2種常見車載熔斷器選擇方法分析

陳 興，王恩棟

（一汽技術(shù)中心乘用車電子電氣開發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130011）

2種常見車載熔斷器選擇方法分析

陳 興，王恩棟

（一汽技術(shù)中心乘用車電子電氣開發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130011）

介紹車用熔斷器選型的基本理論依據(jù)；根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，介紹2種常見負(fù)載熔斷器的選擇方法。

熔斷器；焦耳定律；線路保護(hù)

汽車熔斷器是汽車電氣線路中的重要保護(hù)器件，其作用是保護(hù)汽車電氣線路及用電器不因過流、短路故障而發(fā)生損壞，并防止電氣線路過熱起火。本文不介紹以往文獻(xiàn)所經(jīng)常描述的電阻型負(fù)載、脈沖型負(fù)載和浪涌型負(fù)載等熔斷器的選擇方法，因前人已對(duì)其進(jìn)行了充分說明。結(jié)合筆者多年汽車熔斷器的選型經(jīng)驗(yàn)及實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，本文介紹2種典型汽車熔斷器的選型技巧。會(huì)降低（熔斷器熔斷能量=環(huán)境提供能量+回路電流產(chǎn)生的能量，而使熔斷器熔斷的能量值是一定的），即熔斷器更容易熔斷，反之溫度降低能量值會(huì)增大，熔斷器更難熔斷。這就是為什么熔斷器會(huì)有溫度衰減系數(shù)圖，圖1描述了不同環(huán)境溫度與使熔斷器熔斷的回路電流的線性關(guān)系。

1 熔斷器選型的理論依據(jù)

熔斷器的工作原理是讓一小段導(dǎo)電材料在必要時(shí)熔斷，而使其熔斷的最基本理論依據(jù)就是物理學(xué)上的焦耳定律，即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方、導(dǎo)體的電阻、通電的時(shí)間成正比，公式如下

Q=I2Rt

式中：Q——導(dǎo)體的發(fā)熱量，J；I——流過導(dǎo)體的電流，A；R——導(dǎo)體的電阻，Ω；t——電流流過導(dǎo)體的持續(xù)時(shí)間，s。

通常各車用熔斷器供應(yīng)商會(huì)提供一項(xiàng)熔斷器的技術(shù)參數(shù)即I2t，該數(shù)值乘以熔斷器自身的電阻值即為使該熔斷器熔斷所需的能量值。以美國(guó)力特熔斷器為例，其MINI熔斷器的技術(shù)參數(shù)表見表1。選擇10A熔斷器，若想使其熔斷所需的回路累積能量為93A2s×7.42mΩ=0.69 J，這一能量值是在常溫23℃時(shí)使其熔斷的能量值，如果環(huán)境溫度升高，則這一能量值

表1 MINI熔斷器的技術(shù)參數(shù)表

圖1 不同環(huán)境溫度與使熔斷器熔斷的回路電流的線性關(guān)系

以上是車用熔斷器選擇的核心理論依據(jù)。在選擇某一回路的熔斷器時(shí)，需保證當(dāng)回路負(fù)載（不論是電阻型負(fù)載、脈沖型負(fù)載還是浪涌型負(fù)載）正常工作時(shí)，其回路電流在熔斷器處所產(chǎn)生的累積能量應(yīng)小于熔斷器熔斷的能量。當(dāng)有異常電流產(chǎn)生時(shí)（如回路短路、過載），回路電流在熔斷器處累積的能量可使熔斷器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)熔斷。這就是車用熔斷器選擇的基本原則，下面介紹幾個(gè)典型例子。

2 點(diǎn)火線圈熔斷器選擇

一汽某自主車型，其發(fā)動(dòng)機(jī)采用4缸機(jī)型，4個(gè)點(diǎn)火線圈交替工作，供應(yīng)商提供的其工作時(shí)的測(cè)試波形如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火線圈工作時(shí)的測(cè)試波形

然后，確認(rèn)熔斷器安裝位置，通常點(diǎn)火線圈的熔斷器都安裝在前機(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)附近的配電盒內(nèi)，周邊環(huán)境溫度較高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最大可達(dá)105℃左右。

接下來著重介紹熔斷器容量的選擇。

1）初選熔斷器容量。比脈沖峰值電流11A大一級(jí)，選15A的熔斷器。

2）計(jì)算回路電流不同時(shí)間內(nèi)在熔斷器位置所產(chǎn)生的累積能量值。由于后續(xù)我們要看該能量值相比于該時(shí)間內(nèi)熔斷器熔斷能量的占比，故不再乘以熔斷器的電阻值，只根據(jù)焦耳定律計(jì)算電流的平方與時(shí)間相乘的數(shù)值即I2t。而要得到這一數(shù)值，需要對(duì)圖2的脈沖波進(jìn)行微積分處理，如圖3所示。這一過程不僅繁瑣而且所得數(shù)值并不一定準(zhǔn)確。

