汽車熔斷絲設(shè)計(jì)選用影響因素研究

任江華

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430000）

熔斷絲是車輛開發(fā)的傳統(tǒng)零件，規(guī)格系列已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)成熟。在設(shè)計(jì)開發(fā)車型時(shí)，需要按照車輛電器架構(gòu)和電器負(fù)載的要求選用合適的規(guī)格，以滿足安全和可靠性的要求。然而近年來，知名國際主機(jī)廠仍然出現(xiàn)了熔斷絲召回的案例，幾乎各主機(jī)廠都遇到過熔斷絲失效的問題，其中涉及因素眾多，各因素之間的綜合作用使得設(shè)計(jì)選用變得復(fù)雜，對(duì)于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的工程設(shè)計(jì)人員來說挑戰(zhàn)很大。

1 傳統(tǒng)分析研究

關(guān)于熔斷絲設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很多，大部分都提到了負(fù)載的分類，一般把負(fù)載簡單分成感性負(fù)載和阻性負(fù)載，這是以電器設(shè)備典型阻抗來區(qū)分的。實(shí)際上，電器設(shè)備的阻抗比較復(fù)雜，以燈泡為例，近光燈穩(wěn)定工作后，可以看成一個(gè)阻性負(fù)載，電流比較穩(wěn)定。轉(zhuǎn)向燈燈泡工作的時(shí)候，通斷是交替進(jìn)行的，這時(shí)，不宜視為阻性負(fù)載。

車輛上的刮水電機(jī)、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、空調(diào)電機(jī)可以視為感性負(fù)載。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，電流是有變化的。以空調(diào)電機(jī)為例，正常工作情況下，風(fēng)速越大，電機(jī)的電流越大。對(duì)于冷卻系統(tǒng)的電機(jī)，電流跟電機(jī)的負(fù)載相關(guān)，供電不變的情況下，阻力越大，電流越大，極端堵轉(zhuǎn)情況下，電流最大。

比較常見的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)原則是，按UL熔斷絲的特性，需要采用折減率0.75，即：熔斷絲額定值=穩(wěn)態(tài)電流/0.75，在此基礎(chǔ)上圓整。

2 故障分析

熔斷絲熔斷和局部過熱是常見的失效模式，熔斷絲熔斷故障處理思路比較明確，在排除線路短路的情況下，需要思考熔斷絲的額定值和實(shí)際負(fù)載的關(guān)系，特別需要考慮感性負(fù)載的啟動(dòng)電流。

2.1 案例一

圖1 12 V起動(dòng)機(jī)控制回路吸合電流

某車型起動(dòng)機(jī)熔斷絲熔斷，客戶無法起動(dòng)車輛，該故障率約為千分之五（5 000 ppm）。圖1是實(shí)車起動(dòng)機(jī)控制線圈工作電流，可以看出，起動(dòng)階段沖擊電流比較大，達(dá)到了39.1 A，持續(xù)時(shí)間在15 ms左右。而該車的起動(dòng)機(jī)熔斷絲額定值為25 A，負(fù)載電流為熔斷絲額定電流的1.56倍左右。按熔斷絲的熔斷特性，如表1所示［1］，理想情況下理論上不會(huì)有熔斷問題。結(jié)合實(shí)際售后表現(xiàn)，需要考慮綜合因素的影響，比如環(huán)境溫度，熔斷絲特性的偏差，電機(jī)電流的波動(dòng)偏差，多次起動(dòng)后對(duì)熔斷絲的沖擊導(dǎo)致的特性的影響。在綜合分析后，將熔斷絲的額定值調(diào)整為30 A，此故障消除， 此時(shí)負(fù)載電流為熔斷絲額定電流的1.3倍。

表1 常見的熔斷絲特性

2.2 案例二

某車出現(xiàn)水溫過高的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫報(bào)警，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)熔斷絲底座和塑料殼熔融，少部分熔斷絲熔斷，都為長里程故障，如圖2所示。該車熔斷絲盒采用了阻燃設(shè)計(jì)，阻燃等級(jí)為V0 ，在沒有明火的情況下，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過熱或者起火故障。

