負(fù)載設(shè)計(jì)匹配探討后風(fēng)擋加熱

白樹立，劉 俊

（1.北京車和家汽車研究院，北京 100103；2.浙江吉利新能源商用車有限公司，浙江 杭州 311228）

1 除霜技術(shù)規(guī)范要求（表1）

表1 除霜技術(shù)規(guī)范要求

從表1可知：企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓定義不一致；定義了電源端，但沒約束負(fù)載端，造成試驗(yàn)結(jié)果可能不一致。

從JC-T 673—1997后加熱試驗(yàn)方法，GB 9656—2003汽車安全玻璃標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范上總結(jié)以下幾點(diǎn)：20 min，13V電源電壓，≥80%化霜面積；加熱絲覆蓋范圍內(nèi)，任一點(diǎn)溫度≤70℃。

1）為了實(shí)現(xiàn)化霜面積的目標(biāo)，以下方式可以考慮采用：①減小加熱區(qū)域面積；②增加發(fā)熱區(qū)域的加熱絲密度；③增加負(fù)載電壓，減小負(fù)載電阻；④其他一切可以實(shí)現(xiàn)的方案。

2）為了實(shí)現(xiàn)溫度控制的目標(biāo)，以下方式可以考慮采用：①減小發(fā)熱區(qū)域的加熱絲密度；②減小負(fù)載電壓，增加負(fù)載電阻；③其他一切可以實(shí)現(xiàn)的方案。

2 后風(fēng)擋加熱的常見問題

在車型新開發(fā)后風(fēng)擋的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到以下幾個(gè)問題。

1）熔斷絲易熔斷，導(dǎo)致功能失效。

2）加熱性能不佳，無法達(dá)到預(yù)期的效果。

3）后風(fēng)擋局部過熱，溫度超標(biāo)較多。

4）線束易燒蝕或過熱、線束軟；布線出來的外觀表現(xiàn)不佳，露線等；加熱絲使用之耐久性差、易變色等。

3 問題排查方案準(zhǔn)備的方向

1）先前的設(shè)計(jì)考慮不夠周全，產(chǎn)品因?yàn)榉N種原因不能滿足要求。下面列舉某車型后除霜后風(fēng)擋熔斷絲與負(fù)載的匹配整改過程見圖1整改方案分析，圖2為整改過程圖。BCM熔斷絲直接更換成30A熔斷絲：普通繼電器為最高30A@1h@12V，85℃@13V下耐久性差；PCB可能損壞，如果不更改線束，需要調(diào)整。

2）取消外后視鏡加熱功能。配置有需求：北部地區(qū)需求（雪）；南部地區(qū)需求（雨）。

3）降低外后視鏡加熱功率。功率較?。?.5A），基本無視；稍微降低功率，性能降低很多，得不償失。

4）外后視鏡加熱熔斷絲獨(dú)立出來。方案可行，需要時(shí)間，周期至少半年；需要改進(jìn)PCB，模具變更，需要重新認(rèn)可。

圖1 整改方案分析

圖2 整改過程流程圖

5）降低后風(fēng)擋加熱絲功率。方案可行，需要時(shí)間，周期待定；BCM需要驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；整車需要驗(yàn)證。

不論何種方案，負(fù)載電流必須控制在設(shè)定的限值內(nèi)，并且需經(jīng)實(shí)物測試通過。

4 熔斷絲的理論分析計(jì)算

汽車電路設(shè)計(jì)過程中，為了防止用電器、導(dǎo)線和繼電器過電流損壞，串入熔斷絲進(jìn)行保護(hù)。熔斷絲熔斷是在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的很大熱量造成的，而熱量的產(chǎn)生與電流的大小和環(huán)境溫度有關(guān)（當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熔斷絲的載流能力會(huì)下降 ）。所以各熔斷絲通過的電流不同（各用電器的功率不同），以及熔斷絲所在位置工作溫度不同，熔斷絲規(guī)格也不同。

4.1 熔斷絲的計(jì)算

一般情況下熔斷絲的選擇可以按照以下公式（圖3）進(jìn)行計(jì)算。

圖3 熔斷絲計(jì)算公式

1）方法A按照這個(gè)公式計(jì)算，熔斷絲帶載能力為：

注意：此計(jì)算結(jié)果并不是說電流略超過，熔斷絲立即會(huì)熔斷。

熔斷絲熔斷：熔絲上的熱量累積超過了熔融界限，并且進(jìn)入熔斷界限。

選用規(guī)格合適的熔斷絲，一般遵循在常溫（25℃）下選擇熔斷絲容量的75%為電器負(fù)載的工作電流。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熔斷絲的載流能力會(huì)下降，要求熔斷絲應(yīng)在過載或短路的情況下能有效地保護(hù)導(dǎo)線。一般情況下熔斷絲的選擇可以按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：If——熔斷絲理想值；In——正常工作電流值；RR——溫度折減系數(shù)。

2）方法B按照這個(gè)公式計(jì)算，熔斷絲帶載能力為：

4.2 繼電器的帶載能力限制

由于以下限制，通過BCM上同一個(gè)端子的電流有上限，并不能無限增加。繼電器的帶載能力限制：普通繼電器為25A；耐溫繼電器為30A，成本提升。

1）端子片寬對電流的限制。2.2mm端子帶載允許持續(xù)20A；6.3mm端子帶載允許持續(xù)50A；2.8mm端子帶載允許持續(xù)22.2～25.5A（否決計(jì)算值）。

