汽車電器盒熔斷絲及繼電器溫升差異簡(jiǎn)析

【摘 要】通過對(duì)當(dāng)前的汽車電器盒常用元器件的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要闡述熔斷絲和繼電器的溫升情況及差異，以避免過高的熱量產(chǎn)生導(dǎo)致系統(tǒng)組件的老化甚至失效，影響系統(tǒng)壽命和可靠性。

【關(guān)鍵詞】汽車電器盒;溫升;繼電器;熔斷絲

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0082-03

Analysis of Temperature Rise Difference Between Fuse and Relay in Automotive Electrical Box

【Abstract】This paper analyzes the heating mechanism of the commonly used components in automotive electrical boxes，briefly describes the temperature rise and differences of fuses and relays，in order to avoid excessive heat generation that leads to aging and even failure of system components，affecting system life and reliability.

【Key words】automotive electrical box;temperature rise;relay;fuse

1 汽車電器盒概述

當(dāng)前，為實(shí)現(xiàn)車輛電源分配及回路保護(hù)，普遍會(huì)用到電器盒。電器盒從結(jié)構(gòu)上又分為直插式、PCB式、混合式等多種類型，其中直插式電器盒因其成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)在汽車行業(yè)應(yīng)用范圍非常廣，幾乎覆蓋了市場(chǎng)大多數(shù)類型車型，從發(fā)動(dòng)機(jī)艙到駕駛艙均有布置使用。該類型電器盒采用端子壓接導(dǎo)線的方式，然后裝配至絕緣殼體，插入熔斷絲、繼電器等元器件，組合成完整的回路，實(shí)現(xiàn)電源分配和回路保護(hù)功能。

基于直插式電器盒的功能要求，各回路要承擔(dān)對(duì)應(yīng)的電流負(fù)載，不同的回路所承載的電流負(fù)載也大小不同，電流的通過勢(shì)必會(huì)引起熱量的產(chǎn)生，尤其是大電流造成的發(fā)熱更為明顯，造成能量浪費(fèi)的同時(shí)，過高的熱量產(chǎn)生可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)組件的老化甚至失效，影響系統(tǒng)壽命和可靠性。本文主要針對(duì)接觸電阻引起的溫升做重點(diǎn)介紹。

2 試驗(yàn)對(duì)象選擇及測(cè)試方法

在傳統(tǒng)直插式電器盒的整個(gè)回路中，最為常見的元器件包括熔斷絲和繼電器。本文以插入式快熔熔斷絲和多觸點(diǎn)端子作為分析對(duì)象進(jìn)行溫升測(cè)試。

2.1 熔斷絲溫升測(cè)試

常溫靜止?fàn)顟B(tài)下的熔斷絲溫升測(cè)試如圖1所示。測(cè)試前，按照標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)壓接壓降符合要求，采集10組數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)處理，繪制出溫升曲線（圖2）。經(jīng)過反向?qū)Ρ?，可以發(fā)現(xiàn)繪制出的曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表1）基本吻合，證明常規(guī)的數(shù)據(jù)處理是可行的。

2.2 繼電器組合的溫升測(cè)試

測(cè)量繼電器組合（2.5mm2導(dǎo)線+40AHFV15繼電器）的溫升情況。同樣的試驗(yàn)條件下，圖3是插入式繼電器靜止?fàn)顟B(tài)下的溫升測(cè)試。試驗(yàn)前先使繼電器吸合，由于繼電器線圈也是發(fā)熱源，所以在負(fù)載端通過電流前，先持續(xù)一段時(shí)間至溫升穩(wěn)定，然后通入電流。表2為不同電流情況下的實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)，根據(jù)該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制溫升曲線（圖4），但此時(shí)經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，繪制出的曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏離，未能體現(xiàn)出在不同電流下相對(duì)應(yīng)的溫升值，比如15A情況下實(shí)測(cè)溫升值約為27℃，而溫升曲線所顯示的值約為70℃，這明顯是不合理的。

