汽車熔斷絲和導(dǎo)線選型匹配方法

竇明佳，吳 龍，陳 川

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

1 引言

整車所有電器的正常工作都需要電源分配系統(tǒng)供給電源，蓄電池電源通過不同形式的熔斷器逐級分配給相應(yīng)用電器，而電源分配系統(tǒng)最主要的零部件便是熔斷絲和導(dǎo)線，熔斷絲和導(dǎo)線的選型及匹配是電源分配的主要工作，同時也是關(guān)系整車安全及行駛穩(wěn)定性的主要因素，下面將分別介紹熔斷絲和導(dǎo)線的選型方法以及最終匹配校核的方法。

2 常用熔斷絲的種類

汽車熔斷絲又稱為保險，其主要作用是保護(hù)汽車線路，防止線路在出現(xiàn)短路、過載等情況下導(dǎo)線絕緣層發(fā)煙融化，點(diǎn)燃線束防護(hù)及周邊塑料件，引起燒車，保證車輛及人員的安全，汽車熔斷絲常用的有3大類。

1）大電流熔斷絲：例如起動機(jī)熔斷絲、發(fā)電機(jī)熔斷絲、EPS熔斷絲、Cooling Fan熔斷絲、機(jī)艙熔斷絲盒總?cè)蹟嘟z等，對于純電動汽車則包括DC-DC輸出電源熔斷絲及蓄電池輸出電源熔斷絲等，該類熔斷絲通常采用MEGA、MIDI、BF1形式，通常具有時間延時特性，Littelfuse稱其為“Diffusion pill Technology”。

2）慢融熔斷絲：主要用于中等電流電機(jī)類 （雨刮電機(jī)、座椅調(diào)節(jié)電機(jī)等），電阻類 （后除霜通常采用MAXI、JCASE、LP-JCASE等）。

3）快融熔斷絲：主要用于低電流負(fù)載，也是整車上使用數(shù)量最多的熔斷絲，常用的MINI、Micro類。

整車電源系統(tǒng)常用熔斷絲類型舉例如圖1所示。

圖1 整車電源系統(tǒng)常用熔斷絲類型舉例［1］

3 熔斷絲選型的方法

1）根據(jù)冗余系數(shù)計算熔斷絲額定電流 （Current rating），Littelfuse對其定義：The nominal amperage value of the fuse.It is established by the manufacturer as a value of current which the fuse can carry，based on a controlled set of test conditions.The test condition are part of UL／CSA／ANCE （Mexico） 248-14“Fuses for supplementary overcurrent protection”，Some common variation of these standards include：fully enclosed fuseholders，high contact resistances，air movement， transient spikes， and changes in connecting cablesize（diameter and length）。熔斷絲是溫度敏感型設(shè)備，當(dāng)熔斷絲100%滿載時，測試條件的微小變化就會對熔斷絲的壽命產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際車輛使用過程中，溫度、濕度、振動等條件是非常惡劣的，為了保證熔斷絲在整個生命周期的可靠性，通常建議負(fù)載工作電流不超過熔斷絲額定容量的75%。

例如對于一個正常工作電流在2.25A的用電器，其選擇的熔斷絲規(guī)格要大于3A。

熔斷絲的額定容量是在25℃環(huán)境溫度條件下測得的，通常在選擇熔斷絲時，設(shè)置座艙環(huán)境溫度為85℃，發(fā)動機(jī)艙環(huán)境溫度為105℃，溫度升高對熔斷絲熔斷的影響通過溫度系數(shù)來表示，溫度系數(shù)可通過Temperature rearting Curve來讀取。溫度折減系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 溫度折減系數(shù)曲線［1］

計算公式：

式中：If——理想的熔斷絲額定值；In——額定工作電流；RR——環(huán)境溫度修正系數(shù)。

上述負(fù)載位于座艙，環(huán)境溫度設(shè)置為85℃，其溫度系數(shù)取0.94。

所以，可選擇標(biāo)稱5A的熔斷絲規(guī)格。

2）對于電機(jī)類、燈類 （鹵素?zé)簦┢涔ぷ麟娏鞑皇欠€(wěn)定的狀態(tài)，存在脈沖電流或者浪涌電流，特別是在電機(jī)起動和燈絲點(diǎn)亮瞬間，在選擇熔斷絲的時候不可能按照脈沖電流的最高幅值來作為負(fù)載工作電流選擇熔斷絲，這樣選擇的熔斷絲太大，存在設(shè)計冗余，因此按照穩(wěn)定平均工作電流確定熔斷絲大小后，要進(jìn)行熔斷絲耐脈沖／浪涌電流沖擊的壽命校核。

