爱迪尔散热风扇继电器失效探析及改进

谢曙光，王少万

（长安合肥昌河汽车公司，安徽 合肥 230031）

爱迪尔散热风扇继电器失效探析及改进

谢曙光，王少万

（长安合肥昌河汽车公司，安徽 合肥 230031）

爱迪尔汽车在零部件国产化初期，售后市场出现批量散热风扇继电器失效故障。本文剖析故障原因，并对故障部件进行改进优化。

散热风扇继电器；触点烧蚀；触点材料改进

爱迪尔汽车是一款引进日本铃木Wagon车型并改造升级，由欧洲名家精心设计推出，昌河汽车公司倾力打造的多用途二厢轿车。它以独特的造型、超大储物空间、优异的操控性能并搭载节能环保的第2代SUZUKI发动机而占有一定的市场地位。

该车投放市场一段时间后，市场售后服务反馈该车型号72G00散热风扇继电器损坏率较高。通过市场调查和走访用户了解到，出现故障通常都有一个典型的产品使用特征：气温环境较高条件下车辆行驶较长时间。

1 故障分析

1.1 继电器

继电器以低电压、小电流控制高电压、大电流，具有完善的隔离结构，因而广泛运用于各种控制电路。继电器结构可分为中间继电器、压力继电器、速度继电器等。其中中间继电器也有多种形式，分为继电式（接触器式）、无触点式（固体式）等。

汽车行业中继电器选择均考虑小型化，中、低压，中、小容量为主。通常微型汽车使用电源多为12V，线圈电压大都设计为12V规格。由于是蓄电池供电，电压存在不稳定情况，加以使用环境条件恶劣，对继电器设计要求：吸合电压U≤60%UH（定额工作电压）；线圈过电压允许达1.5UH；线圈功耗较大，一般为1.6～2W，温升较高。环境要求也相当苛刻：环境温度范围为-40～100℃，在发动机舱室里使用的继电器要能经受沙尘、水、盐、油的侵害。振动、冲击无疑是相当苛刻的，冲击强度达100g，冲击稳定性达10g。振动达10～40Hz，双振幅1.27mm；40～70Hz，0.5g；70～100Hz，0.5mm（双振幅）；100～500Hz，10g等。因此汽车继电器在选用时主要考虑以下参量：线圈额定电压；动作电压、释放电压；最大连续通电电流；线圈功耗；线圈温升。

继电器在设计、选用时，对安全性要求予以充分重视，主要考核以下几个重点。

1）绝缘材料要求具有阻燃性能，耐温等级温度上限≥最高环境温度+线圈温升+15℃。

2）触点过负载能力触点应能100次成功（交流为200次）切换两倍额定负载电流。

3）绝缘抗电水平继电器各导电部分之间的绝缘电阻一般应达：＞100MΩ，＞500MΩ，＞10000MΩ。继电器各导电部分之间的绝缘应能承受使用中可能出现的最高峰值电压而不损坏，漏电流不得超过100μA（或1mA）；也不允许有飞弧、闪烁或击穿而引起的缺损故障。

常用接触器式继电器有4个工作状态：闭合过程、闭合状态、断开过程、断开状态。接触器式继电器对触点的基本要求：在闭合过程中能可靠地接通电路，触点不发生弹跳；在闭合状态时触点导电良好，能可靠地流过额定电流而不会过热；在断开过程中能及时熄灭电弧；在断开状态时能将电路可靠地断开。

有研究机构资料表明，在对2009年完成的1500余项电子元器件失效过程分析中发现，继电器所占的失效比例高于18%。从接触器式继电器使用情况的信息反馈中也发现，触点在工作中存在各种失效模式。负载电流不同，表现的失效形式也不同。在不同的工作条件下，接触器式继电器触点会出现冷焊、接触电阻过大、电弧熔焊等故障。相关资料表明继电器触点失效模式占继电器失效比例高达80%。