3 差異原因分析

從上文可以看出，作為汽車電器盒最為常用的元器件，熔斷絲和繼電器在溫升及曲線的繪制方面有著很大不同，根據(jù)熔斷絲的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的曲線，能夠較為線性、真實(shí)地表達(dá)不同電流下的溫升值，而根據(jù)繼電器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接擬合的曲線，卻與實(shí)際出現(xiàn)了嚴(yán)重偏差，所以造成這種差異的原因需要進(jìn)一步分析。

電路發(fā)熱的原理實(shí)際很簡(jiǎn)單，溫升是發(fā)熱的一種很直觀的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，那么在分析繪制熔斷絲和繼電器溫升曲線時(shí)所出現(xiàn)的差異時(shí)，重點(diǎn)無疑就要放在熱量的產(chǎn)生源上。先查看熔斷絲發(fā)熱的源頭，毋庸置疑，從整個(gè)回路上來評(píng)價(jià)，產(chǎn)生熱量的原因主要有端子自身的電阻、端子與導(dǎo)線壓接產(chǎn)生的電阻、熔斷絲自身的內(nèi)阻、熔斷絲與端子的接觸電阻。再查看繼電器發(fā)熱的源頭，包括端子的電阻、端子與導(dǎo)線壓接產(chǎn)生的電阻、繼電器觸點(diǎn)吸合時(shí)的內(nèi)阻、繼電器引腳與端子的接觸電阻和線圈阻抗產(chǎn)生的熱量。前4個(gè)因素與熔斷絲的發(fā)熱原理都是一樣的，此時(shí)需注意繼電器與熔斷絲還有一個(gè)區(qū)別，即線圈的發(fā)熱。這部分的熱量并不來自于回路電流，而來自于為了維持繼電器吸合的另外一個(gè)獨(dú)立的回路，所以把焦點(diǎn)放到線圈熱量對(duì)整個(gè)回路系統(tǒng)的影響上。前文提到，在繼電器的溫升測(cè)試開始前，先給線圈通電，吸合觸點(diǎn)，此時(shí)觸點(diǎn)不通過電流，觀察線圈的溫度大概在20℃左右。對(duì)于是不是這20℃的溫度影響到了后續(xù)的曲線擬合和繪制，嘗試對(duì)溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在擬合前將溫升值減去先前測(cè)得的線圈溫度，這個(gè)減法的修正可能是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，但假定線圈的溫升穩(wěn)定后受其他因素的影響較小，數(shù)據(jù)處理后擬合的曲線（圖5）與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本吻合。同時(shí)也可以看到，溫升值起點(diǎn)從20℃開始，實(shí)際表示的是繼電器線圈溫度。

4 其他組別的繼電器溫升驗(yàn)證

為了進(jìn)一步論證繼電器溫升值修正的可行性，進(jìn)行了其他組別的繼電器（3.0mm2導(dǎo)線+40AHFV15繼電器）溫升驗(yàn)證。圖6是修正前的溫升曲線，圖7是修正后的溫升曲線，修正后的曲線與實(shí)測(cè)值接近，基本說明折減線圈溫度的修正方法在繼電器溫升曲線繪制時(shí)是可行的。

熔斷絲作為熱響應(yīng)元件，其工作原理就是靠自身阻抗引起熱量的集聚繼而融化熔絲，達(dá)到保護(hù)回路的作用，可以視其為一個(gè)電阻、一段導(dǎo)線等，根據(jù)焦耳定律可以較為容易進(jìn)行計(jì)算，溫升曲線也可以直接繪制。而對(duì)于繼電器，其觸點(diǎn)簡(jiǎn)化為電阻來計(jì)算，但周邊線圈的發(fā)熱量對(duì)觸點(diǎn)周圍的溫度產(chǎn)生了干擾，在擬合溫升曲線時(shí)，需要將這部分干擾因子予以排除，修正溫升曲線，最終才能獲得切合實(shí)際的圖形。

5 綜合散熱系數(shù)

