其原理简要说明为：

通过线圈的电流产生磁场， 拉动衔铁向下运动；运动过程中动簧的动触点从常闭静触点移开， 实现常闭回路断开；衔铁继续移动到位置， 动触点与常开静触点接触， 实现常开回路闭合。这是触点继电器的基本结构构成， 实际上根据继电器线圈电流特性和触点负载特性， 一般会在线圈端和触点端增加电容、电阻、二极管来做特性改善。

1.3 继电器的基本特性

1.3.1 触点继电器线圈的电流特性、触点吸合电压特性

继电器线圈是一个标准的电感， 在通电过程中电流上升过程出现短谷底波折， 是因为衔铁运动改变线圈磁场，反作用于线圈电流造成电流跌落。随着衔铁运动停止， 改变磁场反作用效应停止， 电流匀速升至平衡点。需要注意的是， 由于动簧片在衔铁运动过程中， 特别是动触点与常开静触点闭合的弹跳颤动的原因， 触点电压的切换出现毫秒级的瞬断波形。这种触点弹跳现象会造成两个后果：一是产生触点电弧烧蚀， 造成继电器触点寿命缩短；二是造成输出波形杂波， 对波形型号要求比较高的控制信号采样信号造成干扰， 出现误判。这是基于电路控制特性选用继电器型号的重要依据之一。图2为触点电流的理论特性曲线和实测特性曲线， 显示为基本相同。

1.3.2 触点继电器线圈的释放电压特性

在继电器线圈由稳定通电状态切换为不通电状态时，线圈作为电感元器件储存的能量会转化成反向电动势， 通常这个反向电动势瞬间电压可达上千伏（与线圈驱动电压、电流、电感有关）。这个反向电动势返回线圈电路，会造成电路的其他器件的损坏。常用在线圈端的抑制措施有并联续流电阻和并联续流二极管， 如图3、图4所示的两种方式。

表1是针对某型号继电器（24V、20A） 在没有加抑制措施和增加电阻、二极管抑制的效果。从表1测试结果看出， 并联电阻能降低外部冲击电压， 采用千欧级电阻并不能完全消除反向冲击电压， 且并联电阻会发热， 所以不适宜采用小电阻降低反向电动势。而采用并联二极管的方式， 能完全消除反向电动势， 对外部电路能做到完全没有冲击， 并且在继电器工作时， 二极管本身不发热。但是，由于二极管本身存在极性， 在生产上需要控制二极管不能接反， 并且外部线路也不能接反。

在采用控制器驱动继电器线圈时， 需要注意线圈的电感特性， 需要注意控制本身的断电流和耐冲击能力。部分控制器在内部驱动电路设计时， 已经设计有续流二极管，此时继电器线圈可以不增加任何保护。当控制器端无续流电路设计时， 需考虑在继电器线圈端并联续流二极管。

1.3.3 触点继电器线圈的温度特性

继电器线圈通电后， 其动作电压随温度变化有提升，一般可以借用图5所示曲线进行甄选。线圈的动作电压与线圈的温度密切相关；连续通电以后， 线圈内部温度升高， 吸合电压会提升。现阶段商用车继电器漆包线的耐温等级一般都在180℃。试验测量时， 考虑到电阻法所测的线圈温升是平均值， 安全的使用策略是在不同使用环境、不同负载条件下的测量， 线圈的温升控制在170℃以下为宜。

1.3.4 触点继电器触点间隙特性

触点间隙决定继电器的断开能力， 同种类型负载下，负载增加， 触点间隙也要随之增加。不同的负载种类， 对触点间隙的要求也不一样。表2列举了某继电器的触点最小间隙的控制值， 设计时可以选用向上兼容的方式。特殊工况要求下， 部分特殊继电器触点间隙可以设计成1.4mm。

通过触点外部电路保护， 可以使最小触点间隙减小。常用的保护方式是针对电机/电感类型负载， 在触点端并联电容。通过并联电容， 电容能吸收电机/电感负载断开时形成的反向电动势， 也可以通过并联反向稳压二极管， 工作原理是一样的。继电器触点并联电容电路如图6所示。

1.4 触点继电器触点表面材料

继电器表面镀层一般选用银氧化锡（AgSnO2） 或银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3）。银氧化锡具有较高的熔点和沸点， 具备一定的抗熔焊和耐磨性能， 并且能够适应较大的浪涌电流， 在灯光负载和电阻负载情况下经常用到。银氧化锡氧化铟在抗熔焊和硬度方面较银氧化锡有一定的提升， 在电机负载和电感负载情形下会用到。

