汽车电磁继电器触点接触电阻变化影响因素探究

王燕兵　赖雅丽

摘 要：汽车产业尤其是电动汽车等新能源产业迅猛发展，汽车按行业的发展势必带来其配套零配件如汽车继电器等需求的大量增长。汽车继电器是汽车中配电系统、控制系统中完成指令执行、保护、切换等功能的关键元器件。而继电器触点间由于接触电阻在电流作用下产生焦耳热导致触点间发生熔焊造成触点粘接无法完成吸和、分离动作而失效，触点间熔焊是制约继电器产品向高品质、高质量、长寿命、安全可靠发展的瓶颈。触点间熔焊形成机理较为复杂，其关键影响因素为触点间接触电阻在电流的作用下所产生的焦耳热融化触点金属，因而接触电阻的形成机理及变化是探究触点粘结机理的关键、是改善继电器质量提升使用寿命的攻坚环节。而影响汽车继电器触点接触电阻变化因素较多，各个因素之间又存在相互的影响及关联。对继电器接触电阻变化的影响因素进行重点分析揭示影响因素之间的关联关系。

关键词：继电器 触点熔焊 接触电阻 影响机理

1 概述

随着国家的发展、人民的富强、科技的进步，人们对汽车的需求也发生改变，对汽车的行驶品质要求更高、对驾驶感受需求更加细腻，汽车产业的革新势必带动其配件市场的全面繁荣，汽车继电器作为车辆中担负大电流通断的关键元器件其工作的可靠性对汽车的综合体验提升影响巨大。汽车继电器尤其是在电动汽车控制系统中使用较为广泛。同时汽车继电器工作环境较为苛刻，其工作环境温度最高可达125℃，最低可达零下40℃，同时继电器作为小电流控制大电流通断的触点之间犹豫频繁的吸和、分离导致其接触面由于焦耳热融化触点间材料导致其接触面材料发生迁移及侵蚀，甚至发生无法正常分离的熔焊现象。触点间材料的迁移及侵蚀甚至熔焊进一步恶化了接触面间的发热量导致继电器使用寿命、安全可靠性急剧下降，严重的时候甚至影响整车安全。笔者查阅相关材料采用大数据分析发现：继电器90%故障大多发生在触点之间。虽然汽车继电器使用寿命还受到环境温度、环境湿度、灰尘、工作环境等的影响，但触点间材料的迁移及侵蚀才是造成汽车继电器失效的主要原因。继电器触点材料的转移和侵蚀关键影响因素为触点间接触电阻在电流的作用下所产生的焦耳热融化触点金属，因而接触电阻的形成机理及变化是探究触点粘结机理的关键、是改善继电器质量提升使用寿命的攻坚环节。而影响汽车继电器触点接触电阻变化因素较多，各个因素之间又存在相互的影响及关联。对继电器接触电阻变化的影响因素进行重点分析揭示影响因素之间的关联关系。

2 接触電阻的形成机理

使用直流接触电阻测试继电器触点接触电阻时，实际测量都是在接触触点间进行的，得到的测试值是触点接触总电阻（R），总电阻为材料电阻（Rl）和接触电阻（Rc）之和，接触电阻是指电流通过触点时在接触处由于接触表面粗糙而产生的电阻，它由收缩电阻和膜电阻组成，如图1。

2.1 收缩电阻

实际继电器触点在实际使用中的接触表面在微观情况下均是粗糙的，其接触表面存在无数的不规则的凸起和凹坑。触点两个粗糙表面接触时，实际接触的并不是完整的两个表面，而仅仅是两个表面间的部分微凸体之间的接触，从而形成离散的接触点，这些接触点在宏观上构成了实际的触点间实际接触面积。由于接触面由于粗糙度影响实际接触为微凸点接触，电流仅能够接触触点间进行传导，此时电流会因此而受到收缩从而产生电阻，也称之为收缩电阻Rs。

2.2 膜电阻

工程实际中导体表面在自然环境下均会存在导电性较差的表面薄层而形成的电阻为膜电阻。该薄膜受自然环境的影响形成不同的成分、厚度。继电器接触触点之间更多的是绝缘膜。绝缘膜是由于触点所处在自然环境而形成的氧化物覆盖、硫化物覆盖、油脂及灰尘等附着在触点表面之上形成厚度约100艾米厚度的绝缘层。由于该绝缘膜的存在导致触点间形成额外的电阻即为膜电阻Rf。显而易见绝缘层越厚膜电阻越大。

