12V直插式汽车继电器应用以及案例分析

熊洁（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉　430056）

12V直插式汽车继电器应用以及案例分析

熊洁
（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉430056）

介绍汽车继电器技术知识、应用选型，讲述汽车继电器在整车中的主要功能、控制应用、工作原理、未来发展趋势，通过典型案例分析了解继电器相关故障模式以及问题处理方法，全方位掌握直插式汽车继电器技术知识。

继电器；应用选型；故障模式；案例分析

1　汽车继电器定义以及技术参数

1.1技术定义

继电器是一种电控制器件，是当输入量 （激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控制量发生预定的阶跃变化的一种电器元件，是能反映一定输入信号 （如电流、电压、功率、温度、速度、频率、光等）的感应机构，实现被控电路通、断控制的执行机构。它实际上是用弱电流去控制大电流运作的一种自动开关，在电路中起着自动调节、安全保护、转化电路等作用。

1.2工作原理

按照继电器触点形式可以将继电器分为转换型和开关型两种，如图1所示。

图1　　继电器原理图

1）开关型该继电器有4个引脚，其中2个引脚接线圈，作为输入端即控制端，另外2个引脚接负载作为输出端。线圈不通电时两触点是断开的，负载回路不工作；线圈通电后线圈电压达到吸合电压值时，两个触电闭合，负载回路导通开始工作。

2）转换型该继电器共有3个触点，中间是动触点，上下各有一个静触点，即NO常闭点 （87a）和NC常开点 （87）。线圈不通电时，动触点与NO静触点断开，与NC闭合，位于常闭端负载回路导通工作。线圈通电后，动触点移动，使原来断开的触点闭合，原来闭合的触点成为断开状态，切换为常开端负载工作，以达到转换的目的。

机械结构继电器不工作时，触点位于常闭端静止位置，如图2a所示。当线圈通电吸合，动触点接触到常开触点，位于常开端回路负载导通工作，如图2b所示。

图2　　机械原理图

部分继电器内部线圈会并联二极管或电阻，可以降低或者消除电路中可能出现的300～500V峰值的反向电动势，从而保护电控系统中的电器元件，防止出现功能失效［1］。

1.3产品分类

按照DPCA（神龙汽车有限公司）定义的容量大小分类，直插式汽车继电器分为3种：①Micro微型继电器；②Cubic立方体继电器 （MINI型）；③Power功率型继电器。选型介绍时会详细讲述3种继电器特性。

如果按照功能分类，继电器又可分为电磁继电器、热保护继电器、延时继电器、电子混合式继电器。

1.4产品结构组成

以Micro继电器为例，介绍继电器产品结构以及组成部件，如图3所示。

图3　Micro继电器组成

1.5继电器选型

汽车继电器体积小、切换负荷大、功率低、寿命长、可靠性高、耐振动冲击，有电磁兼容性和阻燃性，主要性能参数如下［2］。

输入参数：工作电压范围，吸合电压，释放电压，波动范围等。

输出参数：触点类型 （开关型/转换型），负载电流，负载性质，触点接触电阻等。

时间参数：吸合、释放时间，触点回跳时间等。

安全性指标：密封性，绝缘电阻，介质耐压等。

最后触点寿命，耐久性以及售后故障率指标等。

对于12V直插式继电器选型，可根据3个关键参数［①闭合时的最大峰值电流 （In Rush Max）；②稳定电流I（用于检查热能特性）；③根据自感系数，最大的电流值 （Lmax/Imax）］来确定。具体参数见图4。

在这3类继电器中又可根据工作环境、密封等级、负载类型、寿命等条件做进一步选型。

环境力学条件：根据发动机舱、座舱不同的温度进行选择，继电器一般工作温度范围为-40～100℃，同时特殊区域需要采用防噪声继电器。还可考虑机械应力——振动、冲击、离心加速度；大气环境应力——温度湿度、大气压力等；特殊环境应力——沙层、盐雾、辐射、油雾、电磁干扰等；物理特性——体积、质量、安装尺寸、安装方式等。

密封等级：继电器在整车中可能受到沙尘、水、油等物体侵蚀，需要根据干/湿区选择不同密封等级继电器。

负载类型：继电器负载可以分为灯负载、阻性负载、电机负载、感性负载4种。

寿命：根据负载特性曲线以及车用电器使用频率进行选择。如闪光灯继电器，其功能要求很高，工作寿命要求百万次左右；对于前照灯继电器可能50万次就足够；对于其他功能如报警器等寿命要求不高的，通常动作3～10万次即可满足要求。

