汽車線束安全測試研究

葉金飛

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心電氣集成開發(fā)部,安徽合肥 230601)

0 引言

汽車線束設(shè)計的驗(yàn)證工作隨著設(shè)計研發(fā)的不斷細(xì)化也越來越精準(zhǔn)化，最初采用實(shí)車路試驗(yàn)證匹配情況；之后發(fā)展到針對各電器件的單負(fù)載測試和全負(fù)載測試，用于修正完善設(shè)計；最后發(fā)展到模擬不同的電器工作工況下電氣參數(shù)的測量，進(jìn)行更加完整細(xì)化的設(shè)計，甚至在各種失效工況下都要確保線束的安全。本文作者旨在從設(shè)計角度保證各種工況下車輛的安全使用，同時也通過各種工況下電器參數(shù)的采集，對系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計過余，提高安全系數(shù)。

1 汽車線束安全測試發(fā)展歷程

隨著汽車的普及以及汽車上電器件的逐漸增多，汽車安全越來越得到重視。汽車線束安全首當(dāng)其沖引起大家的注意。

汽車設(shè)計的V模型[1]在此同樣適用，在設(shè)計結(jié)束后就需要進(jìn)行相應(yīng)的測試驗(yàn)證(見圖1)。

圖1 “V”模型開發(fā)流程

隨著測試手段完善以及研究的不斷深入，測試的項(xiàng)目不斷增多，測試的內(nèi)容也不斷完善。

1.1 汽車線束安全測試發(fā)展歷程

圖2所示為某主機(jī)廠的線束安全性測試的發(fā)展歷程。

圖2 測試發(fā)展流程

1.2 汽車線束安全測試介紹

整車電氣系統(tǒng)的電性能測試主要包括電源系統(tǒng)測試、接地系統(tǒng)測試和線束零部件測試，總體可以將所有的測試分為系統(tǒng)穩(wěn)定性測試和線束安全性測試[2]。

汽車線束的安全測試項(xiàng)目主要有負(fù)載測試、短路測試和失效測試。

負(fù)載測試主要是對整車電器件在不同工況下工作電流、電壓等電參數(shù)的測試，目的是為了核實(shí)設(shè)計狀態(tài)下電參數(shù)的準(zhǔn)確程度，根據(jù)實(shí)測電參數(shù)對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和修正。根據(jù)測試的負(fù)載多少又分為單負(fù)載測試和全負(fù)載測試：單負(fù)載測試為單個電器件的電氣參數(shù)；全負(fù)載測試指某個保險絲下所有負(fù)載的電氣參數(shù)。

短路測試主要分3部分：絕對短路和部分短路(負(fù)載保險容量的200%加載和負(fù)載保險容量的135%加載)。主要考察保險和導(dǎo)線的匹配情況(以導(dǎo)線溫升和保險絲熔斷時間為判斷基準(zhǔn))。

失效測試主要考察保險絲和接地失效后是否會出現(xiàn)共電源或共接地點(diǎn)模塊之間存在潛在回路，以及出現(xiàn)潛在回路后功能是否正常、導(dǎo)線能否承載潛在電流。

2 汽車線束安全測試方案研究

測試作為汽車設(shè)計過程中的重要組成部分，包括的內(nèi)容也很多，此處重點(diǎn)討論線束安全測試方案，具體的測試結(jié)果匹配計算等過程文中不進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 負(fù)載測試

負(fù)載測試包括單負(fù)載測試和全負(fù)載測試，需要的設(shè)備有：可編程直流電源、混合信號示波器等。

單負(fù)載測試是針對整車所有的負(fù)載在負(fù)載位置附近對負(fù)載的電氣參數(shù)進(jìn)行逐一測試，包括瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。瞬態(tài)包括其瞬態(tài)電壓、電流，以及持續(xù)時間等，穩(wěn)態(tài)包括電器負(fù)載工作穩(wěn)定后的電壓、電流值等[3]。該測試為負(fù)載保險絲和導(dǎo)線選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3為某負(fù)載測試的特性曲線，通道1測試的為電流隨時間的變化，在負(fù)載打開的瞬間(60 ms時)出現(xiàn)接近30 A的沖擊，在80 ms時恢復(fù)到5 A左右。根據(jù)此特性在選擇保險絲時需要考慮能否承受30 A的沖擊電流，還要長時間承受5 A的穩(wěn)定負(fù)載。

圖3 負(fù)載測試全過程監(jiān)測曲線

通道2為電壓隨時間的變化，也是在60 ms時電壓由0 V迅速增加到14 V左右，隨之一直穩(wěn)定在此參數(shù)范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)一直維持在零部件能夠接受的9～16 V范圍內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定合理。

全負(fù)載測試在保險絲位置測試保險絲下級負(fù)載逐一開啟整個過程中通過保險絲的電流值。整個測試過程包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試，可以進(jìn)行正常工作的負(fù)載直接進(jìn)行靜態(tài)測試即可，但如ABS、EPS等在車輛靜態(tài)和動態(tài)運(yùn)行時有較大差異的負(fù)載需要進(jìn)行動態(tài)測試。確保測試參數(shù)能夠反映正常使用車輛時負(fù)載的實(shí)際情況。