圖2 熔斷絲底座熔融

該車風(fēng)扇熔斷絲在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，額定值為30 A，AUTO規(guī)格，扁平直插式設(shè)計(jì)，綠色。根據(jù)售后的信息，發(fā)現(xiàn)故障在出租車上高于私家車，出租車在很多城市24 h連續(xù)工作，工況比較惡劣。故障發(fā)生日期集中在夏季，跟環(huán)境溫度和空調(diào)的使用相關(guān)，空調(diào)壓縮機(jī)負(fù)荷會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，電子風(fēng)扇需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)以滿足冷卻系統(tǒng)的要求。冷卻風(fēng)扇為雙風(fēng)扇設(shè)計(jì)，總的負(fù)載如圖3所示，高速總電流約為38 A，單風(fēng)扇為19 A左右，熔斷絲額定值為實(shí)際負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作電流的1.58倍。

圖3 雙風(fēng)扇高低速啟動(dòng)電流

根據(jù)熔斷絲的設(shè)計(jì)特性，30 A的熔斷絲可保證25 A以下長期工作，不能出現(xiàn)過度發(fā)熱的情況，18～20 A的負(fù)載在30 A熔斷絲的合理工作區(qū)間。夏季高溫屬于環(huán)境溫度的影響，內(nèi)部因素聚焦到熔斷絲與熔斷絲盒的接觸上，熔斷絲盒下部端子為沖壓結(jié)構(gòu)，音叉式，與熔斷絲插片為3段式接觸，在最理想的情況下，接觸面可視為跟端子寬度相當(dāng)?shù)囊粭l直線，如圖4所示。

而相同規(guī)格的跟熔斷絲接觸的線束端子，采用雙面卡夾，接觸面可視為2條與寬度相等的直線，在理論上，接觸電阻小一半，見圖5。AUTO規(guī)格熔斷絲，連接標(biāo)準(zhǔn)要求接觸電阻低于2 mΩ［2］。

另一方面，為了保證音叉的間隙，音叉式端子采用沖壓成型，對(duì)工藝要求極高，必須保證非常好的產(chǎn)品一致性。同時(shí)，為了保證長期的耐久性，要求材料彈性好，長期使用不變形，保證接觸點(diǎn)的壓力，工藝難度大。

此項(xiàng)目在開發(fā)周期和安裝體積的約束下，選擇了慢熔熔斷絲，慢熔熔斷絲為螺釘緊固，接觸處為一個(gè)面，如圖6所示，此種接觸方式接觸電阻非常小，小于1 mΩ［2］。在設(shè)計(jì)改進(jìn)后，此故障消除。

圖4 音叉式?jīng)_壓結(jié)構(gòu)

圖5 同規(guī)格線束端子結(jié)構(gòu)

圖6 螺釘擰緊面接觸

3 熔斷絲設(shè)計(jì)選型影響因素

3.1 負(fù)載類型及大小

結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，參考上述故障案例，電器負(fù)載的電流大小是核心考慮因素，除了考慮穩(wěn)定負(fù)載電流，必須考慮啟動(dòng)沖擊電流和時(shí)長的因素，同時(shí)需盡量兼顧堵轉(zhuǎn)電流。參考建議如下。

1）長期阻性負(fù)載：熔斷絲額定值選取1.25～2倍穩(wěn)定負(fù)載，比如鹵素位置燈、近光燈。

2）長期感性負(fù)載：熔斷絲額定值選取1.5～2倍穩(wěn)定最大負(fù)載，比如空調(diào)風(fēng)扇。

3）部分短時(shí)感性負(fù)載：熔斷絲額定值選取0.75～1倍最大負(fù)載，比如起動(dòng)機(jī)。

3.2 環(huán)境溫度影響

如果熔斷絲盒布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，必須考慮環(huán)境溫度的影響。若采用直插式AUTO熔斷絲，長期負(fù)載大于15 A，接觸電阻自發(fā)熱量比較大，溫度升高比較明顯，可考慮把額定值30A以上的部分大負(fù)載熔斷絲放到乘客艙。

