關(guān)于汽車線路匹配安全技術(shù)的研究

王春芝

（安徽江淮汽車股份有限公司輕型營銷公司， 安徽 合肥 230601）

1 技術(shù)背景

隨著汽車數(shù)量的急速增加，車輛自燃現(xiàn)象也隨之增加。汽車自燃，嚴(yán)重威脅著人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全，分析和預(yù)防汽車起火十分重要。根據(jù)國外機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，由電線引起的汽車自燃約占高速公路自燃的30%，是車輛自燃的最大誘因。

熔斷絲是電路設(shè)計(jì)時(shí)為保護(hù)線路和電器件而有意設(shè)計(jì)和制造的線路中最薄弱一部分，當(dāng)電路出現(xiàn)短路或過載異常時(shí)，熔斷絲會(huì)先于導(dǎo)線和元器件損壞前熔斷，從而切斷電源保障電路安全。電線失火，通常是由于線路缺乏熔斷絲保護(hù)或熔斷絲與線路匹配不當(dāng)引起。熔斷絲的每一電流值都對應(yīng)一定范圍的電阻，并由此定義其過載的特性。在線束設(shè)計(jì)中，如果沒有合適的熔斷絲與導(dǎo)線匹配計(jì)算方法，設(shè)計(jì)就會(huì)達(dá)不到我們的要求和目的。熔斷絲選擇過小，會(huì)影響熔斷絲的使用壽命導(dǎo)致客戶抱怨，而熔斷絲選擇過大，則無法保護(hù)電器件且引起導(dǎo)線成本上升。另外，當(dāng)大電流熔斷絲匹配了小線徑導(dǎo)線時(shí)，熔斷絲會(huì)無法保護(hù)線路，一旦回路發(fā)生短路或過載，導(dǎo)線就會(huì)先于熔斷絲融化，引起車輛失火。而如果為了安全盲目提高導(dǎo)線線徑，則會(huì)引起成本浪費(fèi)，同時(shí)增加線束質(zhì)量。探索熔斷絲與導(dǎo)線的最優(yōu)匹配方案，一直是線束設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和核心工作。

國內(nèi)商用車受環(huán)境和成本影響，前期較多使用易熔線作為線路熔斷絲元件，而易熔線僅能提供短路保護(hù)且容易引起明火，存在隱患。同時(shí)由于商用車貨箱和車架較長導(dǎo)致部分電源回路導(dǎo)線過長，因而此部分回路導(dǎo)線阻抗高，短路時(shí)的短路電流被拉低而無法快速熔斷，存在導(dǎo)線先于熔斷絲熔化而引起失火的隱患。早期我們選型時(shí)所用的熔斷絲與導(dǎo)線匹配表是在導(dǎo)線長度特定范圍內(nèi)適用的，主要與乘用車契合，與商用車并不完全適合。

根據(jù)開發(fā)需要，結(jié)合熔斷絲熔斷特性及導(dǎo)線發(fā)煙曲線等因素，我們創(chuàng)新完善了熔斷絲和導(dǎo)線的匹配方法和驗(yàn)證能力，對電氣系統(tǒng)的負(fù)載狀態(tài)、熔斷絲容量、導(dǎo)線線徑的匹配進(jìn)行優(yōu)化，消除隱患，控制成本，減小開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2 總體思路

早期的熔斷絲與導(dǎo)線匹配計(jì)算方法，在計(jì)算出來熔斷絲規(guī)格后，就直接對照圖1所示的導(dǎo)線與熔斷絲適配表選取導(dǎo)線規(guī)格。

圖1 熔斷絲與導(dǎo)線適配表

這樣的計(jì)算方法簡單方便，但是由于未考慮導(dǎo)線本身阻抗和過載短路電流沖擊影響，匹配存在缺陷，一旦回路發(fā)生短路可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)煙進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

為了更好地完成線束匹配設(shè)計(jì)安全，同時(shí)促進(jìn)成本合理化，必須要建立科學(xué)的導(dǎo)線和熔斷絲選型匹配方法。理論計(jì)算方法完成后，我們還必須進(jìn)行充分的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，通過借鑒國際先進(jìn)的整車線路安全測試 （CPT，Circuit Protect Test） 臺架經(jīng)驗(yàn)，我們同時(shí)搭建電路安全測試 （CPT） 臺架，形成一套完整的設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證體系。

為更系統(tǒng)安全地達(dá)成匹配設(shè)計(jì)目標(biāo)，新計(jì)算方法考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行細(xì)化驗(yàn)證計(jì)算。

1） 引入連續(xù)通電電源線束衰減系數(shù)概念

早期計(jì)算方法中，并未考慮一根線束中幾根電源線同時(shí)工作時(shí)對導(dǎo)線電流傳輸能力的影響 （即線路導(dǎo)電發(fā)熱的影響），計(jì)算導(dǎo)線載流能力時(shí)，全部按規(guī)定載流能力計(jì)算。本次更新計(jì)算方法，引入日標(biāo)《JASO D609低壓電線電流容量》中對一根線束中同時(shí)工作的幾根電源線電流傳輸能力衰減系數(shù)計(jì)算方法，防止一根線束中多根電源線同時(shí)工作發(fā)熱而影響線束安全。圖2為連續(xù)通電電源線束衰減系數(shù)表。