圖3 微積分處理

根據(jù)波形圖，單個(gè)點(diǎn)火線圈工作時(shí)產(chǎn)生脈沖電流，最大的脈沖峰值電流可達(dá)11A，脈沖持續(xù)時(shí)間約3.5 ms，2個(gè)脈沖的間隔時(shí)間約為6.5 ms。按傳統(tǒng)熔斷器選擇方法即將車上各類電器件分為3類負(fù)載：電阻型負(fù)載如后風(fēng)窗加熱電阻絲，脈沖型負(fù)載如喇叭和浪涌型負(fù)載如舉窗電機(jī)，然后根據(jù)不同負(fù)載類型選擇熔斷器。而對(duì)于像點(diǎn)火線圈這種脈沖間隔時(shí)間非常短的負(fù)載，我們卻不好將其進(jìn)行歸類，因?yàn)闅w到哪一類里都會(huì)有選擇的局限性。如果將其歸為脈沖型負(fù)載，這種頻繁工作的脈沖負(fù)載，如何規(guī)定其熔斷器能承受的次數(shù)，一般負(fù)載熔斷器的幾萬次或幾千次耐沖擊壽命顯然無法滿足點(diǎn)火線圈的工作要求，既然無法滿足，我們需要定義點(diǎn)火線圈熔斷器的耐久次數(shù)為多少呢？而如果我們將其歸為電阻型負(fù)載，那么我們?nèi)绾味x點(diǎn)火線圈工作時(shí)的額定電流呢，取脈沖電流峰值？還是峰值電流和不工作時(shí)電流的平均值？顯然這2個(gè)電流值都不合適。

下面筆者依照本文第1章介紹的理論依據(jù)及實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證情況，介紹一種選擇方法。

首先，確定熔斷器類型。這里沒有需要特別說明的，市場(chǎng)上幾乎所有車型的點(diǎn)火線圈熔斷器均為快熔型熔斷器，如力特品牌的MINI系列，太平洋品牌的BFMN系列。

根據(jù)筆者多個(gè)車型的熔斷器選型經(jīng)驗(yàn)，可采用一種更加簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。將點(diǎn)火線圈的脈沖波看成一個(gè)三角形，將其轉(zhuǎn)化為電流的平方與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖4所示，可將轉(zhuǎn)化后的圖形也看成是三角形，這樣就可以得到單個(gè)脈沖的近似能量值：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖近似能量值=（11A）2×（3.5 ms）/2=0.21A2s。

圖4 電流的平方與時(shí)間的關(guān)系曲線

按上述方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，需計(jì)算9個(gè)時(shí)間段內(nèi)負(fù)載電流累積能量值，見表2。

表2 9個(gè)時(shí)間段內(nèi)負(fù)載電流累積能量值

3）計(jì)算9個(gè)時(shí)間段內(nèi)熔斷器熔斷所需的能量值。不同類型不同容量的熔斷器都有其對(duì)應(yīng)的熔斷特性曲線，其描述的是不同時(shí)間下，熔斷器熔斷所需的電流值。力特MINI熔斷器的熔斷特性曲線如圖5所示，根據(jù)這一曲線可在這9個(gè)時(shí)間點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)的熔斷電流，進(jìn)而可得到I2t數(shù)值。

圖5 力特MINI熔斷器的熔斷特性曲線

計(jì)算初選的MINI 15A熔斷器在9個(gè)時(shí)間段內(nèi)105℃時(shí)的熔斷I2t，見表3。電流需乘以溫度衰減系數(shù)，根據(jù)圖1，105℃時(shí)衰減系數(shù)為0.88。

表3 105℃時(shí)的熔斷I2t值

將同一時(shí)間段內(nèi)負(fù)載電流能量與熔斷器熔斷能量相比，得到表4。

表4 負(fù)載電流能量與熔斷器熔斷能量相比

根據(jù)表4可以看到，點(diǎn)火線圈工作2 s之后，負(fù)載電流在熔斷器處的累積能量與熔斷器的熔斷能量占比達(dá)到最大。根據(jù)圖6，在占比13%時(shí)，可滿足20萬次左右的工作周期，按一天平均起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)20次，一年365天，20萬次，可保證點(diǎn)火線圈熔斷器在28年內(nèi)不會(huì)熔斷，這還是在機(jī)艙溫度始終保持105℃時(shí)的情況，實(shí)際機(jī)艙不可能長(zhǎng)時(shí)間保持這一溫度，實(shí)際使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。這一壽命可滿足大多數(shù)車輛的耐久要求，故可以最終鎖定點(diǎn)火線圈的熔斷器為15A快熔熔斷器。

圖6 負(fù)載電流在熔斷器處的累積能量與熔斷器的熔斷能量占比

3 座椅熔斷器選擇

目前越來越多的車輛都配備電動(dòng)調(diào)節(jié)座椅，根據(jù)調(diào)整方向的多少，座椅內(nèi)部會(huì)配置2至4個(gè)不等的電機(jī)，這些電機(jī)可能會(huì)單獨(dú)工作，也可能多個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，這樣的特殊負(fù)載該如何選擇相應(yīng)的熔斷器呢？下面介紹一種方法。