1.2 散热风扇工作原理

联系上述爱迪尔汽车散热风扇继电器工作失效率高的问题，通过市场故障件采样，结合该零件控制电路图进行分析。散热风扇电路简图如图1所示。

汽车发动机ECUC3脚接散热风扇继电器控制回路端，ECUB15脚接冷却液温度传感器，该温度传感器装配在发动机上，用来检测发动机冷却液温度。当发动机冷却液温度上升到104～105℃区间时，冷却液温度传感器给发动机ECU传递检测信号，ECU发出指令修正发动机喷油量和点火提前角等工况参数，并通过ECU内部电路导通控制三极管，令ECUC3脚处于低电位，这时散热风扇继电器吸合，电子风扇启动工作，风冷水箱散热器通过冷却液内外循环，降低冷却液温度到85℃左右，此时ECU指令截止控制三极管，ECUC3脚处于高电位，散热继电器断开电子风扇停止工作。这样周而复始地循环工作。

爱迪尔散热风扇继电器工作环境严酷，它安装在发动机前舱盖内，该位置温度较高，平均温度达45～65℃，在7～9月期间，有时高达90℃以上。而且继电器外面又套有橡皮套，极不利于散热。散热风扇继电器如图2所示。

继电器工作状态下负载也大，通过实测：爱迪尔系列电子风扇启动电流为14.5～15A，稳定工作电流为8.5～8.8A。Ⅱ系列“YDK”电子风扇的启动电流为18.8～19.5A，稳定工作电流为10.4～10.8A。

当继电器断开时，感性负载中线圈所储存的能量必须通过断开触点间的电弧释放、消耗掉，这样往往会导致触点烧蚀、熔焊或绝缘零部件失效等故障。在刚刚接通这些负载时，由于输入阻抗低，如同电感负载一样，也会产生强大的浪涌电流。

由于电子风扇是电感性器件，如上所述，继电器触点断开时产生的反电动势形成的电弧，以及贮存在线圈中的电磁能均是通过触点间燃弧消耗掉的，很容易使继电器触点烧蚀。爱迪尔Ⅱ系列发动机为铃木K14B，其排量较大，发动机温升很快，电子风扇工作时更加频繁。同时，配置Ⅱ系列发动机的“YDK”电子风扇的启动电流较大，继电器触点接触时产生的热量更多，对继电器的要求更加苛刻。若触点、结构框架等配件技术指标达不到要求，则由于继电器频繁工作将导致触点烧蚀严重。

1.3 继电器触点点蚀

为进一步了解该继电器使用情况，我们分期走访了爱迪尔用户（特别针对使用了半年和一年以上的用户），并对各走访用户所配继电器随机采样，拆解后对比分析，发现继电器触点点蚀程度差异很大。图3为使用半年的继电器触点。图4为使用一年以上的继电器触点。

图3和图4对比观察后可见，使用了一年以上的继电器动、静触点点蚀明显。另一方面，由于触点接触时存在接触电阻，当触点的工作电流越大，导通时触点产生的热量也就越多。由于继电器触点烧蚀趋于扩大，接触电阻也逐渐增大，电子风扇启动时继电器触点产生更多的热量。特别是由于爱迪尔Ⅱ系列发动机排量较大，电子风扇工作频繁，继电器触点反复烧蚀产生更大的接触电阻，因而产生的热量更多。这里，仅把触点看成纯电阻回路，可以用热量方程式加以表述，即焦耳定律表达式

式中：Q——热量，J；I——电路电流，A；R——接触电阻，Ω；t——电路通电时间，s。

由此可见，热量Q与电路电流的平方、接触电阻及通电时间成正比。在额定触点导通电流条件下，接触电阻越大，通电时间越长，产生的热量越多，使得继电器温度更高。当温度达到一定程度，通过继电器触点簧片传递热量导致线圈支架变形，致使继电器触点簧片闭合状态恶化，进一步造成继电器触点接触不良，更进一步加大触点接触电阻，反过来进一步加大触点点蚀程度，线圈过热导致线圈漆包线脱落，最终造成内部短路而烧毁。线圈支架变形及线圈烧坏故障件如图5所示。

继电器支架变形，致使线圈导电时触点不能接触闭合，电子风扇无法工作，发动机将面临过热拉缸损坏的危险。所以，继电器触点材质很大程度上决定了其稳定性、可靠性及工作寿命。综合上述，选用的这款继电器虽然在吸合电压工作范围、动作电压、释放电压以及线圈功耗方面满足设计需要，但是，该继电器触点最大极限容量仅25A，就产品使用安全裕度来说是偏小的。由此可见，该款车型设计配置的这个通用型继电器不能满足大功率发动机散热要求，究其原因，这是由于继电器国产化进程中，继电器相关技术性能指标选择不当所致。