電機(jī)類負(fù)載啟動瞬間電流曲線如圖3所示。計算順序如下：①選擇合適的波形來計算I2t，通過積分來計算負(fù)載脈沖電流所產(chǎn)生的熱量，圖4為不同電流波形對應(yīng)I2t的計算公式。②通過查表來確定相應(yīng)熔斷絲規(guī)格的I2t，如圖5所示。③最值，可通過圖6讀出熔斷絲的耐沖擊次數(shù)，一般要求熔斷絲要滿足10萬次沖擊的要求，如果不滿足則選擇更大一級規(guī)格的熔斷絲，重新進(jìn)行計算。

圖3 電機(jī)類負(fù)載啟動瞬間電流曲線舉例

圖4 不同電流波形對應(yīng)I2t的計算公式

圖5 不同熔斷絲規(guī)格對應(yīng)I2t數(shù)值［1］

圖6 相對I2t與熔斷絲耐沖擊次數(shù)的對應(yīng)曲線［1］

4 導(dǎo)線的選型

汽車上的導(dǎo)線可分為蓄電池線、高壓導(dǎo)線 （新能源汽車用，耐壓等級DC大于60V小于600V）、同軸電纜、低壓導(dǎo)線（耐壓等級DC＜60V或AC＜25V）等，同時，這里所說的低壓導(dǎo)線，也是車上使用數(shù)量最多，承擔(dān)為整車所有電器提供低壓電源以及信號傳輸?shù)淖饔?。下面從設(shè)計角度分析一下低壓導(dǎo)線選型的方法。

1）首先從下面導(dǎo)線選型的路線圖，了解導(dǎo)線選型應(yīng)該考慮的因素：導(dǎo)線的溫度等級、絕緣層厚度、導(dǎo)體材料、絕緣層材質(zhì)、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線截面積。導(dǎo)線選型路線圖如圖7所示。

圖7 導(dǎo)線選型路線圖

2）導(dǎo)線的溫度等級選擇主要考慮兩個因素。

一是導(dǎo)線使用的外部環(huán)境溫度。①機(jī)艙域：不包括發(fā)動機(jī)，距離發(fā)動機(jī)排氣管300mm以上，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=100℃，Excursion=110℃；②發(fā)動機(jī)域：位于發(fā)動機(jī)上，距離排氣管在300mm內(nèi)，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=120℃，Excursion=130℃；③高溫區(qū)域：距離發(fā)動機(jī)排氣管小于150mm，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=130℃，Excursion=150℃；④座艙和底盤區(qū)域：駕駛艙和底盤距離排氣管150mm以上區(qū)域，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=80℃，Excursion=100℃。

二是導(dǎo)線因承載電流所引起的溫升。根據(jù)ISO導(dǎo)線溫度等級的劃分 （表1），目前新車型通常將位于座艙和機(jī)艙的導(dǎo)線溫度等級定位Class B，將發(fā)動機(jī)線的溫度等級定義為Class C，對于靠近排氣管區(qū)域的導(dǎo)線通常采用隔熱鋁箔膠帶的防護(hù)，以杜絕發(fā)動機(jī)排氣的熱輻射。

3）絕緣層厚度的選擇，通常從耐磨性、柔韌性以及耐壓能力等方面考慮：①厚壁導(dǎo)線：通常用在底盤如輪速傳感器等需要高耐磨性的區(qū)域，同時要考慮彎曲半徑；②薄壁導(dǎo)線：通常用于整車所有區(qū)域的導(dǎo)線 （除去底盤部分）；③超薄壁導(dǎo)線：目前基本很少使用。

4）導(dǎo)體材質(zhì)選型。①純銅 （退火）：車用導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體材質(zhì)；②銅合金：一般應(yīng)用在0.13mm2，為了增加導(dǎo)線拉伸強(qiáng)度、壓接性能；③鍍錫銅：通常應(yīng)用在Pigtail端；④鍍銀銅：通常應(yīng)用在高溫場合200℃+；⑤鍍鎳銅：通常應(yīng)用在高溫區(qū)域 （O2傳感器）225℃+；⑥鋁：通常應(yīng)用在蓄電池線，減重降成本，但是鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性不如銅，同時在空氣中容易發(fā)生腐蝕。

5）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的選擇 （表2）。①導(dǎo)線截面積在0.13～2.0mm2內(nèi)的，通常采用Type A導(dǎo)體，便于剝線和端子壓接；②導(dǎo)體截面積大于2.5mm2，Type A和Type B都有用；③對于柔韌性要求比較高的地方，例如門鉸鏈位置、轉(zhuǎn)向管柱、電調(diào)座椅等，通常采用TypeC。

6）導(dǎo)線截面積的選擇。下面有兩個理論計算公式，表示了負(fù)載電流、導(dǎo)線參數(shù)與溫升的關(guān)系。第1種計算方法如公式 （4）：

