一种大电流接触系统在雨刮喷水开关上的应用

2018-03-29郭忠新

汽车电器 2018年3期

郭忠新，张蕾

（1.上海科世达—华阳汽车电器有限公司，上海 201814；2.上海电机学院/机械学院，上海 201306）

随着汽车电子电器产品的开发和应用，汽车功能越来越多，为了保证控制的安全可靠，开关也必须针对电子电器不同要求进行设计。本文将论述一种大小电流混合要求的组合开关中，雨刮大电流接触系统的解决方案。

这款组合开关通过手柄实现大灯开关、雾灯开关、后雨刮开关和雨量间歇调节开关的功能，以及在壳体内实现转向信号开关、变光开关、前雨刮开关和喷水开关的功能。此开关从功能上看，和其他组合开关没什么不同，但是其电路负荷比较特殊，大小电流同时存在。其中，前后喷水功能需要承受5.2 A的大电流，其他功能为小于10 mA的小电流。对于小电流功能来讲，可以使用现有常规镀金滑片配合PCB的方案进行设计，如图1所示；但是对于大电流的功能，标准化的大电流接触系统无法在有限的空间内实现，就需要在满足小电流功能的基础上实现大电流的功能。

图1 小电流滑块配合PCB

1 大电流接触系统需要考虑的因素

1.1 接触部位的电阻

根据焦耳定律：Q= 0.24IRt，接触部位的电阻直接影响接触部位发热量，如果接触部位过热，会使周围非金属件发生损伤，甚至使接触触点本身受到损害。当接触部位接通时，在电流的作用下，在接触部位形成电压降，通过这个电压降和电流求出的电阻被称为接触电阻［1］。接触电阻通常由3部分组成，即

式中：Rj——接触电阻；Rs——收缩电阻；Rb——表面膜电阻；Re——表面成分电阻。

接触电阻的大小和接触部位材料的选择有着直接关系。应该选择适合硬度、导电率高和热传导率高的接触材料，从而达到比较理想的接触电阻。所以在实际应用中，接触电阻使用公式（2）进行计算［2］

式中：Rj——接触电阻；F——接触压力；m——与接触形式有关的系数；Kj——与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数。

1.2 接触部位的材料磨蚀与转移［2-4］

触点通断过程中，接触部位材料的磨蚀与转移形式分为如下几种：①机械磨蚀——主要是由于触点机械运动过程中产生的材料磨蚀和转移；②电磨蚀——电路通断过程中，由于拉弧能量和热能量产生的材料磨蚀和转移；③化学磨蚀——受环境的影响，接触部位在温湿条件下，在电流作用下产生的材料磨蚀和转移；④焊接——接触部位材料在一定的接触压力下，在电流的作用下产生的材料磨蚀和转移。在这4种材料磨蚀和转移的形式中，电磨蚀对触点的破坏力最大。

大量的研究表明：由电磨蚀引起的材料转移方向与触点两端的电压和电流的关系如图2所示。图2中，实线为静态伏安曲线，当电压、电流处于α、α′和γ区域时，材料由阳极向阴极转移；在处于β区域时，材料由阴极向阳极转移。而电磨蚀中，由于电拉弧引起的材料的磨蚀和转移占了很大比重。不同材料引起电拉弧的最小电压和电流如表1所示。

图2 材料转移模

表1 不同材料触头间的最小拉弧电压和电流

1.3 热量释放

在前文考虑的2个因素分析中，归根结底都和热量有关系。由于局部过热，造成接触部位触片、触点零件的烧蚀。而产生局部过热的因素主要有2个方面［4］：①接触部位接通时间过长，大电流持续产生的热量；②开关通断过程中，由于拉弧产生大量电火花引起的热量。

为了减少热量的影响，设计时需要考虑如何降低热量的积聚，可以从以下几个方面考虑：①结构设计上考虑热量的释放，如PCB设计上考虑热量如何有效地传导出去，接触部位周边结构上考虑如何将热量传导出去；②选择合适的灭弧油脂，油脂首先需要具有绝缘性，同时不腐蚀接触部位的金属和树脂材料。

2 雨刮喷水功能大电流接触系统解决方案

针对上文中提到的组合开关，基于大部分功能都是小电流，决定采用PCB和镀金滑片配合的接触系统，喷水功能也同样采用类似的解决方案，即PCB和大电流金属滑片配合。具体实施方案如图3所示的滑片和图4所示的PCB。

通过接触部位电阻的理论分析，可以看出接触电阻大小对这种大电流开关是至关重要的。因此，为了降低接触电阻值，在大电流金属滑片上焊接有Ag/SnO2的触点（图3），这种Ag/SnO2材料具有良好的电导通率和热传导性。同时，在PCB与金属滑片配合处进行镀金处理（图4），使配合处的接触电阻达到比较理想的状态。

考虑到上文中提到的材料转移，由于所选择的配对材料中，滑片上的触点Ag/SnO2相比PCB上的金片性能更加优良，所以在设计上，材料转移须从滑片端向PCB端。同时，根据接触部位的材料磨蚀与转移中的相关理论，在开关此种电压和电流的情况下，材料的转移是从阳极到阴极。因此，PCB的设计如图5所示。当滑块从0-位向右边运动时，滑片1会和PCB上金片先接通，但是这时滑片2还没有接通，不形成回路；滑块继续运动，当滑片2与PCB接通时，会产生拉弧现象。由于这时滑片1一直在PCB金片上运动，所以滑片1处没有拉弧现象，只有滑片2处存在拉弧现象，并且实现了材料由滑片端向PCB端的转移。反之，滑块向左运动道理一样，实现了材料由滑片端向PCB端的转移。

图3 滑片

图4 PCB

3 结束语

通过大电流接触系统的理论研究，以及客户的功能要求，实现大小电流共存开关采用类似方案的设计。从文中可看出，所选用的方案对于实现类似喷水功能等寿命要求比较低的情况，是比较适用的。此方案的采用，节省了成本，并且利用有效的空间实现了功能需求。同时可以看出，接触系统不一定要采用最好的，合适的才最重要。希望本文能给大家一点有益的启示。