汽車線束導(dǎo)線和保險絲的選型

詹鴻潔 胡軍 易琨

（1.神龍汽車有限公司；2.武漢友德汽車電器有限公司）

導(dǎo)線和保險絲是汽車線束的重要組成部分，兩者都起到連接電路的作用。在電路非正常的情況下，保險絲需要熔斷，從而起到保護導(dǎo)線的作用。若導(dǎo)線線徑和保險絲容量選擇過小，則會頻繁出現(xiàn)線路或保險絲燒蝕的問題；若導(dǎo)線選擇過大，則會存在過余設(shè)計，不利于成本控制；若保險絲選擇過大，則失去了保護用電設(shè)備及導(dǎo)線的作用。故而在汽車線束設(shè)計時，除了要考慮到設(shè)備端的用電特性，也需要考慮到保險絲和導(dǎo)線的匹配關(guān)系[1-3]。文章通過介紹導(dǎo)線和保險絲的選型方法及導(dǎo)線與保險絲的匹配計算，從設(shè)計角度提升線束的可靠性。

1 汽車線束導(dǎo)線的選型

1.1 耐溫性

汽車上最常使用的普通導(dǎo)線由線芯和絕緣皮構(gòu)成，線芯發(fā)熱，絕緣皮散熱。同系列同線徑的導(dǎo)線，其耐溫性主要與絕緣皮的壁厚和使用材料有關(guān)。PSA（法國標(biāo)致雪鐵龍集團企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)）導(dǎo)線和ISO 6722 國標(biāo)導(dǎo)線的溫度對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 PSA 標(biāo)準(zhǔn)與ISO 標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)下的導(dǎo)線耐高溫表 ℃

一般在發(fā)動機艙區(qū)域，默認(rèn)環(huán)境溫度區(qū)間為100～200 ℃，導(dǎo)線一般選擇 T3（C）類；大線徑（＞10 mm2）的導(dǎo)線選擇T7（G）類。為避免過余設(shè)計，在選擇導(dǎo)線類型時，會參考整車的溫度場數(shù)據(jù)選擇導(dǎo)線的耐溫等級。

1.2 載流能力

載流能力是指導(dǎo)線能夠長時間承載最大電流的能力。不同導(dǎo)線能夠承載的電流峰值是不同的。同線徑的導(dǎo)線耐溫等級越高，載流的能力越強；同耐溫等級的導(dǎo)線線徑越大，載流能力越強。導(dǎo)線的載流能力一般與導(dǎo)線內(nèi)芯的材料、線芯的股數(shù)和絕緣皮的等級有關(guān)。

內(nèi)芯的材料一般為銅或鋁，銅的載流能力比鋁強，一般銅為5 A/mm2、鋁為3 A/mm2。同等條件下，線芯的股數(shù)越多，承載電流的能力越強；絕緣皮耐溫等級越高，承載電流的能力越強。

1.3 降額能力

降額能力是指導(dǎo)線隨環(huán)境溫度的變化，載流能力跟著改變的一種能力。常溫時導(dǎo)線的載流能力處于較高的水平，但隨著周圍環(huán)境溫度的升高會逐漸降低，直到達(dá)到某一溫度臨界值時導(dǎo)線斷開，完全失去承載電流的能力。

導(dǎo)線的降額曲線是線束布置的重要依據(jù)，靠近熱源的區(qū)域，需要根據(jù)環(huán)境溫度選取適合的耐溫導(dǎo)線。降額能力主要與導(dǎo)線絕緣皮厚度有關(guān)，和線芯使用的材料關(guān)系不大。T3（C）類導(dǎo)線為厚壁導(dǎo)線，T2（B）為薄壁導(dǎo)線，T1（A）為超薄壁導(dǎo)線，相同的線徑（線芯股數(shù)相同）條件下，絕緣皮的厚度越厚（但不得超出ISO 6722的要求），其散熱能力越強。例如：對照表1，在溫度大于100 ℃的區(qū)域，不建議選用T2（B）類型的導(dǎo)線，因為此時，即使選用的導(dǎo)線比額定所需線徑更粗，導(dǎo)線的絕緣層材料承受能力依然為T2（B），仍會受到高溫影響，使絕緣皮加速老化，縮短導(dǎo)線的使用壽命。

1.4 導(dǎo)線溫升

通電的導(dǎo)線自身會產(chǎn)生熱量（Q），可根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt 計算。但一般情況下，是不考慮導(dǎo)線的自身發(fā)熱的，因為環(huán)境溫度一般相對較低，而熱量一般從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴散，導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量能夠及時散出。