2.2 短路測試

短路是整車電器安全中危害等級最高的故障模式，導(dǎo)線出現(xiàn)磨損或者老化后可能會和車身金屬部位產(chǎn)生接觸導(dǎo)致短路，輕則保險絲熔斷，電器負(fù)載失效，重則導(dǎo)線融化出現(xiàn)火災(zāi)。短路按照其和車身接觸程度將其分為絕對短路和部分短路。絕對短路即導(dǎo)線完全和車身接觸，此種工況下短路電流大，保險絲一般會在較短時間內(nèi)熔斷，起到保護(hù)導(dǎo)線的作用。部分短路是由于導(dǎo)線和車身未完全接觸或者在運(yùn)動過程中出現(xiàn)間歇性接觸的情況，此種工況危害性較大，由于短路的非完全性會導(dǎo)致局部持續(xù)發(fā)熱，同時也一直未達(dá)到保險絲的熔斷條件，一段時間后會出現(xiàn)由于發(fā)熱導(dǎo)致導(dǎo)線燒蝕，甚至出現(xiàn)火災(zāi)[4]。

短路測試通過模擬電器負(fù)載的絕對短路和部分短路，測試導(dǎo)線溫升和保險絲熔斷時間等參數(shù)來實(shí)測保險絲和導(dǎo)線的匹配是否合理。需要的設(shè)備主要有：可編程直流電源、混合信號示波器、帶測溫功能萬用表、熱偶測溫探頭等。短路測試整個流程如圖4所示。

圖4 短路測試全流程圖

絕對短路的測試方法為在負(fù)載處將負(fù)載的電源線和接地線直接短接，觀察記錄保險熔斷時間和導(dǎo)線發(fā)熱溫度參數(shù)和絕緣表皮融化情況。判斷標(biāo)準(zhǔn)見圖4。

部分短路的測試方法為在電器負(fù)載接插件處施加保險絲容量的200%和135%的模擬負(fù)載，觀察記錄保險熔斷時間和導(dǎo)線發(fā)熱溫度參數(shù)和絕緣表皮融化情況。

對短路測試方法作兩點(diǎn)補(bǔ)充說明：

(1)選擇在電器負(fù)載最終點(diǎn)進(jìn)行短路測試的原因?yàn)樵谡麄€導(dǎo)線回路中，電源到負(fù)載最終點(diǎn)的阻值最大，針對相同的短路情況如果在此點(diǎn)進(jìn)行短路測試保險絲都能有效保護(hù)導(dǎo)線，那么保險絲在此種特定短路情況下任何點(diǎn)發(fā)生短路都能有效保護(hù)導(dǎo)線。

(2)部分短路測試選擇施加保險絲容量的200%和135%的模擬負(fù)載是因?yàn)楸ｋU絲標(biāo)準(zhǔn)ISO 8820-3-2015有如下要求：當(dāng)保險出現(xiàn)200%和135%過載時必須在規(guī)定時間內(nèi)熔斷，便于有判斷標(biāo)準(zhǔn)[5]。

表1為緩熔保險絲過載熔斷時間對應(yīng)表。

表1 緩熔保險絲過載熔斷時間對應(yīng)表

注：橫線“—”表示此項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目不做要求；a表示100 A熔斷器無需此項(xiàng)目。

2.3 失效測試

失效測試主要分為保險絲失效和接地失效兩種。主要考察保險絲和接地失效后是否會出現(xiàn)共用保險以及共用接地點(diǎn)的模塊之間存在潛在回路，以及出現(xiàn)潛在回路后功能是否正常、導(dǎo)線能否承載潛在電流[6]。如圖5中接地失效后，電流方向即由a、b走向變更為c走向。圖6中電源FS1失效后，電流走向可能由a變?yōu)閎。

圖5 接地失效模式潛在電流示意圖

圖6 保險絲失效模式潛在電流示意圖

判斷內(nèi)容如下：

(1)主要考察的功能有：正常的發(fā)動機(jī)運(yùn)行、自動擋換擋是否正常、燈光使用是否正常等影響安全的功能；若安全性功能被影響，需從設(shè)計上規(guī)避這種情況的出現(xiàn)。

(2)若導(dǎo)線能夠承載潛在電流，則認(rèn)為沒有風(fēng)險；若導(dǎo)線不能承載潛在電流，則需要修改設(shè)計。如圖5和圖6均需判斷是否存在電線承載能力的情況。

3 汽車線束測試案例分析

圖7導(dǎo)線融化示意圖。

圖7 導(dǎo)線融化示意圖

某車型進(jìn)行EPS電機(jī)回路短路測試時發(fā)現(xiàn)：EPS電源使用60 A保險匹配6 m2FLRY-B導(dǎo)線。在做200%過載測試>50 s時，導(dǎo)體溫度從25 ℃升至138.4 ℃保險絲未熔斷，導(dǎo)線絕緣層出現(xiàn)熔化；在時間尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)上保險的熔斷判斷上極限60 s，保險絲未出現(xiàn)熔斷，說明保險絲質(zhì)量合格，但在保險絲熔斷前導(dǎo)線溫度由25 ℃升至138.4 ℃，超過了FLRY-B的承受溫度，導(dǎo)線開始融化，說明導(dǎo)線也是合格的。之所以會出現(xiàn)導(dǎo)線融化只能說明在實(shí)際的匹配過程中導(dǎo)線偏細(xì)或者過流能力不足，需重新匹配，建議導(dǎo)線更改為8 m2。

4 結(jié)論

主要論述了設(shè)計開發(fā)過程中線束安全測試的方法，通過測試出來的數(shù)據(jù)和結(jié)果驗(yàn)證線束設(shè)計的精準(zhǔn)性，修正優(yōu)化該設(shè)計方案，確保線束以及整車的安全。此測試方案對負(fù)載測試進(jìn)行細(xì)化，分為不同工況等級下整車的工作情況，增加了車輛的安全系數(shù)，強(qiáng)化了冗余設(shè)計的理念。