表1 ISO導(dǎo)線溫度等級劃分

表2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分類

式中：Kt——綜合散熱系數(shù)，它與導(dǎo)線所處的環(huán)境、導(dǎo)線材料有關(guān)，與導(dǎo)線外部包覆的絕緣材料材質(zhì)、厚度和顏色有關(guān)；τ——溫升；M1——截面周長；ρ0——導(dǎo)線在零攝氏度時的電阻率；S——導(dǎo)線的截面積；α——導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù)；θ——導(dǎo)線的實(shí)際溫度值，℃；ρ0（1+αθ）——表示導(dǎo)線的實(shí)際溫度對導(dǎo)線電阻率的影響，導(dǎo)體的電阻隨著溫度的升高增大，與導(dǎo)體承載電流成反比，導(dǎo)體的截面周長和截面積與導(dǎo)體的承載電流能力成正比。

第2種計算方法如公式 （5）：

式中：T1——導(dǎo)線允許的工作溫度；T2——環(huán)境溫度；R——單位長度導(dǎo)線的熱阻；r——單位導(dǎo)線長度的電阻。

7）在導(dǎo)線溫度等級、環(huán)境溫度以及負(fù)載電流確定的情況下，可利用上述公式初步計算導(dǎo)體的截面積。但在實(shí)際工程設(shè)計過程中，一般通過查表即可選擇相應(yīng)的導(dǎo)線截面積，例如下表即為ISO 6722標(biāo)準(zhǔn)單根導(dǎo)線在不同環(huán)境溫度的3000h電流承載能力，通過下表可以看到ISO FLY-A（絕緣層材質(zhì)PVC）0.75mm2的導(dǎo)線在環(huán)境溫度85℃時可連續(xù)承載3000h的5A電流。不同規(guī)格導(dǎo)線載流能力如圖8所示。

圖8 不同規(guī)格導(dǎo)線載流能力

5 熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核

1）熔斷絲熔斷曲線和導(dǎo)線發(fā)煙曲線校核。在初步選擇完熔斷絲和導(dǎo)線后，需要進(jìn)行熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核，即導(dǎo)線的發(fā)煙特性曲線位于熔斷絲的熔斷特性曲線之上并且無交叉，保證導(dǎo)線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時間大于熔斷絲的熔斷時間。此過程需借助供應(yīng)商開發(fā)的匹配軟件來完成，在沒有軟件的情況下，也可以選取兩個點(diǎn)，選取負(fù)載電流為熔斷絲額定容量的135%、200%的點(diǎn)，查詢?nèi)蹟嘟z和導(dǎo)線廠家提供的熔斷絲熔斷曲線和導(dǎo)線發(fā)煙曲線，保證在這兩個點(diǎn)導(dǎo)線的發(fā)煙時間大于熔斷絲的熔斷時間。導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲熔斷曲線校核如圖9所示。

圖9 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲熔斷曲線校核

2）線阻、壓降校核。完成熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核后，對于有線阻、壓降要求的用電器需要進(jìn)行線阻和壓降的計算，導(dǎo)體的線阻可通過導(dǎo)體單位長度的導(dǎo)體電阻 （可查閱導(dǎo)線參數(shù)表）及導(dǎo)線長度計算，有線阻和負(fù)載電流可計算導(dǎo)線壓降。導(dǎo)體單位長度的電阻見表3。

3）短路電流校核。根據(jù)導(dǎo)線長度計算導(dǎo)線的電阻再加上端子壓接的阻抗、接觸阻抗、Splice的阻抗即為回路的總阻抗，再由此計算短路電流，為確保熔斷絲在短路情況下可以完全斷開，一般短路電流的值應(yīng)大于熔斷絲額定電流的350%。

表3 導(dǎo)體單位長度的電阻

6 工程實(shí)踐操作方法

上述介紹了熔斷絲和導(dǎo)線選型需要考慮的因素及方法，在長期工程實(shí)踐中可根據(jù)上述方法積累的經(jīng)驗以及試驗驗證的數(shù)據(jù)制定公司的熔斷絲與導(dǎo)線的匹配標(biāo)準(zhǔn)，另外考慮平臺化可縮減實(shí)際使用的熔斷絲與導(dǎo)線的種類，設(shè)計人員在清楚上述選型方法的基礎(chǔ)上按照標(biāo)準(zhǔn)選取合理的熔斷絲和導(dǎo)線，既保證設(shè)計的一致性又能減少重復(fù)匹配校核的工作量。熔斷絲與導(dǎo)線的選型對應(yīng)表見圖10。

圖10 熔斷絲與導(dǎo)線的選型對應(yīng)表［2］

7 結(jié)論

上述只是導(dǎo)線選型的一般方法，導(dǎo)線選型考慮的其他因素還包括端子壓接要求，共熔斷絲負(fù)載電源線徑一致要求等。另外，整車電源系統(tǒng)在設(shè)計完成后，要進(jìn)行各項電性能的測試，包括單負(fù)載、全負(fù)載、135%過載、200%過載、短路測試等，驗證熔斷絲和導(dǎo)線設(shè)計的合理性，只有通過測試的設(shè)計才算是合理的設(shè)計。