摘要：给出优化设计后车用预热固体继电器的主要技术指标，详细介绍该类产品的优化设计方法，重点阐述输入电路增加下拉电阻设计、优化放电电路设计、增加延时电路设计和增加短路失效时切断主回路电路设计等优化设计。

    1 预热继电器概述
    车用预热固体继电器于2008年研制成功，应用于柴油发动机预热系统。项目研制成功后，供国内主要柴油机厂配套使用。由于车用预热固体继电器开发前期对其使用环境掌握不够详细、确切，在车用预热固体继电器使用期间，出现一些与使用环境不匹配的问题，导致产品出现了一些故障。随着对车用预热固体继电器使用环境的深入了解，及时对车用预热固体继电器性能、参数进行持续改进，优化设计后的车用预热固体继电器（简称预热继电器，优化设计前的车用预热固体继电器简称原设计预热继电器）如图1所示，已能够达到客户的使用要求。

    预热继电器主要用于国III、国IV及国V以上的柴油汽车预热系统，执行国N标准的金杯海狮商务车，全部使用我公司生产的预热继电器，比如车型是2.0 L第5代翔运豪华型4G20D4B。随着国III柴油汽车的发展以及国III标准即将强制执行，预热继电器的市场前景将更为广阔。
    预热继电器选用固体继电器主要有以下几点原因。
    1）输入电流≤300 mA，满足ECU对继电器电流的要求（ECU要求继电器电流≤1.5A）。
    2）输入端无线圈，接通或断开时不会产生尖峰脉冲。电磁继电器接通或断开时产生的尖峰脉冲有可能损坏ECU。
    3）输出端采用场效应管，接通或断开时不会产生火花、电弧等现象，寿命长。若接通或断开时产生火花、电弧，则触点寿命短。
    4）具有短路失效时切断主回路电路。当预热继电器短路失效时，可及时切断输出回路，不会由于预热继电器长时间非正常通电而存在安全隐患。若电磁继电器触点粘连后无法切断输出回路，可能会产生安全隐患。
    表1是固体继电器与普通的电磁继电器的对比。表2是预热继电器主要技术指标的合同规定值和实际值。

   2 预热继电器的优化设计
    原设计预热继电器主要由输入电路、隔离电路、快速放电电路和输出电路组成，其设计原理图见图2。主要工作原理：输入电压施加到输入端，经过输入电路、隔离电路将电信号传输到输出电路，预热继电器接通；同理，输入信号去除时，预热继电器断开。原设计预热继电器在使用期间出现3个方面的问题，所以对其进行如下的优化设计。

    2.1输入端增加下拉电阻
    存在问题：原设计预热继电器接入整车线路后，预热指示灯误报故障。
    原因分析：柴油机厂选用的ECU，其预热继电器接线端要求接低阻态。原设计预热继电器接入ECU后，阻抗不匹配，因而预热指示灯误报故障。根据现场测试，此时，ECU的预热继电器接线端悬浮电压为7.8 V，由此可知，预热指示灯误报故障是由于原设计预热继电器与柴油机厂选用的ECU不匹配造成的。
    改进措施：在预热继电器输入端增加下拉电阻R1，如图3所示。通过试验，下拉电阻从1.2 KΩ逐步降低到120Ω，输入端悬浮电压值随着下拉电阻值的降低而降低。根据下拉电阻的阻值、功率，以及增加下拉电阻后悬浮电压值等综合因素考虑，最终确定下拉电阻为360 Ω、 3 W，此时预热继电器接进ECU后，悬浮电压为0.99 V，预热指示灯误报故障现象消失。

    改进效果：输入端增加下拉电阻后，彻底解决了由于ECU悬浮电压引起预热指示灯误报故障的问题。
    2.2优化放电电路
    存在问题：原设计预热继电器故障率较高，据统计，达到3 000 PPM。
    原因分析：原设计预热继电器采用快速放电电路进行放电，由于断开速度快，预热继电器断开时，形成较高的尖峰电压，与预热继电器负载的感性以及工作环境中的电磁干扰同时施加到预热继电器输出端，可能会损坏预热继电器的场效应管。
    改进措施：为了降低原设计预热继电器断开时产生的尖峰电压，需降低放电电路的放电时间，因此将快速放电电路改为通过电阻R9放电，如图4所示。通过放电电路的优化设计，大大降低了预热继电器断开时产生的尖峰电压，从而降低预热继电器的故障率。

