汽車用保險絲的設計與選型原則

陳淳，楊喜軍

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汽車用保險絲的設計與選型原則

陳淳，楊喜軍

（上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

隨著現(xiàn)代汽車電氣化程度不斷提升，車載功能日益增強、電氣設備不斷更新，人們對整車安全性能的要求也在不斷提升。在此過程中，保險絲（熔斷器）所起到保護作用非常關鍵。近幾年來，車用保險絲發(fā)生了日新月異的變化，其種類、功用、性能越來越多，應用也越來越廣泛。主要圍繞車載保險絲，分析其應用在汽車上的設計與選型原則。

汽車；保險絲；電流；選型原則

1 引言

保險絲，又名“熔斷器”，是一個熱能響應元件。汽車電路中的用電器被不同顏色的導線連接起來，在這些過電流保護手段中，采用保險絲是人們采用最多的保護手段。保險絲的作用主要是保護電源與導線，避免短路，保護用電器，防止過載。汽車保險絲的用途與家用保險絲的大同小異，當電路電流異常并超過其額定電流時熔斷，從而起到電路保護屏障的作用。如若不然，升高的電流會損毀電路中的重要器件，甚至引起火災?？梢?，保險絲的存在意義重大，如何根據(jù)電路的情況來選擇保險絲，是汽車前期設計的一個關鍵因素。

2 保險絲的構造及工作原理

2.1 保險絲的構造及種類

保險絲一般由以下3個部分組成：①熔體部分。它是保險絲的核心，熔斷時起到切斷電流的作用。②電極部分。通常有2個，它必須有良好的導電性，不應產(chǎn)生明顯的安裝接觸電阻。③支架部分。支架的作用是將熔體固定，它必須有良好的機械強度、絕緣性和阻燃性，在使用中不應產(chǎn)生斷裂、變形及短路等現(xiàn)象。

電力電路及大功率設備所用到的保險絲，不僅具有一般保險絲的3個部分，而且還有滅弧裝置。因為這類保險絲所保護的電路不僅工作電流較大，而且當熔體發(fā)生熔斷時其兩端的電壓也很高，往往會出現(xiàn)熔體已熔化（熔斷）甚至已汽化，但是電流并沒有切斷的現(xiàn)象，其原因就是在熔斷一瞬間的電壓及電流的作用下，保險絲的兩電極之間發(fā)生拉弧現(xiàn)象。這個滅弧裝置必須有很強的絕緣性和良好的導熱性，且呈負電性。汽車上使用的保險絲按照容量和款式可分為如下幾個類別：①ATO fuse，額定值為1～30 A，也稱為插片式保險絲，適用溫度在﹣40～105 ℃；②Mini fuse，額定值為2～15 A，體積小巧，目前市場上廣泛使用，適用溫度在﹣40～125 ℃；③Maxi fuse，額定值為30～60 A，也稱為中等電流插片式保險絲，適用溫度在﹣40～25 ℃；④J-case fuse，額定值從20～60 A，也稱為中等電流盒式保險絲，適用溫度在﹣40～125 ℃；⑤Midi fuse，額定值為30～200 A，使用M5或M6螺栓固定，適用溫度在﹣40～125 ℃；⑥Mega fuse，額定值為40～500 A，使用M8螺栓固定，適用溫度在﹣40～125 ℃，是目前市場上額定電流最高的產(chǎn)品。

2.2 保險絲的工作原理

當電流流過保險絲的導體時，由于導體存在一定的電阻，所以導體將會發(fā)熱，且發(fā)熱量遵循著公式=0.242.其中是發(fā)熱量，0.24是一個常數(shù)，是流過導體的電流，是導體的電阻，是電流流過導體的時間?？梢姡ｋU絲的發(fā)熱量正比于電流平方、電阻值、時間三者的乘積。

當電流經(jīng)過保險絲時，保險絲會發(fā)熱，隨著時間的增加其發(fā)熱量也在增加。電流與電阻的大小決定了其產(chǎn)生熱量的速度，保險絲的構造與其安裝的周邊環(huán)境決定了其熱量耗散的速度。如果前者小于后者，保險絲不會熔斷；如果前者等于后者，在相當長的時間內它也不會熔斷；如果前者大于后者，那么產(chǎn)生的熱量就會越來越多，又因為它有一定比熱及質量，其熱量的增加就表現(xiàn)在溫度的升高上，當溫度升高到保險絲的熔點以上時保險絲就發(fā)生了熔斷。這就是保險絲的工作原理。因此，在設計保險絲時必須認真研究所選材料的物理特性和幾何尺寸，這些因素對保險絲能否正常工作起了至關重要的作用。