無論從成本角度還是品質(zhì)角度，建議避免熔斷絲盒內(nèi)部溫度升高到110 ℃以上，從而可規(guī)避對(duì)相鄰的部件提過高的耐熱要求。

3.3 接觸電阻和端子設(shè)計(jì)

如果穩(wěn)定負(fù)載大于20 A，優(yōu)先推薦采用慢熔型、MAXI型熔斷絲，這2類熔斷絲的連接方式接觸電阻非常小、發(fā)熱量低，而且體積較大、散熱更優(yōu)。 額定值為30 A以上的AUTO熔斷絲不推薦使用3段式音叉結(jié)構(gòu)端子，盡量采用圖5線束類端子，或者采用結(jié)構(gòu)可靠的三點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)（需使用雙排，6個(gè)接觸點(diǎn)）， 如圖7所示，滿足接觸電阻的規(guī)范要求。

3.4 鍍層處理

非常廣泛使用的鍍層是鍍錫，這是汽車和線束行業(yè)用量最廣的鍍層。同時(shí)，部分規(guī)格的熔斷絲也有采用銀鍍層。根據(jù)金屬的特性，銀的導(dǎo)電性非常好，因此其接觸電阻理論上要優(yōu)于鍍錫。在電流比較大的場合，可考慮銀鍍層。

3.5 散熱設(shè)計(jì)

如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許，推薦采用通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)，車輛行駛時(shí)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣體流場，使冷風(fēng)能流通到熔斷絲盒內(nèi)，帶走部分自發(fā)熱的熱量，降低工作時(shí)的整體溫度。

圖7 三點(diǎn)接觸端子

3.6 生產(chǎn)一致性因素

熔斷絲、接觸端子和熔斷絲盒等產(chǎn)品都有生產(chǎn)一致性問題，當(dāng)某幾個(gè)公差因子疊加到一起后，可能造成一定概率的故障，正如前述案例一。此時(shí)，需要考慮多留一些設(shè)計(jì)上的余量，簡化品質(zhì)控制環(huán)節(jié)的難度。

4 仿真和驗(yàn)證

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)在有許多軟件可實(shí)現(xiàn)仿真模擬，在初步設(shè)計(jì)選型后，可采用仿真軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。其中相關(guān)許多參數(shù)的設(shè)置非常重要，實(shí)際上參數(shù)設(shè)置需要結(jié)合實(shí)際的實(shí)物實(shí)驗(yàn)情況不斷修正，才能達(dá)到比較準(zhǔn)確的模擬。

在實(shí)際車輛樣車生產(chǎn)出來后，需要開展實(shí)車短路實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證熔斷絲的安全保護(hù)作用，熔斷絲要在技術(shù)規(guī)范規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)熔斷，達(dá)到保護(hù)線束的目的。必須注意的是，短路實(shí)驗(yàn)須在供電線的末端進(jìn)行，這樣才能串聯(lián)所有回路的阻抗，該實(shí)驗(yàn)在一定程度上也可驗(yàn)證線束截面設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論和展望

由上文的實(shí)際故障分析和解決過程看，影響熔斷絲設(shè)計(jì)選型的因素很多，包含負(fù)載類型、負(fù)載工況、負(fù)載穩(wěn)定電流大小、啟動(dòng)沖擊電流的大小和時(shí)長、環(huán)境溫度、熔斷絲盒插座的結(jié)構(gòu)、散熱條件等等。

在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中，根據(jù)參考建議和影響因素分析，選擇最恰當(dāng)?shù)娜蹟嘟z類型和額定值，并通過完整的實(shí)物及試驗(yàn)驗(yàn)證，才能實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)和高可靠性。

［1］ PSA.熔斷絲技術(shù)規(guī)范［Z］.2005.

［2］ PSA.連接器技術(shù)規(guī)范［Z］.2010.