2） 引入熔斷絲與導(dǎo)線短時(shí)匹配概念

熔斷絲是用來保護(hù)電線以免過熱，在造成熱損壞之前熔斷絲就應(yīng)熔斷。計(jì)算熔斷絲在短時(shí)間內(nèi)熔斷所需的電流值，對小型和中型的片式熔斷絲，取額定電流的2倍；對于大電流的熔斷絲，取額定電流的6倍。根據(jù)《ISO 8820-2道路車輛熔斷器-用戶指南》的規(guī)定，速熔熔斷絲在其額定工作電流的2倍電流下，將會(huì)在≤5s內(nèi)熔斷。我們考慮回路短路充分的情況下，短路電流會(huì)遠(yuǎn)高于熔斷絲額定電流2倍，所以我們只要保證5s內(nèi)熔斷絲所配導(dǎo)線的發(fā)煙電流大于熔斷絲額定電流的2倍，即可保證熔斷絲熔斷先于導(dǎo)線發(fā)煙，從而就保證了回路短路充分時(shí)的線路安全。導(dǎo)線的發(fā)煙電流曲線可由JASO D609標(biāo)準(zhǔn)查閱。對于緩熔熔斷絲，則選擇6倍電流進(jìn)行計(jì)算，原理相同。圖3為片式熔斷絲分?jǐn)鄷r(shí)間表。圖4為AVS導(dǎo)線80℃發(fā)煙曲線。

圖3 片式熔斷絲分?jǐn)鄷r(shí)間表

圖4 AVS導(dǎo)線80℃發(fā)煙曲線

3） 引入熔斷絲與導(dǎo)線長時(shí)匹配概念

熔斷絲在額定工作電流下可長時(shí)工作。引入熔斷絲與導(dǎo)線長時(shí)匹配的概念，只要保證導(dǎo)線的長時(shí)發(fā)煙電流較熔斷絲的額定工作電流大，則可保證回路在長時(shí)負(fù)載的情況下，導(dǎo)線不會(huì)發(fā)煙。圖5為導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分?jǐn)嗲€。圖6為導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分?jǐn)嗲€的幾種關(guān)系。

圖5 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分?jǐn)嗲€

圖6 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分?jǐn)嗲€的幾種關(guān)系

4） 引入導(dǎo)線限長的概念

因?yàn)閷?dǎo)線本身具有阻抗，導(dǎo)線越長阻抗越大，當(dāng)導(dǎo)線過長后，即使回路短路，電壓由于被導(dǎo)線所分擔(dān)，會(huì)導(dǎo)致短路電流過小而不能快速熔斷，導(dǎo)線就會(huì)持續(xù)發(fā)熱產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。本方法引入導(dǎo)線限長的概念，確?；芈范搪冯娏鞑粫?huì)低于熔斷絲額定電流的2倍，則可保證熔斷絲與導(dǎo)線短時(shí)匹配的安全性。

5） 整車線路安全測試 （CPT） 驗(yàn)證

線路安全測試方法和設(shè)備，即CPT試驗(yàn)。CPT試驗(yàn)即為通過對整車線束回路在電器件各種運(yùn)行工況下的電壓、電流測試，實(shí)踐校核整車線束、電器件的匹配合理性及安全性，避免因設(shè)計(jì)計(jì)算遺漏及特殊工況下電器件的性能偏差行為導(dǎo)致的線路故障、失火風(fēng)險(xiǎn)及電器功能失真。整車線束負(fù)載安全試驗(yàn)主要包含：單負(fù)載試驗(yàn)、全負(fù)載試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、靜態(tài)電流測試。

6） 引入熔斷絲壽命計(jì)算方法

以往受困于沒有回路負(fù)載特性曲線，無法分析計(jì)算熔斷絲的可靠性壽命。利用CPT測試數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)測試的回路特性曲線計(jì)算熔斷絲壽命，由回路電流的特性沖擊曲線計(jì)算出發(fā)熱量I2t，求出其與熔斷絲設(shè)計(jì)I2t比值，則可算出熔斷絲耐沖擊次數(shù)。圖7為相對I2t的計(jì)算公式，圖8為脈沖電流I2t的計(jì)算方法，圖9為熔斷絲相對I2t曲線，圖10為熔斷絲熔斷I2t表。

圖7 相對I2t的計(jì)算公式

圖8 脈沖電流I2t的計(jì)算方法

圖9 熔斷絲相對I2t曲線

圖10 熔斷絲熔斷I2t表

3 技術(shù)方案

燒車隱患是車輛重大品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生燒車將嚴(yán)重影響乘員生命、財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)對公司也將造成較大的經(jīng)濟(jì)及聲譽(yù)損失。本方案要求計(jì)算選擇回路最適合的熔斷絲及導(dǎo)線，即保證線路和電器的安全，又能促成成本最優(yōu)化。