2.3 保險絲的熔斷及分斷時間

保險絲的熔斷過程可以分為以下幾步：①保險絲接通過載電流；②過載電流使保險絲熔絲發(fā)熱；③保險絲熔絲熔斷；④保險絲熔斷后，由于導體兩端的電壓而出現(xiàn)火花；⑤熔斷距離加大后，電火花停止。保險絲分斷時間如圖1所示。

由圖1可知，保險絲在其熔化時間內的電流值高于其在飛弧時間內的電流值。保險絲在通過110%以上的額定電流情況下，會在一定的時間內發(fā)生熔斷，電流越大，熔斷時間越短。保險絲分斷時間與通過電流的關系如表1所示。

圖1 保險絲分斷時間

表1 保險絲分斷時間與通過電流的關系

額定電流/（%）分斷時間/s 110＞600 1350.75～600 2000.15～5 3500.08～0.25 6000.03～0.1

2.4 保險絲的時間/電流特性曲線

一般而言，同一種類型保險絲，經(jīng)過相同電流，其熔值越大，熔斷時間越長。圖2以Maxi保險絲的TC曲線圖為例，5條曲線對應的熔值從左至右依次為20 A、30 A、40 A、50 A、60 A?？梢姡煌萘康谋ｋU絲的TC曲線不同。

圖2 保險絲的時間/電流特性曲線

2.5 環(huán)境溫度修正系數(shù)

保險絲的動作直接由熱量引起，所以環(huán)境溫度對保險絲的性能有影響。這里的環(huán)境溫度除了指電子電氣設備所在的環(huán)境溫度外，更重要的是指在設備工作時，保險絲在機器內部所處小環(huán)境的溫度，因為那將更加直接影響到保險絲的性能。因此，對于同一個保險絲，經(jīng)過相同電流，所處環(huán)境的溫度越高，熔斷時間越短，不同溫度下保險絲的時間/電流特性如圖3所示。在設計保險絲設計過程中，可以根據(jù)其實際的工作環(huán)境溫度來確定其修正系數(shù)，作為熔值選擇的參數(shù)。環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度的關系如圖4所示。由圖4可知，保險絲的環(huán)境溫度修正系數(shù)隨著環(huán)境溫度的變高而變小，呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

圖3 不同溫度下保險絲的時間/電流特性曲線

圖4 環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度的關系

3 三種電流模型

3.1 穩(wěn)態(tài)工作電流

穩(wěn)態(tài)工作電流如圖5所示，其電流值不會隨著時間的變化而變化，持續(xù)且不間斷，一直保持穩(wěn)定。汽車上的用電器觸發(fā)后，其后一段時間內的電流就是穩(wěn)態(tài)工作電流。

圖5 穩(wěn)態(tài)工作電流

3.2 脈沖電流

脈沖電流如圖6所示，其是一種間斷輸出的高頻電流，有干擾脈沖和信號脈沖。脈沖信號的特點是瞬間突然變化，作用時間極短，多數(shù)出現(xiàn)在用電器啟動或關斷的瞬間。

圖6 脈沖電流

3.3 浪涌電流

浪涌電流指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。當汽車電子器件出現(xiàn)故障，發(fā)生誤操作或者出現(xiàn)短路現(xiàn)象，很容易產(chǎn)生浪涌電流。一般可以認為浪涌電流是由脈沖電流和穩(wěn)態(tài)電流疊加而成的。浪涌電流如圖7所示。