所以，考慮導(dǎo)線的溫升一般是在外界高溫的環(huán)境下，導(dǎo)線發(fā)熱大于散熱時，導(dǎo)線容易燒蝕，這是線束設(shè)計重點關(guān)注的風(fēng)險項，通?？梢圆扇〖哟髮?dǎo)線線徑的方式來提高導(dǎo)線的散熱能力。為了定量計算導(dǎo)線自身的發(fā)熱，需要算出某溫度下的導(dǎo)線電阻：

式中：Rt——導(dǎo)線電阻，mΩ；

R20——20 ℃常溫條件下單位長度阻值，mΩ/m；

t——實際環(huán)境溫度，℃；

L——導(dǎo)線長度，m。

由式（1）可求出確定長度導(dǎo)線的發(fā)熱量，通過查詢導(dǎo)線的熱熔邊界，可判斷導(dǎo)線在溫度t下是否會燒蝕。

1.5 電壓降

電壓降[4]即連接電源到設(shè)備端的導(dǎo)線在傳輸過程中造成的電壓損失。通過式（1），可以看出，環(huán)境溫度越高、導(dǎo)線的長度越長，導(dǎo)線的電阻就越大。因此，在長距離、高溫的條件下傳輸，需要考慮導(dǎo)線的電壓降。線束總的電壓降應(yīng)包含從發(fā)電機/蓄電池端開始，線束中每根導(dǎo)線上的電壓降，直到設(shè)備的接地。導(dǎo)線電阻測量的理想試驗溫度是20 ℃，但是實際的測試環(huán)境溫度會存在偏差，需要根據(jù)溫度修正系數(shù)折合成20 ℃的狀態(tài)。修正系數(shù)由導(dǎo)線廠家提供，不同品牌的修正系數(shù)各異。

每根導(dǎo)線的電壓降=導(dǎo)線長度×電阻率×溫度系數(shù)，除此之外，電壓降還需要考慮端子壓接的電壓降，和與連接器對接時的電壓降。

所以，線路上總電壓降=∑（每根導(dǎo)線電壓降+每個壓接電壓降+每個連接器對接電壓降）。

線束電壓降仿真在整車上進(jìn)行，包括了線束到某元器件的所有電壓降，一般只對部分敏感元器件做電壓降測試，比如行車?yán)?，要求阻抗小?9.10 mΩ。在大多數(shù)情況下，線路的電壓降是忽略不計的，但是導(dǎo)線的電壓降必須控制，要求不得高于電器件所需電能的10%。

2 保險絲概述

在電路正常時，保險絲起到電路連接的作用；在電路非正常時，保險絲起到保護作用。需要根據(jù)用電設(shè)備的需求匹配具有某種特性的保險絲。保險絲按外形可以分為插片式和打緊式，按熔斷時間可以分為快熔式和慢熔式，按額定電壓可以分為高壓保險絲和低壓保險絲，按照保護形式可以分為過電保護和過熱保護。

保險絲能夠同時提供短路保護和低過載情況的保護，其熔斷特性，如表2所示。

表2 常用保險絲的熔斷特性

當(dāng)保險絲老化，保險絲的額定電流會變小，更易熔斷。影響保險絲使用壽命的主要因素有：

1）環(huán)境溫度。保險絲是一個熱能響應(yīng)元件，它被設(shè)計成電路中最脆弱的部分。當(dāng)環(huán)境溫度過高，保險絲難以對外進(jìn)行散熱，當(dāng)達(dá)到熔斷熱量時，保險絲就會熔斷，所以環(huán)境溫度過高會縮短保險絲的使用壽命。

2）脈沖電流。脈沖電流通過保險絲時，保險絲會產(chǎn)生熱量（Q=I2Rt），當(dāng)脈沖電流的峰值電流過高，熱量達(dá)到保險絲的熔斷熱量時，保險絲失效。需要注意的是，單次的脈沖電流不一定致使保險絲熔斷，但是多次高電流沖擊會造成保險絲壽命的縮短，可根據(jù)“脈沖次數(shù)－相對I2t 曲線表”查詢保險絲耐受脈沖電流的次數(shù)。常見的插片式保險絲正常的使用壽命可承載1 萬次脈沖電流。