如果选型不当，在应用中出现过载、超负荷使用等情况，将可能造成触点过度磨损、严重烧蚀。造成继电器寿命减少甚至失效。

1.6未来发展趋势

继电器技术发展总体趋势瞄准世界先进水平发展大趋势，向着小型化、高灵敏化、模块化、多功能化方向发展［3］，同时要提高产品的环境适应性、高可靠性、品质一致性等。

不断缩小外形尺寸，提高负载能力，不断进行结构和材料优化创新，提高继电器技术、性价比，实现更小体积更大容量。目前多家供应商已经开发出Micro型继电器，其体积小且能满足MINI型继电器负载要求。

图4　12V直插式继电器选型

2　汽车继电器功能

2.1电源分配

一般直插式继电器安装于BFRM （Boîtier Fusibles Relais Moteur发动机舱继电器熔断丝盒）以及MFRH （Matrice Fusibles Relay Habitacle座舱继电器熔断丝盒）中，起到切换某些部件和功能供电作用，在整车电源分配中起到重要作用。

2.2功能应用介绍

随着电子设备的更新换代，技术日益发展，汽车继电器被广泛应用于动力系统 （电力分配、风扇控制、电磁阀控制、喷油控制、起动控制）；舒适性系统 （空调、车窗电动控制、座椅调节、后窗/后视镜加热、音响系统等）；防盗系统 （中央门锁、防盗报警器）；底盘系统 （油泵控制、ESP/ABS）；车身系统（刮水器控制、喇叭控制）以及安全系统 （安全带预张紧、雾灯/前照灯控制、闪光灯控制、车内照明灯控制、转向灯控制等）中，大部分继电器都采用PCB式继电器集成于控制ECU内部，目前也有越来越多的功能都逐渐集成到电气设备本身里面，如P档锁止继电器、ABS/ESP继电器等。

直插式汽车继电器在DPCA体系中主要功能如图5所示。

发动机主继电器 （主要用于燃油泵、炭罐电磁阀、氧传感器等发动机上电气设备供电）、后窗加热以及空调鼓风机等大电流消耗设备，为大负载，采用功率型继电器。

刮水器、一键车窗升降等属于中等容量负载，一般采用MINI型继电器。

报警器、传感器、后视镜折叠等装置为小负载，使用Micro型继电器就能满足要求。

图5　　直插式继电器功能应用

3　故障模式分析

继电器失效模式有很多种，为更加系统清晰了解引起继电器故障的原因，列出典型继电器失效模式如下，其故障树如图6所示。

1）控制信号缺失：比如线圈烧断，线圈短路，外部控制回路故障等。

2）触点失效：触点烧蚀，由于拉弧、液桥造成短路，触点变形，异物污染等。继电器触点频繁操作后，触点表层不断侵蚀，表面状况不断恶化，导致触点的接触电阻不断增大（电压降增大），甚至产生永久性熔焊，使继电器全完丧失工作能力［4］。

3）机械失效：外部冲击造成内部结构损坏，继电器引脚持续受力造成内部结构变形。

图6　　继电器失效故障树

4　典型案例解析

4.1继电器常工作故障

4.1.1故障现象

自2015年4月到2015年7月，DPCA连续发生17起起动机常工作，导致起动机烧毁，部分车辆无法起动的故障。集中发生在2015年5月生产的2008以及C3-XR车型，故障里程从0～2000km。

4.1.2工作原理

起动机控制原理如图7所示。起动机线圈由BFRM中起动机继电器进行供电驱动。继电器输入控制端由BSI（Boîtier de Servitude Intelligent智能伺服控制盒）以及CMM （Control Motor Multifunction多功能发动机控制器）共同控制，输出回路直接连接起动机。

图7　　起动机工作原理

4.1.3故障分析过程

为了寻找根本原因，初步做了故障分析结构树，如图8所示。根据故障现象，系统罗列出每一个可能的原因，初步定为如下几个方向：①起动机原因：符合性问题以及其控制信号异常；②起动机继电器内部故障；③线束短路；④BFRM故障：符合性问题、内部短路。

图8　　起动机常工作故障树分析

根据各个专业分析，结果如表1所示。

表1　故障分析结果

根据以上分析，将焦点锁定在继电器上：由于继电器常工作导致起动机一直有供电，进而常转导致烧毁。下一步需要寻找继电器异常工作的根本原因。

针对一起故障再现的C3-XR（故障里程1286km），对其继电器做进一步的深入分析。专业人员在测量故障车辆后发现：在没有任何输入信号情况下，继电器被控回路有电压输出。于是，拆卸故障件 （线束+ BFRM+继电器），对整体故障件做X光检查，发现继电器触点没有粘连吸合，触点间隙在0.16～0.27 mm，小于标准间隙 （0.3mm）。