嘗試能否從一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出該類元器件相關(guān)回路系統(tǒng)中的綜合散熱系數(shù)，繼而可以快速計(jì)算其他規(guī)格熔斷絲和繼電器的溫升值。因?yàn)椴煌?guī)格繼電器的外形不同，散熱面積也不同，所以在此不對(duì)繼電器做分析。而熔斷絲除了內(nèi)部熔絲部位有差異外，其外形是一致的，視為散熱面積相同（忽略因顏色差異對(duì)熱輻射的影響）。

眾所周知，溫升值的大小取決于系統(tǒng)的發(fā)熱量大小和散熱條件，發(fā)熱量較為容易計(jì)算，無外乎降低電流和減小系統(tǒng)電阻，而散熱的計(jì)算較為復(fù)雜，因?yàn)橄到y(tǒng)的散熱方式是zyJjrDzheyr5IMu+l8a3lbJKBftEISNBqjtClMxYnO0=多樣的，包括輻射散熱、傳導(dǎo)散熱和對(duì)流散熱等，涉及綜合散熱系數(shù)，將復(fù)雜的散熱方式統(tǒng)一為一個(gè)系數(shù)值來替代，即牛頓散熱公式：

P = Kt Aτ

式中：P——散熱功率=I2R;Kt——綜合散熱系數(shù);A——散熱面積;τ——溫升值。

使用牛頓散熱公式來確認(rèn)不同規(guī)格熔斷絲的綜合散熱系數(shù)是否為定值，如果是定值，計(jì)算其他類型熔斷絲的溫升值時(shí)將會(huì)簡(jiǎn)便很多。

表4是兩種熔斷絲的實(shí)際溫升值情況。假定抽取同樣的表面作為散熱面積A，R=R1（熔斷絲電阻）+R2（熔斷絲與端子的接觸電阻）+R3（壓接電阻），其中，兩種熔斷絲的引腳以及端子相配合的結(jié)構(gòu)相同，所以兩種熔斷回路對(duì)應(yīng)的R2相等。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，雖然散熱面積相同，但是計(jì)算出來的綜合散熱系統(tǒng)Kt并不相同，三種散熱方式、兩種熔斷絲和導(dǎo)線組合在對(duì)流和熱輻射方面的散熱差異并不大，而熱傳導(dǎo)受導(dǎo)體傳熱面積的影響，不同規(guī)格的導(dǎo)線匹配不同規(guī)格的熔斷絲的綜合散熱情況是不同的。除了散熱面積外，更大規(guī)格的導(dǎo)線通過熱傳導(dǎo)的方式對(duì)溫升的降低產(chǎn)生了明顯影響，雖然散熱面積一樣，但綜合散熱系數(shù)不同。

6 總結(jié)

以上是本文對(duì)直插式汽車電器盒熔斷絲及繼電器溫升差異的簡(jiǎn)要對(duì)比和分析。可以看出熔斷絲作為熱響應(yīng)元件，通過內(nèi)阻的發(fā)熱來實(shí)現(xiàn)回路保護(hù)，其溫升值可以直觀進(jìn)行采集，并且可以便捷地繪制出溫升曲線。而繼電器除了觸電內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量外，線圈的溫度對(duì)其產(chǎn)生了干擾和影響，在分析數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行處理。同時(shí)，在繼電器選型和在電器盒內(nèi)排布時(shí)，要充分考慮線圈熱量對(duì)周邊器件的溫度影響，進(jìn)行合理布置，避免造成局部區(qū)域溫度過高，必要時(shí)設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)。

另一方面，從分析的過程和牛頓散熱公式也能看出在整個(gè)回路電流不變的情況下，溫升的影響因素：一是阻抗，要想辦法降低阻值，比如選用低阻值的材料，減小接觸電阻，增加導(dǎo)體面積等;二是改善散熱條件，比如提高線徑，增加導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)能力，設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，增加散熱面積等。從公式中可以看出，綜合散熱系數(shù)Kt、阻抗R、散熱面積A的輕微變化就可以引起回路溫升值的較大變化，所以在進(jìn)行回路設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮以上參數(shù)的設(shè)置，才能保證在合理的成本下將溫升值控制在要求的范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏天偉，丁道明. 電器學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.