3）保險絲的接觸電阻。保險絲與管夾的接觸電阻過大，也會造成保險絲發(fā)熱增加，可能達(dá)到保險絲熔斷熱量，縮短保險絲的壽命。

3 導(dǎo)線和保險絲的匹配設(shè)計

在實車上給用電器選配導(dǎo)線和保險絲時，要收集用電器信息，須確定用電器工作電流的類型[5-9]與時長、是否存在大電流的浪涌、負(fù)載類型是屬于感性還是阻性。

3.1 保險絲規(guī)格的計算

3.1.1 穩(wěn)態(tài)的工作電流

用電器工作電流為穩(wěn)態(tài)，建議持續(xù)工作的負(fù)載電流為保險絲額定工作電流的75%。當(dāng)環(huán)境溫度和試驗溫度差別很大時，必須考慮溫度修正，溫度修正系數(shù)的圖表在產(chǎn)品報告中可查。

式中：If——理想的保險絲額定值，A；

In——額定工作電流，A；

rr——環(huán)境溫度修正系數(shù)，%。

例如：某用電器的額定工作電流為5 A，環(huán)境溫度為105 ℃，首先根據(jù)環(huán)境溫度，查詢出保險絲的溫度修正系數(shù)為88%。由式（2）可得，此保險絲額定工作電流為5/（0.75×88%）≈7.58 A，選擇最接近且大于計算結(jié)果的保險絲規(guī)格，即10 A的保險絲。

3.1.2 脈沖的工作電流

某典型插片式保險絲承受脈沖周期曲線，如圖1所示。相對I2t=脈沖電流的I2t/保險絲熔斷的I2t，t為脈沖電流持續(xù)時間，本質(zhì)為熱量比。一般建議相對I2t 不超過37%。

圖1 某典型插片式保險絲承受脈沖周期曲線

例如：某ATO 5 A 插片式保險絲，要承受的脈沖電流為10 A，持續(xù)時間為0.2 s，其脈沖電流的I2t=10×10×0.2=20 A2·s，從產(chǎn)品目錄中查詢可得5 A 規(guī)格對應(yīng)的保險絲的熔斷I2t為26 A2·s。相對I2t=20/26≈0.77 A2·s，由圖1 可以看出，選用5 A ATO 保險絲能承受的沖擊次數(shù)不足10 次，可預(yù)判此保險絲會快速燒蝕。

3.1.3 浪涌的工作電流

浪涌電流可視為由穩(wěn)態(tài)電流和脈沖電流疊加產(chǎn)生。計算方法與脈沖電流一致，求浪涌電流相對保險絲熔斷的I2t 后，再查詢“脈沖次數(shù)－相對I2t 表”即可。

3.2 導(dǎo)線的規(guī)格計算

保險絲應(yīng)保護導(dǎo)線，在造成導(dǎo)線熱損壞前保險絲就應(yīng)該熔斷。根據(jù)經(jīng)驗，插片式保險絲的熔斷電流應(yīng)該是其額定工作電流的2 倍。例如：某用電器工作電流為10 A，工作環(huán)境溫度為80 ℃，環(huán)境修正系數(shù)為91.8%，由式（2）計算可得，其保險絲的額定工作電流為10/（0.75×0.918）=14.524 A，應(yīng)選用 15 A 規(guī)格保險片，其熔斷電流為14.524×2=29.049 A。假設(shè)該導(dǎo)線長度為10 m，將已知條件 t=80 ℃，Rt=12 V/29.049 A=0.413 Ω代入式（1）得 R20=0.413/ [10（1+0.003 93（80-20））]=0.033 4 Ω/m=33.4 mΩ/m。根據(jù)導(dǎo)體截面積與導(dǎo)體直流電阻的對照表[10-12]，可知此10 A的用電設(shè)備應(yīng)該配以電阻小于33.4 mΩ/m 且與之最接近的導(dǎo)線規(guī)格，查表得知應(yīng)選用線徑為0.75 mm2的導(dǎo)線。

4 結(jié)論

汽車導(dǎo)線和保險絲的選型與實車環(huán)境和用電設(shè)備密不可分，需要綜合考慮溫度場和用電設(shè)備的特性才能合理選型。文章介紹的選型方法已經(jīng)在實際應(yīng)用中得到驗證，通過對每條回路進(jìn)行計算檢查，可以在線束設(shè)計初期預(yù)判風(fēng)險并加以改正，提升線束的可靠性。另外，在遇到疑似線束燒蝕問題時，也可以通過此方法進(jìn)行快速計算，判斷燒蝕是否由于線束選型不當(dāng)造成。