对故障件进一步做拆解分析 （图9），发现触点工作面上有严重电磨损烧蚀的痕迹，存在触点粘连过的痕迹。继电器触点在断开过程中动静触点即将要分离时，由于触点间隙减小，产生严重拉弧现象，电流密度剧增，从而引起高温使得触点表面金属局部熔化。当触点逐渐分开时，融化的金属液体随着拉伸，形成液桥［5］。液体凝固后使得静动触点粘连。

图9　　继电器解剖分析

4.1.4故障总结

1）经过排查继电器供应商生产过程，发现生产过程异常导致触点间隙变小，生产线上没有跟踪触点间隙尺寸，造成批次问题。同时在继电器安装到BFRM或者MFRH过程中，由于安装力过大，造成触点间隙进一步减小。

2）由于继电器触点间隙变小，造成继电器触点之间存在严重拉弧烧蚀现象，继电器触点粘连导通，处于常工作状态，存在CCA（Court Circuit Aggravé严重短路）风险。

4.1.5行动方案

供应商更改继电器生产过程工艺，增加触点间隙检测系统。同时使用同一规格其他继电器代替现有产品，替代后故障消除。并将此经验反馈给所有继电器供应商，避免发生类似故障。

4.2冲击导致继电器失效典型案例

4.2.1故障现象

根据DPCA工厂零公里故障信息反馈 （新车刚下线），爱丽舍车型BFRM中继电器存在多起失效问题，导致继电器对应电气功能失效：设备常工作或者不工作。比如发动机无法起动、刮水器高/低速失效、雾灯失效以及远光灯失效等，更换新继电器后故障排除。

4.2.2故障分析过程

以远光灯常工作故障为例，讲述分析过程。1）目视检查继电器外壳有破损，引脚歪斜。2）无任何输入信号情况下，电气检测继电器输出端有输出。

3）对零件做X-Ray检测 （图10），发现继电器弹片折弯变形，造成触点位置移动，导致失效。拆开继电器外壳后发现弹片与外壳内部加强筋有干涉。

4）检查物流与装配环节，发现风险点。

图10　　继电器故障分析

4.2.3原因分析

①继电器在物流中受冲击造成内部失效。②安装过程中，安装力过大，造成继电器引脚受到侧向力作用变形，会影响内部结构。③返修BFRM或者MFRH时，需要拆卸继电器。返修过程中，外壳容易与底座分离，造成内部结构被破环。返修BFRM或者MFRH后，继电器往往会回用，导致故障件流入DPCA。

4.2.4解决方案

1）整改物流环节：轻拿轻放，防止继电器受到外部冲击导致失效。

2）继电器供应商在继电器四周增加环氧胶，增加外壳与底座力以及端子强度。

整改后，故障现象消失。

5　总结

直插式继电器是一种小电流控制大功率电控开关元件，在整车控制系统中起着至关重要的作用，本文主要通过讲述直插式汽车继电器技术原理，掌握汽车继电器基本选型方案，并通过典型案例讲解继电器故障模式以及分析方法，解决供应商由于产品或者生产过程不满足标准要求的符合性问题。全面掌握汽车继电器原理、应用选型、故障分析解决等技术。

［1］李明诚.汽车继电器的控制原理及其检修 ［J］.汽车维修与保养，2010（1）：38-39.

［2］刘松伟，白俊伟.汽车继电器的选型［C］.河南省汽车工程学会第七届科研学术研讨会论文集：184-187.

［3］周峻峰.继电器及其技术发展态势［J］.机电元件，2003 （2）：61-64.

［4］程礼椿.邹积岩，李震彪.简论汽车继电器触点结构与材料问题［J］.汽车电器，1994（2）：6-7.

［5］朱华.汽车继电器触点磨损的原因分析［J］.润滑与密封，2005（4）：203-204.

（编辑心翔）

Application and Case Analysis of 12V Plug-in Relay

XIONG Jie
（Technical Center of Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）

The technical knowledge，application selection of vehicle relay are introduced here as well as its main functions，control application，working principle and development trend.The related fault pattern and problem solving method are elaborated through typical case analysis so it can help us fully master the technical knowledge of plug-in relay.

relay；application selection；fault pattern；case analysis

U463.6

B

1003-8639（2016）02-0026-05

2015-11-09；

2015-11-27

熊洁，女，硕士，工程师，从事整车电器架构与线束/线束零部件设计工作。