圖7 浪涌電流

4 保險絲在實際工作狀態(tài)中的設計與選型

在串聯(lián)電路中，每個用電器都嚴格配置一個保險絲，這種配置系統(tǒng)可使保險絲保護裝置和材料使用達到一種最佳狀態(tài)。由于汽車線束串聯(lián)用電器的數(shù)量受周圍環(huán)境的安裝空間和保險絲盒位置及孔位數(shù)量的限制，因此會采用電器并聯(lián)的方式，各回路的導線橫截面不是按照回路里產(chǎn)生的電流設計，而是與共同的保險絲數(shù)值相匹配。例如，一個10 A保險絲，用來保護遠光燈和一個雨量傳感器，根據(jù)遠光燈工作電流，選用了0.75 mm2的導線，但是傳感器的工作電流一般非常小，可能會選用0.35 mm2的導線，這樣的話，10 A的保險絲就保護不了這根0.35 mm2的導線，所以這種情況下，會把傳感器的線徑提升為0.5 mm2或0.75 mm2，至少要達到保險絲保護導線的目的。對于每個用電器來說，必須算出其最大出現(xiàn)的持續(xù)電流和峰值電流，以數(shù)值和時間的形式呈現(xiàn)，并與保險絲的特性曲線進行對比，如果這個工作點正好處于保險絲的特性曲線散布范圍或者觸發(fā)范圍，則必須把保險絲熔值提高一個檔位。接著再與保險絲特性曲線進行對比，在前提條件為短路的情況下，在導線過載之前必須出現(xiàn)大到可以熔化保險絲的電流。

4.1 穩(wěn)態(tài)電流情況

保險絲的額定電流取決于標稱工作電流，即為能通過的最大安全電流。在選取保險絲的時候，一般建議持續(xù)工作負載為保險絲額定電流的75%.計算公式如下：

式（1）中：f為理想的保險絲額定值；n為額定工作電流；為環(huán)境溫度修正系數(shù)。

例如，為了得到理想的保險絲熔值，假使在額定工作電流為15 A，環(huán)境溫度為105 ℃，選擇的是Mini fuse。根據(jù)Mini fuse的環(huán)境溫度修正系數(shù)表格，可以得到其在105 ℃時修正系數(shù)為88%.這樣便可以代入上述公式求得：f=15/（0.88×0.75）=22.7 A。選擇最接近且大于計算結果，此例為25 A。

4.2 脈沖電流情況

選取的保險絲必須承受足夠的脈沖次數(shù)和一定時間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流。通過脈沖電流2和保險絲熔斷2兩個參數(shù)的比值得到相對2，以此確定保險絲所能夠承受的脈沖次數(shù)。

第一步，先計算脈沖電流的2.首先可以得出電流對時間的函數(shù)關系（），由此可以進一步推出2（）的函數(shù)關系，再由以下公式推算出脈沖電流的2，為：

式（2）中：1和2分別為脈沖電流作用的起始和終止時間。

第二步，計算保險絲熔斷的2.保險絲熔斷2是保險絲在熔化過程中電流轉換的熱能。同樣的，在熔化時間內，得出電流2（）與時間的函數(shù)關系，對此進行積分，便可得到熔斷2，計算公式為：

式（3）中：1和2分別為保險絲在熔化過程中的起始和終止時間。

最后一步，再由脈沖電流的2（2）和保險絲熔斷的2（3）的比值來確定相對2.

例如，如果要計算一個5 A的ATO保險絲在承受脈沖電流為10 A、脈沖電流持續(xù)時間為100 ms、脈沖周期為30 s的環(huán)境下所能承受的脈沖次數(shù)。首先計算脈沖電流2=0.1 s×10 A×10 A=10 A2s，其次通過該保險絲的目錄可以查到其保險絲熔斷2為26 A2s，則相對2則是兩者的比值 10 A2s/26 A2s，即38%，根據(jù)插片式保險絲的承受脈沖周期曲線可以得出，38%所對應的承受次數(shù)為10 000次。

相對2和保險絲的壽命之間有著一定的關系，通過計算這個數(shù)值，可以利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命。例如，一個保險絲的相對2在給定脈沖的情況下為41%，則由圖8可以得出，約可以承受4 500次這樣的脈沖沖擊。

一般而言，建議相對2＜30%，否則，數(shù)值越高，能承受的電流沖擊次數(shù)則越少。

4.3 浪涌電流情況

在浪涌電流情況下，需要計算電流累積2，其是電流經(jīng)過一段時間后累積的能量。通過電流累積2與保險絲熔斷2的比值得到相對2，且相對2是隨時間而變化的。

首先，根據(jù)（）對時間的函數(shù)，描繪出2（）的時間曲線，然后通過積分算法，求出每段時間內累積的2（），繪制出一條2的時間曲線。其次，根據(jù)保險絲的熔斷時間和電流的TC曲線，得出保險絲在不同熔斷時間的電流值，并根據(jù)此電流值，得出熔斷2，并繪制出保險絲熔斷2相對于時間的曲線。接著把浪涌電流累積2曲線和保險絲熔斷2曲線繪制在同一張圖表中，如圖9所示。