2）3端子壓接線束的能力有限制。

3）電路板上覆銅所允許的電流密度有限制。

4）電路板上同一個(gè)接插件的端子所占空間對覆銅面積有限制。

5）大電流引起的溫升有限制（接觸電阻一定的時(shí)候），大電流引起高溫會(huì)對接插件以及BCM外殼造成損壞甚至接插件被熱熔（否決項(xiàng)計(jì)算值），熱熔如圖4所示。

圖4 熱熔狀態(tài)

即使經(jīng)過PCB優(yōu)化等措施，負(fù)載電流仍然不可以突破30A，端子承受電流也決定了電流有限制，所以持續(xù)電流必須保持在端子、熔斷絲的限值內(nèi)，按照前述2種方案，持續(xù)電流必須限值在以下2種情況內(nèi)：25A熔斷絲限值18.0A；30A熔斷絲限值21.5A，要求負(fù)載電流必須在18A以下。由于以下原因，上述電流限值應(yīng)是玻璃冷態(tài)、初上電時(shí)的最高值：正溫度系數(shù)（溫度越高，電阻越大）；長時(shí)間、連續(xù)；電流變化率小，如圖5所示。

圖5 溫度系數(shù)變化

5 后風(fēng)擋加熱絲理論分析計(jì)算

后風(fēng)擋主要考慮的有以下內(nèi)容：①負(fù)載功率不超標(biāo)（與整車線束、熔斷絲相適應(yīng)）；②最優(yōu)的舌片位置（符合造型，尤其是兩廂車）；③最低的成本付出（加熱絲盡量少，母線盡量窄）；④最高溫度不超標(biāo)（任何一點(diǎn)不允許超過70℃）；⑤加熱區(qū)域符合要求（面積，中間優(yōu)先）；⑥最簡的工藝要求（成品率高、加工難度低、無特殊要求）。

5.1 負(fù)載功率不超標(biāo)

為了滿足功率上限不超標(biāo)，必須想辦法將能量集中到需要的地方。如圖6所示，應(yīng)將能量盡可能集中到加熱所在區(qū)域。能量不應(yīng)該在以下區(qū)域耗費(fèi)過多：端子（接插件），導(dǎo)線，母線，非重點(diǎn)加熱區(qū)。

選用合適的端子，減少回路上接插次數(shù)；綜合考慮成本因素，盡量線徑足夠粗；合理設(shè)計(jì)母線形狀對加熱區(qū)進(jìn)行分塊分類，關(guān)照重點(diǎn)。

1）電阻基本公式：

電阻=電阻率×長度/橫截面積（即：R=ρ×L / S） （6）

2）串聯(lián)電阻（圖7）所承受電壓公式：

圖6 負(fù)載功率

圖7 串聯(lián)電阻

式中：Us——電源電壓；UDef——除霜部分的電壓；R線——線束上的電阻；R接——接插件上的電阻，包括線束插件和風(fēng)擋插件；RX——R線+R接。

3）功率公式

4）負(fù)載測試

確定參數(shù)范圍合理性，對負(fù)載進(jìn)行數(shù)輪多項(xiàng)測試，等效電路如圖8所示，測試結(jié)果對比見表3。

5.2 舌片位置布置

三廂車或者類似有護(hù)板的，居中布置較好，有利于電流分配，降低局部過熱風(fēng)險(xiǎn)；兩廂車或者類似無護(hù)板的，出于造型、外觀的需要，經(jīng)常要求舌片位置居于底部，由此存在局部過熱、遠(yuǎn)端發(fā)熱量偏低造成加熱效果差的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)舌片布置在端部的時(shí)候，同樣情況下，回路長度差異（最短的和最長的）最大。

圖8 等效電路示意圖

表3 測試結(jié)果對比

5.3 容易出現(xiàn)的問題

當(dāng)近端的最高溫度達(dá)到峰值時(shí)，遠(yuǎn)端的溫度還在較低的程度（通過的電流差異大），假定舌片在11～12根的位置。從降低電流密度出發(fā)，至少需保留加熱絲的寬度，同時(shí)加上必要的工藝寬度；從成本、減少發(fā)熱出發(fā)，母線在舌片處加寬，其余部分順著電流減小的方向變窄。母線不能過窄，避免成為電流通過的瓶頸，導(dǎo)致熱阻過大，流經(jīng)加熱絲的電流過小。

由于加熱絲發(fā)散熱量是從中間累計(jì)往外發(fā)散的，加熱絲間距總有極限，推薦25～30mm。

5.4 局部過熱發(fā)生的原因

局部過熱發(fā)生的原因往往是電流的局部集中，常見以下情況：①加熱絲局部變薄，則由于截面積變小，兩端電壓變化不大，S變小處發(fā)熱會(huì)增加；②兩條加熱絲匯合成一條加熱絲，如果截面積不變，則同上；③母線局部寬度或者厚度變窄處或者變薄處局部發(fā)熱會(huì)增加；④舌片位置調(diào)整，使電流流出/匯入的母線寬度減少，則局部發(fā)熱會(huì)增加。通過調(diào)整線寬、母線局部寬度以及加熱絲方案可以針對性地降低最高點(diǎn)溫度。

6 小結(jié)

電器負(fù)載匹配設(shè)計(jì)需要通過理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)在工作中逐漸摸索和總結(jié)，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷完善細(xì)節(jié)等，讓設(shè)計(jì)走向成熟才是最終的要求。