综上所诉，接触电阻由两部分组成：一是由于电流线收缩形成的收缩电阻Rs;二是导电性较差的薄膜导致的膜电阻Rf。这些薄膜需要电或机械破碎才能形成金属与金属的直接接触。总的接触电阻可以由下式表示：

3 接触电阻变化影响因素

继电器触点间接触电阻变化因素主要为收缩电阻和膜电阻的变化，而影响收缩电阻及膜电阻的主要因素如图3所示。

3.1 材料性质

由收缩电阻的产生机理可以发现接触材料物理属性直接影响收缩电阻的变化。在收缩电阻中每个电斑点的电阻与触点材料电阻率成正比，而触点间接触导电斑点由触点外力挤压接触粗糙表面微凸点形成，因而导电斑点的数量与触点材料的硬度存在直接关系。

3.2 接触形式

接触形式对收缩电阻的影响。深入分析触点间接触形式分为：电接触、线接触、面接触三种。三种接触形式的分类依据主要是接触点数目依次增加。通常而言面接触拥有最多的接触点，其收缩电阻最小。电接触顾名思义其接触点最少，收缩电阻最大。线接触形式的收缩电阻介于两者之间。

接触形式对触点间膜电阻的影响。每个接触点上所承受的接触压力是接触形式对膜电阻的主要影响因素，继电器触点间在电磁吸和力的作用下受压力F，接触面间由于外力F的作用形成n个接触点，假设接触点均匀则单个接触点所承受的压为：F1=F/n，而单个接触点所承受的压力F1与接触形式直接相关。由上述可知点接触存在最少的接触点数n。相同外力F作用下点接触形式下接触点n点<线接触形式下接触点n线<面接触形式下接触点n面，由单个接触点所承受的压为：F1=F/n，可知点接触形式下单个接触点承受压力最大，在相同电压电流作用下最易突破接触间的薄膜，因此点接触形式是膜电阻Rf最少的，线接触次之，而面接触最大。

3.3 触点表面粗糙度

继电器触点表面粗糙度对接触电阻影响机理较为繁杂。触点表面越粗糙，接触面间接触电斑点愈加的减少，至接触电阻越大。笔者建议采用表面形貌分析方法对触点接触电阻进行计算。

3.4 接触压力

继电器触点间接触压力F作用下接触面间的微凸点所承受的接触压力超过了材料的弹性形变极限而发生了塑性变形，进而导致接触点增多、实际接触面积增加，致使收缩电阻Rs减少。于此同时在接触压力F的作用下触点间接触微凸被压溃进而击穿了接触面间的膜电阻，使膜电阻Rf下降，进而接触电阻Rc下降。

3.5 温度

材料物理属性如电阻率、硬度等参数均是随温度变化，如接触点温度上升后，触点间材料电阻率增大，与此同时材料硬度降低致使接触面间有效接触面积增加。触点间温度升高致使收缩电阻Rs升高，材料硬度降低使收缩电阻Rs减小。因此触点间收缩电阻Rs随温度变化微乎其微。继电器触点间金属材料在高温下表面发生氧化，其氧化行为至接触面间的氧化膜厚度增加进而导致膜电阻Rf增大，膜电阻Rf增大进一步导致发热量增加致使温度急剧升高，而温度上升加剧了氧化膜的厚度致使膜电阻Rf进一步增加，依次反复恶性循环。

3.6 其他因素

触点材料的材料稳定性、抗电侵蚀性能和抗磨性能均是影响触点间接触电阻的大小和稳定性的相关因素。触点材料作为某种金属，其表面氧化形成的氧化物、附着的硫化物、有机污染膜及各种自然环境下尘埃的吸附和沉淀均会严重影响触点间接触电阻的大小及稳定性。另外需要指出的是，当非金属材料如石墨等作为电接触材料时，当接触位置的温度很高（但低于接触金属材料的熔点）时，会使非金属材料发生氧化等化学反应，使得接触接触状况发生改变（如微观形貌变化、宏观的烧蚀后退等），使得接触电阻发生改变。

综上所述，触点间接触电阻的大小及稳定性受材料物理性能、表面粗糙度、外力F、工作环境、温度等众多因素影响的非線性影响关系，本文分析了影响继电器触点间接触电阻的主要因素，分析其影响机理，提出采用表面形貌分形接触的方法解决接触电阻数值求解的途径。

基金项目：贵州电子信息职业技术学院科学研究《汽车电磁继电器触点瞬态接触行为及传热特性研究》

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