一汽某自主車型，其副駕駛員座椅有3個(gè)電機(jī)，可進(jìn)行6個(gè)方向的電動(dòng)調(diào)節(jié)，單個(gè)電機(jī)的參數(shù)見表5。

表5 電機(jī)參數(shù)

由于人只有2只手，所以正常情況下只能最多同時(shí)調(diào)整2個(gè)電機(jī)，其實(shí)多數(shù)人只調(diào)整一個(gè)電機(jī)?？紤]2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作的情況見表6。

表6 2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作的電流數(shù)值

首先，確認(rèn)熔斷器類型。通常電機(jī)類負(fù)載需選擇慢熔型熔斷器，如力特品牌的JCASE系列，太平洋品牌的SBFC系列。

之后，確認(rèn)熔斷器容量。這里就需考慮座椅調(diào)節(jié)的實(shí)際工作情況。絕大多數(shù)情況，用戶只會(huì)進(jìn)行一個(gè)電機(jī)的調(diào)節(jié)，2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作的情況很少，而出現(xiàn)2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作且有一個(gè)甚至2個(gè)堵轉(zhuǎn)的情況就會(huì)更少，一年當(dāng)中僅會(huì)發(fā)生有限的幾次，我們需保證電機(jī)在堵轉(zhuǎn)保護(hù)起作用之前熔斷器不被熔斷。故初選熔斷器時(shí)，按2個(gè)電機(jī)同時(shí)正常工作的電流考慮，根據(jù)表6最大電流為18.4 A，初選20 A的熔斷器，那么在電機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)保護(hù)之前，20 A的慢熔熔斷器是否會(huì)提前熔斷呢？根據(jù)熔斷器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8820的規(guī)定要求，各類熔斷器在不同過載電流下有熔斷時(shí)間要求，以力特JCASE慢熔熔斷器為例，其在不同過載電流的熔斷時(shí)間如圖7所示。按表6，一個(gè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)正常工作的最大電流為27.3 A，相當(dāng)于20 A熔斷器過載137%，按圖7，至少需60 s的時(shí)間才能熔斷，而電機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間才2 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔斷器熔斷時(shí)間，即使堵轉(zhuǎn)熔斷器也不會(huì)熔斷。同理，2個(gè)電機(jī)同時(shí)堵轉(zhuǎn)，熔斷器也不會(huì)熔斷。而發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況極少，可以不考慮堵轉(zhuǎn)對(duì)熔斷器壽命的影響，按本文第2章介紹的能量占比方法計(jì)算，20 A JCASE熔斷器完全可滿足電機(jī)正常工作時(shí)的周期壽命要求。

圖 7 力特JCASE慢熔熔斷器熔斷時(shí)間

有人可能會(huì)問，為什么不考慮3個(gè)電機(jī)同時(shí)工作的情況呢？3個(gè)電機(jī)同時(shí)工作由于發(fā)生的概率及其微小，將其定義為故障模式，如果因?yàn)?個(gè)電機(jī)同時(shí)工作導(dǎo)致熔斷器熔斷，我們認(rèn)為是正常現(xiàn)象，且會(huì)在用戶使用手冊(cè)里進(jìn)行說明。

綜上，選擇副駕駛座椅的熔斷器為20 A的慢熔熔斷器，經(jīng)10萬 km的路試驗(yàn)證及3年左右的市場(chǎng)驗(yàn)證，該選型結(jié)果準(zhǔn)確，沒有在售后市場(chǎng)出現(xiàn)熔斷器頻繁熔斷的情況，同時(shí)也沒有因?yàn)槿蹟嗥鞯倪x型過大產(chǎn)生導(dǎo)線線徑過粗的情況，很好地控制了質(zhì)量和成本。

4 總結(jié)

以上根據(jù)熔斷器熔斷的基本物理學(xué)規(guī)律即焦耳定律介紹了2種常見負(fù)載熔斷器的選型方法，其他負(fù)載的熔斷器選擇都可以遵循上述方法。只要滿足在車輛正常使用周期內(nèi)，負(fù)載正常工作時(shí)熔斷器不被熔斷，而在發(fā)生異常情況時(shí)熔斷器可正常熔斷的基本原則，同時(shí)考慮成本等因素，就可以得到最優(yōu)的選擇方案。

［1］ 萊特（英），牛伯來（英）.熔斷器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：2-3.

［2］ 張明森.汽車用熔斷器選用方法［J］.汽車電器，2010（1）：11-13.

［3］ Littelfuse. Automotive Circuit Protection Products［Z］.2014.

（編輯 楊 景）

Analysis on Selection Methods of Two Common Vehicle Fuse

CHEN Xing，WANG En-dong

（Passenger Vehicle EE Development Department，F(xiàn)AW R&D Centre，Changchun 130011，China）

This article introduces the basic theory of vehicle fuse selection. Based on years’ experience，two kinds of common load fuse is mainly demonstrated.

fuse；Joule Law；wire protection

U463.6

B

10003-8639（2017）10-0034-04

2017-04-24

陳興（1987-），男，電氣工程師，主要從事整車電線束設(shè)計(jì)及電子電氣架構(gòu)模型仿真工作。