圖8 相對I2t與保險絲承受沖擊次數(shù)的關系

圖9 I2t與時間的關系

圖9中下方的曲線是浪涌電流累積2，上方的曲線是保險絲熔斷2。可以用兩者的比值計算出每個時間點的相對2.例如，在=1 s時，浪涌電流累積2為19 A2s，保險絲熔斷2為56 A2s，則在1 s時刻，相對2為19/56=34%.最后，再利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命，得出可承受的電流沖擊次數(shù)大于20 000次。

5 保險絲和導線截面積的匹配

為使保險絲能夠起到線路保護作用，所選擇的保險絲應與連接的導線進行合理的匹配，不宜過大或過小。若選擇的保險絲過大，當線路發(fā)生短路或過載時，最先熔斷的不是保險絲，而是導線，這種情況下會引起安全問題；若選擇的保險絲過小，會導致其頻繁熔斷，用電器乃至整條線路將無法正常工作。因此，導線的線徑與保險絲的匹配在汽車線路的設計中也是非常重要的?？梢愿鶕?jù)導線與保險絲的熔斷時間與電流TC曲線進行匹配選擇。普通片式保險絲和低壓導線的TC曲線如圖10所示。

由圖10可以得出以下3點結論：①經(jīng)過相同電流，保險絲熔值越大，熔斷時間越長；②經(jīng)過相同電流，導線線徑越大，熔斷時間越長；③不論是保險絲還是導線，經(jīng)過的電流越大，熔斷時間越短。

隨后，如何進行保險絲和線徑的匹配，也能以圖11為參考。保險絲要起到線路的保護作用，就要比導線先熔斷。滿足以下兩個條件，即可達到保險絲和導線匹配的目的：①對于任何一處電流值，導線所對應的熔斷時間大于保險絲的熔斷時間；②保險絲和導線的TC曲線距離不能太遠，否則意味著選用了過小的保險絲或者過大線徑的導線，選擇較為相近的兩者曲線才能達到匹配的目的。

圖10 保險絲和導線的TC曲線

6 設計舉例與分析

以冷卻風扇控制器回路的保險絲設計為例，選擇的是Mini fuse。具體步驟為：①先通過電流測試得出冷卻風扇控制器工作時回路的電流波形，如圖11所示。通過對該電流波形的分析，可以將其劃分為一段時間為1.5 s的脈沖電流以及25 A的穩(wěn)態(tài)電流。②根據(jù)Mini fuse環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度曲線，可以得到Mini fuse在85 ℃時的修正系數(shù)為91%.將修正系數(shù)與穩(wěn)態(tài)電流值代入公式（1），計算可得f=25/（0.91×0.75）=36.6 A。選擇最接近且大于計算結果，為40 A。③根據(jù)圖11電流對時間的波形，繪制其電流的平方對時間的波形，如圖12所示。隨后，對該波形進行公式（2）的積分運算，計算可得脈沖電流的2為3 595 A2s。④根據(jù)Mini fuse熔斷2與保險絲熔值的對應關系，可得40 A保險絲的熔斷2為10 000 A2s。⑤用脈沖電流2與保險絲熔斷2相比得到相對2.根據(jù)前兩步計算的結果，相對2為0.36.⑥根據(jù)承受脈沖周期曲線，可以得到Midi 40 A保險絲可承受的電流沖擊次數(shù)大于10 000次，符合用電器的工作要求。⑦根據(jù)Midi保險絲與導線的TC曲線，可以得出40 A保險絲所適配的導線線徑為6 mm2。由此可以將冷卻風扇控制器的回路保險絲值選定為40 A，回路導線線徑選定為6 mm2。

圖11 冷卻風扇控制器回路電流波形

7 結論

上述車用保險絲的設計方法與計算結果已經(jīng)在廣泛的實際應用中得到驗證，車上線路的工作安全可靠。隨著車載電氣設備的增多，電源分配的復雜性變高，整車安全性能要求提高，選取合適的車載保險絲變得越來越重要。通過本文論述，在選取時，需要對每根導線的電流進行嚴格的計算，這樣才能實現(xiàn)保險絲和線徑的匹配，達到最優(yōu)設計的目的。

圖12 電流平方波形的繪制

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2095－6835（2018）23－0021－05

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.021

陳淳（1990—），男，上海人，本科，畢業(yè)于上海海事大學，在讀于上海交通大學，研究方向為電氣工程及其自動化。

〔編輯：嚴麗琴〕