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1、汽车控制继电器特点；小电流控制大电流。德国BOSCH42V汽车继电器触点电弧特性低压电器(2007№15)李震彪男,教授,博士,研究方向为电器、电接触电弧及材料。华中黄 良男,硕士,方向为电器及其寿命检测评估.华中吴细秀女,副教授,电器及其自动化。魏梅芳华中(1.华中科技大学,湖北武汉 ;2.武汉理工大学,湖北武汉 )摘 要:42V电源是未来新一代汽车电器更新换代面临的重大选择。采用42V大电压后,车用电磁继电器的各参数性能,如燃弧时间、熄弧间隙、闭合弹跳、触点侵蚀及熔焊倾向将发生重大变化。简要对比了42V和14V车用电源情况下在上述参数性能上的
2、区别。该项研究对提高汽车用电设备总功率有着重要意义。关键词:电磁继电器;电弧;触点0 引 言汽车电气系统承受的极限电流一般为200A,超过该值,导线将变得过分粗大笨重而难以安置,因此,对于14V的电源系统最多只能提供3kW的功率[1]。随着汽车乘坐舒适性和安全性要求的不断提高,电气设备将不断增加。未来10年内,汽车用电设备的总功率将达到7kW以上,传统的14V电源系统将难以满足不断增长的电能需求。选择42V作为新的电源电压是目前国际汽车电器界的共识。42V电压等级下汽车继电器若保持现有结构将面临着燃弧时间长、触点开距大等许多新的技术问题。目前,国
3、内对电压提高后继电器的各项技术指标如何变化、如何更新和具体设计研究报道较少;法国、日本等国外学者和企业研发人员已对此做了不少实验研究工作。本文对此进行简要分析。1 42V时的燃弧时间1.1 分断燃弧时间分断燃弧时间直接影响着触点材料的侵蚀量大小、表面凹凸状况,进而影响着材料的分断电流能力和接触温升。若燃弧时间较长,一则可能对电路系统的实时控制造成延迟;二则会使触点表面较早劣化,降低继电器寿命。实验表明,继电器触点系统的分断燃弧时间在42V下与14V相比提高了一个数量级。图1是在相同的电流下,银触点在阻性负载下的燃弧时间实验结果[2]。可以看出,1
4、0A时14V的燃弧时间约60μs,而42V时约4ms,后者是前者60多倍。图1 燃弧时间与电流的关系图2 银触点电弧电压、电流和功率特性(分断速度20cm/s,A、B对应14V,C、D对应42V;A、C对应阻性负载,B、D应感性负载)图2是在保持电源功率420W相等的前提下,14V/30A和42V/10A分别在阻性与感性负载下的燃弧时间[3]。图2(A、C)表明,阻性负载下14V/30A的燃弧时间约0.1ms,42V/10A约4ms,后者是前者40倍。感性负载下(见图2B、D),14V的燃弧时间约2.4ms,42V下约9.6ms,后者是前者4倍。
5、另外,在电源功率420W相等的条件下,由于最初电流不同,感性负载下14V/30A的最大电弧功率是42V/10A的2倍,且电弧功率最大值发生在感性负载电弧的初始阶段。目前,电源电压对燃弧时间的影响多为某些具体条件下的实验测试结果,关于电源电压为何影响触点的燃弧时间及其影响的定量规律,很少见到报道(即很少有人从电弧放电的基本物理过程讨论电压对燃弧时间的定量影响)。电压对燃弧时间的定量影响研究涉及到阴极电子学、等离子体、气体放电及金属材料等多个学科,难度较大。文献[4]在分断速度v=1.0cm/s、电源电压30～54V、电路电阻5.0Ω的情况下,测量得
6、到如图3所示的实验结果及其燃弧时间拟合公式:式中:t为燃弧时间;C为与触点材料有关的常数;v为分断速度;UE为电源电压;I为分断电流;Um为最小电弧电压;It为熄弧电流。不同材料的It如表1所示。图3 试验与计算出的燃弧时间1.2 闭合燃弧时间相对于分断燃弧时间,闭合燃弧时间较小,但它产生的热效应直接影响着触点的熔焊倾向,故闭合电弧及其时间同样是影响继电器工作可靠性的关键因素之一。尽量降低闭合燃弧时间是提高继电器抗熔焊能力的重要途径。实验表明[5,6]对于银触点,14V/30A下弹跳燃弧时间小于弹跳时间的20%,(见图4)而42V/30A下弹跳燃
7、弧时间等于弹跳时间100%(见图5),42V下弹跳燃弧时间的大幅增长必然导致侵蚀和触点熔焊概率的增加。图4 闭合时的触点弹跳(14V/30A)图5 闭合时的触点弹跳(42V/30A)2 弹 跳图6、7表明[7]14V/21A比42V/8.4A有更少的弹跳次数。原因可能是,当电流大时容易使触点材料软化,减小了材料的弹性模量和碰撞反弹能量,即一般情况下闭合弹跳次数主要是受电流大小而非电压大小的影响。目前,关于电压变化对触点弹跳情况的试验比较研究仍然比较薄弱,仍需要从试验和理论上做更深入的分析对比,以了解电压升高对触点闭合过程、触点弹跳及其电弧的影响规
8、律。图6 14V/21A时触点弹跳与操作次数的关系图7 42V/8.4A时触点弹跳与操作次数的关系3 触点熄弧间距;小型化、大容量是继电