2 改进设计及验证

2.1 故障部件的改进设计

由于该型汽车的整体设计要求，该零件位置难以变动，而且鉴于该零件采用通用化采购设计，所处位置使该零件外皮套又不能减除，在高温环境下，如何应对和排除故障？优化工作环境、强化继电器结构、加大继电器容量、优化继电器触点都是可行的参考选项。经评估分析认为，改变工作环境、优化继电器结构和加大继电器容量由于涉及成本较高、时间周期长等原因而放弃了。只有把提高继电器触点寿命作为突破点。

选择继电器触点不得不说一下与之相关联的一个考量：电弧。继电器触点刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触点的间隙很小，使得电压很高，产生强电场发射。此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。电弧是一种气体放电现象，电弧温度很高，有资料表明弧柱中心可达10000℃左右，这将使触点表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。

另一方面，从使用上来考虑触点的特性，即接触电阻稳定性，以利于延长触点寿命。为此必需考虑接点的形状、表面的粗糙度等因素。继电器工作状态下实际只是接触了一点或者多点，电流集中流到这个接触点，从而产生电阻。图6是连接点电流分配示意图。

所以，为了灭弧和减少电阻，触点必需采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属。这样减少了热电子发射和电弧中的金属蒸气，有利于电弧熄灭，另一方面也满足了触点硬度和融点高，耐电弧性好的要求。在综合考虑各方面技术要求，并结合制造、使用成本等因素前提下，选择触点材料以银合金为主。在多种银合金材料中我们选择银钨合金，理由是其硬度和融点高，耐电弧性好，不易被移动、粘连，以确保高的耐电压、抗电弧烧蚀、抗熔焊、耐磨损等优良的综合电气性能。

综上所述，我们提出以下改进对策。

1）将继电器触点材料改进为银钨合金，籍以提高触点抗烧蚀性能，确保改进型继电器工作状态良好。

2）将原来继电器框架材料换成阻燃增强性PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）材料，提高热熔点特性，以增强继电器框架高温状态下的机械强度和耐高温性能。

2.2 样品验证与品质跟踪

将改进后的样品立即进行试验验证。模拟汽车行驶时发电机14.2～14.5V电源电压工作状态下，带电子风扇负载试验。以Ⅱ系列电子风扇为试验负载，每启动一次，持续工作30min，反复连续启动工作36h，试验结束后拆解继电器样品，测试继电器即时内部温度为95℃，其塑料框架完好。观察其动、静触点表面，没有明显的点蚀痕迹。通过试验验证，我们认为：虽然改进项目增加了些许成本，但换来零件稳定可靠的性能，具有明显的价值意义。

2009年第三季度后，爱迪尔7101、7111、7131全系列车型均采用改进完善的散热风扇继电器。对装配改进的多批次数千台产品持续半年以上的品质跟踪调查，特别重点对使用条件较为苛刻的用户跟踪，没有再出现散热继电器损坏故障。经历品质跟踪和试验验证表明，经过改进的继电器能够胜任相关技术要求，为确保爱迪尔产品品质奠定了坚实的基础，提高了产品在市场的竞争力。

3 总结

汽车继电器要根据不同的使用环境、用电器参数要求，合理选择使用，具体到继电器触点容量和触点材料选用与匹配，从而避免和减少继电器故障率。在后续其它汽车产品同类继电器设计配置中，已将该类继电器触点容量提高到40A，并优化工作环境，有效地确保汽车使用安全可靠。

［1］余琼.航天继电器可靠性评价及寿命试验方法的研究［D］.哈尔滨工业大学，2011.

［2］刘帼巾，陆俭国，王海涛，等.接触器式继电器的失效分析［J］.电工技术学报，2011，26（1）：81-85.

［3］刘帼巾，赵靖英，孙顺利，等.继电器触点失效的物理分析［J］.低压电器，2006（6）：12-14.

（编辑习习）

Analysis and Improvement to Radiator Fan Relay Failure on IDEAL

XIE Shu-guang，WANG Shao-wan
（Changan Hefei Changhe Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230031，China）

Many radiator fan relays on IDEAL lose effect in the beginning period of localization of its parts. The failure causes are analyzed here and the failure components are improved and optimized.

radiator fan relay；contact ablation；improvement of contact material

U464.138.2

A

1003－8639（2014）06－0023－03

2013-09-03；

2013-10-16