1.5 触点继电器触点电阻

继电器触点之间的接触电阻由动触点的收缩电阻（Rj）、膜电阻（Rs1）、静触点收缩电阻（Rb） 组成。继电器触点接触面如图7所示。

触点继电器触点电阻计算公式为：

式中：Rnj———触点继电器触点电阻；ρ———触点材料电阻率；σ———膜的隧道电阻率；ap———导电斑点的半径平均值；n———触点个数。

根据公式（1） 的结论：触点压力越大， 接触斑点数量越多， 斑点直径越大， 触点接触电阻就越小。

可以看到， 触点间接触电阻不可能为0。当触点负载电流为小电流（1A以下） 或者负载有高反向电压时， 从带电常通到断开的瞬间， 触点间会产生电弧。电弧会将触点周围的有机气体碳化， 在触点上形成积碳。如果触点导通产生的热量不能将触点表面的积碳烧蚀消耗， 积碳堆积就会形成假导通现象， 即触点接触， 电路不导通。所以，触点电流小于1A的电路不能采用触点继电器， 会有一定概率的假导通故障发生。这种电路一般采用电子继电器。

1.6 高边电子继电器原理

高边电子继电器原理如图8所示。电路采用桥式输入，控制端可以不分极性。电阻R1、电阻R2、电容C、TVS管D1构成输入防护电路， 吸收限制干扰及脉冲信号。稳压二极管D2、R3调整工作电压， 使输入电压在一定范围内（14~32V）， 继电器均可以稳定输出。三极管Q1构成驱动电路， 高边功率开关BTS6143D构成开关电路， 负责接通断开负载。大功率TVS D3对电源端的干扰耐冲信号进行抑制。BTS6143D输出4脚是预留的电流监控信息输出端。

控制信号输入后， 如果大于起始电压Ug， 三极管Q1导通饱和， U1第2脚电平被拉低， 1、5脚与3脚导通， 负载得电开始工作；控制信号断开后Q1截止， U1第2脚电平恢复为高电平， 内部MOS管断开， 负载无电。

基于成本考虑， 商用车电子继电器主要解决小电流的可靠通断状态判断， 以及克服触点弹跳带来的杂波信号，在整车电路设计中采用不多。

2.1 电流小于1A的负载

商用车电流小于1A的负载， 无论是阻性负载、感性负载还是灯泡负载， 触点继电器都不能保证可靠导通。基于此， 建议采用电子继电器进行控制。其电压电流特性与以下叙述特性基本相同， 分别由电子继电器采用电子电路进行保护、抑制、防浪涌措施。

2.2 阻性负载

阻性负载电压电流特性如图9所示。阻性负载触点端电流和外部电压值呈现正比关系， 在吸合和断开的瞬间， 电路电流和电压无异常波动值。由欧姆定律可知，电压和电流的比值， 即为整个回路的总电阻。继电器触点在驱动此类负载时， 触点不需要设计额外的保护电路。需要注意匹配的负载不大于继电器允许的额定负载。

2.3 灯泡负载

灯泡负载电压电流特性如图10所示。灯泡负载在刚接通的时候， 其电流值特别大， 为额定电流的13~30倍， 约30ms后稳定到额定电流值。因为这个原因， 触点接通时产生的电动力大于线圈吸合电磁力， 产生触点弹跳的几率和特征表现比其他负载更为明显， 触点烧蚀的概率明显增加。设计匹配的继电器时要比灯泡负载回路的额定电流增加一倍。实测灯泡负载电压特性，采用额定20A、触点无电路保护、负载21W （ 24V） 的灯泡， 如图11所示， 继电器接通时的触点发生了2次弹跳。

所以， 在设计匹配的继电器时要比灯泡负载回路的额定电流增加一倍， 同时触点的寿命设计要做适当增加。

2.4 电感负载

电感负载电压电流特性如图12所示。电感本身的特性是电流不能突变，所以在开关断开时， 电感本身会产生感应电动势，理论上， 其大小与外部回路电阻成正比。感应电动势会在一定时间内衰减为0， 衰减时间与电阻成反比， 与电感值成正比， 电感负载对触点的危害主要是断电时的反向电动势。

2.5 电机负载

电机负载电压电流特性如图13所示。电机负载在接通时， 由于电机没有转速， 没有产生自感电动势， 而电机电枢电阻值很小， 所以接通时电流值会偏大。而电枢又是一个电感， 在电机断电时， 会产生一个反向电动势， 电枢电感会对电机接通时的电流尖峰有一定的抑制作用。电机负载在接通时的尖峰电流和断开时的反向电动势都会对继电器触点产生危害。

3.1 线圈回路分析

线圈输入回路的电压电流特性包括回路电压波峰、波谷、温度等要求， 以及回路其他电器件对反向电动势的要求， 选用适当类型。线圈端的选型要素是：额定电压、线圈电阻、吸合电压、释放电压、线圈温升、反峰电压以及线圈并联电阻、二极管类型。特殊要求的回路还会对继电器线圈的吸合、释放时间提出要求。

3.2 触点回路

1） 负载类型。根据阻性负载、感性负载、灯泡负载、电机负载的电压电流特性， 选用继电器。

2） 负载容量。根据容量选用继电器， 注意负载容量的选择要考虑连续工作电流、最小工作电流、电机堵转工况下电流。

3） 触点寿命要求次数。包含特殊工况（电机堵转工况） 寿命次数。

4） 触点电压降要求。

3.3 使用环境要求

其他按照继电器安装使用环境要求考虑选用温/湿度、外形尺寸、耐振动性能、耐冲击性能等。