    改进效果：通过优化放电电路，避免了预热继电器断开瞬间尖峰电压过高损坏输出端场效应管，提高了预热继电器输出端抗干扰能力。

    2.3延时电路设计
    存在问题：原设计预热继电器故障率较高，据统计，达到3 000 PPM。
    原因分析：预热继电器用在汽车预热系统中，其周围存在大量的电磁干扰，根据IS07637.2标准中给出的经典干扰波形，最高干扰电压可达到200 V。在整车电路中实际测量，当整车有按喇叭、开前照灯、开空调等动作时，会产生强烈的电磁干扰，根据示波器现场捕捉到的波形，干扰电压值超过100 V，但干扰脉冲时间较短。由于电磁干扰的存在，可能会影响预热继电器的正常工作。
    改进措施：当干扰电压使预热继电器处在临界导通状态时，会影响到预热继电器的正常工作。为了消除电磁干扰对预热继电器的影响，增加了延时电路，延时时间在200 ms范围内可完全过滤掉干扰电压。延时电路的电路原理如图5所示。

    延时电路的工作原理：输入电路提供一个上升沿电压信号，V2将该电信号的电压稳定在＋5 V、+5 V电压通过R5、 R6给电容C2充电。充电时间没有达到T（延时时间）时，反相器4069的1脚电压低于U限（门限值），4脚输出低电平，三极管V4截止，预热继电器不工作。充电时间达到或者超过T时，反相器4069的1脚电压高于U限，4脚输出高电平，三极管V4接通，电信号向后传输，预热继电器正常工作。当预热继电器输入端有脉宽小于T的干扰电压出现时，延时电路可过滤掉干扰电压，不会影响预热继电器的工作状态。
    延时时间T的计算过程：

    简化得：，则T=0.087×ln 10，即T=0.087×2.3=0.2 s=200 ms。
    改进效果：通过增加延时电路，避免了输入端干扰电压对预热继电器工作状态的影响。

    2.4短路失效时切断主回路电路设计
    2.4.1必要性及设计原理
    当预热继电器短路失效时，输入电路不能控制预热继电器的输出端，输出端始终保持短路状态，整个预热系统持续地非正常通电，由于系统功率大（2.2 kW），会使发动机及整车因预热继电器产生的热量过大而存在安全隐患。因此，有必要在预热继电器输出端设计短路失效时切断主回路电路，在预热继电器短路失效时切断输出主回路。
    短路失效时切断主回路电路原理如图6所示。短路失效时切断主回路电路由温度熔断器、加热片和控制继电器K1组成，其接线方式是温度熔断器与场效应管串联，控制继电器控制加热片的供电状态。

    在预热继电器正常工作状态下，当其接通时，由于延时电路的存在，控制继电器K1先接通，延时200 ms后场效应管接通；当其断开时，场效应管的断开≤4 ms，先断开，控制继电器K1的断开时间约为10 ms，后断开。因此预热继电器正常工作时，控制继电器K1始终不带电切换，加热片始终不工作，因此短路失效时切断主回路电路的工作性能稳定。
    当预热继电器短路失效时场效应管长期导通，输入端无电压，控制继电器K1处于常闭状态，图6中“电源＋”通过温度熔断器、场效应管、控制继电器K1、加热片与搭铁形成回路。由于加热片阻值较大，约20Ω，因此“电源＋”的电压主要加在加热片上，加热片将快速升温，传递给温度熔断器，加上场效应管产生的热量传导至温度熔断器，温度熔断器的温度值将快速升高。当温度升高到一定值时，熔断丝熔断，从而切断预热继电器的输出主回路。
    2.4.2器件选择
    1）温度熔断器选择温度熔断器的熔断丝选用易熔丝作为材料，其特性是熔断丝的温度达到一定值时，熔断丝快速熔断。温度熔断器的壳体采用尼龙1010增强20%，可耐320℃的高温。
    2）加热片选择为了保证加热片工作时不会损坏温度熔断器的壳体，因此加热片表面产生的最高温度不得高于320 ℃。本电路中加热片选用热敏电阻材料，加热片加热时，随着表面温度的变化。热敏电阻的阻值也随之变化，但加热片的表面温度是定值，始终稳定在260±10 ℃。因此加热片开始加热直到温度熔断器熔断时，加热片表面的温度都是稳定的，不会损坏温度熔断器的外壳。

    2.4.3试验验证
    预热继电器短路失效后，场效应管内阻值是不确定的，当内阻值在一定范围内，场效应管产生的热量较大，能够直接熔断温度熔断器；而当内阻值较小时，场效应管产生的热量也较小，不足以熔断温度熔断器，此时必须配合加热片产生的热量才能熔断温度熔断器。为了保证场效应管失效后，无论场效应管的内阻值是多少，都能够在规定时间内顺利地熔断温度熔断器，必须增加加热片部分对温度熔断器进行加热。表3是场效应管失效后，随着内阻值的不同，预热继电器产生总功率的变化。

    极端情况下，当场效应管的内阻值为0时，只有加热片产生的热量传导至温度熔断器，通过试验验证，此时温度熔断器也能够在5 min内熔断；随着场效应管内阻值的增大，预热继电器产生的总功率逐步增大，温度熔断器的熔断时间会有一定的缩短，但都能够在规定的时间内熔断；当场效应管内阻无穷大时，输出端电流为0，相当于断路，此时不存在预热继电器短路失效后的安全性隐患。

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