計(jì)算方法依托熔斷絲熔斷特性曲線及導(dǎo)線發(fā)煙特性曲線，以電阻、電流及發(fā)熱量為計(jì)算依據(jù)，綜合考慮溫度及并線衰減等因素，形成一個(gè)綜合計(jì)算公式。最后，對基本型產(chǎn)品進(jìn)行CPT測試，采集各瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)、堵轉(zhuǎn)及短路等工況下回路的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，驗(yàn)證計(jì)算的符合性。計(jì)算流程如下。

1） 計(jì)算回路實(shí)際負(fù)荷電流：實(shí)際負(fù)荷電流（A）= ［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］。

2） 選擇適配熔斷絲：熔斷絲必要額定電流（A）= ［負(fù)荷電流（A）/負(fù)荷余量率（%）］×100；選擇大于且最接近計(jì)算結(jié)果的熔斷絲。

3） 選擇適配導(dǎo)線：查閱導(dǎo)線樣本，選擇導(dǎo)線。要求導(dǎo)線負(fù)荷電流能力大于回路實(shí)際負(fù)荷電流，且同樣大于熔斷絲適合負(fù)荷電流。熔斷絲適合負(fù)荷電流 （A）=熔斷絲額定電流（A）×環(huán)境溫度系數(shù)×0.7。

4） 計(jì)算熔斷絲與導(dǎo)線短時(shí)匹配性：熔斷絲短時(shí)間熔斷電流 （A）=熔斷絲額定電流 （A）×溫度系數(shù)×熔斷電流倍率；片式熔斷絲熔斷電流倍率選2倍，則熔斷絲熔斷時(shí)間為5s。可查閱導(dǎo)線在5s時(shí)的發(fā)煙電流。要求導(dǎo)線5s發(fā)煙電流大于熔斷絲短時(shí)熔斷電流。

5） 計(jì)算熔斷絲與導(dǎo)線長時(shí)匹配性：查閱導(dǎo)線樣本，要求導(dǎo)線長時(shí)發(fā)煙電流大于熔斷絲長時(shí)熔斷電流。熔斷絲長時(shí)熔斷電流（A）=熔斷絲額定電流（A）×環(huán)境溫度系數(shù)。

6） 計(jì)算導(dǎo)線限制長度：限制長度（m）=公稱電壓（V）/短時(shí)間熔斷電流（A）/［電線阻值（Ω/m）×溫度系數(shù)］。

7） 試驗(yàn)驗(yàn)證：CPT試驗(yàn)驗(yàn)證，單負(fù)載、全負(fù)載、短路、靜態(tài)驗(yàn)證。

8） 結(jié)果分析及熔斷絲壽命計(jì)算：根據(jù)CPT試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，確認(rèn)回路是否異常。根據(jù)測試電流波形，計(jì)算熔斷絲耐沖擊次數(shù)。其中計(jì)算公式如下。

負(fù)荷電流（A）=［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］

熔斷絲必要額定電流 （A）=［負(fù)荷電流 （A）/負(fù)荷余量率（%）］×100

熔斷絲短時(shí)間熔斷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×熔斷電流倍率

電線容許電流（A）=周圍溫度容許電流（A）×電線線束減低系數(shù)

熔斷絲最適合負(fù)荷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×負(fù)荷余量率（%）/100

周圍溫度電線阻值（Ω/m）=電線阻值（Ω/m）×［1+0.00393×［周圍溫度（℃）-電線阻值測定溫度（℃）］］

容許回路阻值（Ω）=公稱電壓（V）/短時(shí)間熔斷電流（A）

電線長限度（m）= 回路允許阻值（Ω）/周圍溫度電線阻值（Ω/m）

根據(jù)以上計(jì)算方法，在EXCEL表格中編寫公式，形成計(jì)算模板。熔斷絲與導(dǎo)線匹配計(jì)算表模板及各項(xiàng)目應(yīng)用情況如圖11所示。

圖11 計(jì)算表模板

4 總結(jié)

線束回路越來越多，線束系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，一輛整車上面至少有幾百個(gè)回路。面對日益復(fù)雜的線束系統(tǒng)，對線束設(shè)計(jì)提出了很高的要求，在設(shè)計(jì)匹配整車線束時(shí)，不僅要充分計(jì)算校核各回路導(dǎo)線、熔斷絲、開關(guān)及電器件的匹配情況，還需詳細(xì)完備地通過試驗(yàn)測試每個(gè)線束回路工作狀況，檢驗(yàn)整車線束匹配的合理性及安全性。線束回路設(shè)計(jì)得不夠合理，輕則導(dǎo)致電器件功能失效或故障，影響功能使用甚至行車安全，重則因電器件或線路的燒蝕而引起整車失火。

該計(jì)算及驗(yàn)證方法已經(jīng)應(yīng)用某皮卡、輕客車型，大大提升了車輛線路安全性。新計(jì)算方法通過CPT驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算與實(shí)物試驗(yàn)有不一致的問題，計(jì)算方法科學(xué)、有效。同時(shí)，由于選擇適配了最優(yōu)熔斷絲和導(dǎo)線方案，線束質(zhì)量得到降低，成本得到了優(yōu)化。