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)
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(méi)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。
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(wèn)題。
1)熔斷絲易熔斷,導(dǎo)致功能失效。
2)加熱性能不佳,無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。
3)后風(fēng)擋局部過(guò)熱,溫度超標(biāo)較多。
4)線束易燒蝕或過(guò)熱、線束軟;布線出來(lái)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。
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(guò)程見圖1整改方案分析,圖2為整改過(guò)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(wú)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(lái)。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(guò)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(cè)試通過(guò)。
汽車電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了防止用電器、導(dǎo)線和繼電器過(guò)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(guò)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。
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(shuō)電流略超過(guò),熔斷絲立即會(huì)熔斷。
熔斷絲熔斷:熔絲上的熱量累積超過(guò)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(guò)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:
由于以下限制,通過(guò)BCM上同一個(gè)端子的電流有上限,并不能無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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
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(guò)70℃);⑤加熱區(qū)域符合要求(面積,中間優(yōu)先);⑥最簡(jiǎn)的工藝要求(成品率高、加工難度低、無(wú)特殊要求)。
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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(cè)試
確定參數(shù)范圍合理性,對(duì)負(fù)載進(jìn)行數(shù)輪多項(xiàng)測(cè)試,等效電路如圖8所示,測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表3。
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(guò)熱風(fēng)險(xiǎn);兩廂車或者類似無(wú)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(guò)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(zhǎng)度差異(最短的和最長(zhǎng)的)最大。
圖8 等效電路示意圖
表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比
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(guò)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(guò)窄,避免成為電流通過(guò)的瓶頸,導(dǎo)致熱阻過(guò)大,流經(jīng)加熱絲的電流過(guò)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。
局部過(guò)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(guò)調(diào)整線寬、母線局部寬度以及加熱絲方案可以針對(duì)性地降低最高點(diǎn)溫度。
電器負(fù)載匹配設(shè)計(jì)需要通過(guò)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。