曹銘津，邱鐘明

（佛山市實達科技有限公司，廣東 佛山 528000）

汽車應急啟動電源導線選用研究

曹銘津，邱鐘明

（佛山市實達科技有限公司，廣東 佛山 528000）

分別以10AWG和12AWG特軟硅膠線作為便攜式汽車應急啟動電源導線材料，考察不同情況下放電時間及放電電流對導線表面溫度的影響。實驗結果表明在一定情況下，放電時間與導線表面溫度呈一次方程關系，放電電流與導線表面溫度符合二次方程模型。以80 ℃為溫度上限，10AWG和12AWG導線放電2～6 s的過流值分別為719.1～456.2 A和449.1 ～304.3 A。

汽車應急啟動電源；導線；表面溫度；過流值

隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車的保有量正迅速增長，越來越多家庭都開始使用汽車作為代步工具。由于天氣多變或汽車故障，偶爾會出現(xiàn)車載電池并不能順利起動汽車的情況。為了快速、方便地解決上述問題，便攜式汽車應急啟動電源應運而生，該電源主要由高倍率鋰離子電池、電路板、導線、接頭及外殼組成，通過簡單地與汽車電源連接，提供足夠的啟動電流用于汽車點火。汽車應急啟動電源使用方便、價格合理，受到越來越多消費者的青睞，市場前景一片光明。

眾多電池生產(chǎn)廠商看準便攜式汽車應急啟動電源市場，紛紛推出各自品牌的汽車應急啟動電源產(chǎn)品，力求在這個電池產(chǎn)品細分市場有自己的一席之地。但在便攜式汽車應急啟動電源產(chǎn)品設計的時候，對導線的選擇一直是各個廠商頭疼的問題——使用過大的導線會造成物料的浪費，成本的增加；使用過小的導線會使得大電流通過時發(fā)熱嚴重，造成安全隱患。一般導線生產(chǎn)廠家在檢測報告上僅給出導線持續(xù)放電的安全電流范圍供客戶參考，表1中給出了導線廠家提供的長時間放電的安全電流值，即12AWG和10AWG線分別為44.2 A和70.38 A，而對于非持續(xù)放電的情況并沒有具體明確的指標。針對便攜式汽車應急啟動電源的大電流短時放電使用的特點，現(xiàn)有導線指標并不能使廠家合理地選用合適的導線，生產(chǎn)廠家各自按照自家經(jīng)驗對導線進行選取，缺乏嚴謹性，同時也存在安全隱患?，F(xiàn)有文獻中對導線的過流情況大部分為模擬實驗［1-2］，缺乏對實際情況的探索。本論文通過模擬便攜式汽車應急啟動電源大電流短時放電的使用情況，測量導線表面溫度變化，綜合考慮便攜式汽車應急啟動電源各組成部分溫度耐受情況，得出選用導線的一般方法。同時針對導線過流值與大電流短時放電的關系進行討論，完善非持續(xù)放電情況導線過流值指標，對優(yōu)化產(chǎn)品設計，提高產(chǎn)品的安全性，具有現(xiàn)實的參考意義。

表1 特軟硅膠線10 AWG線和12 AWG線相關參數(shù)

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗采用便攜式汽車應急啟動電源為1064145TP-8000（2S2P）型鋰離子電池（佛山產(chǎn)），測量導線采用特軟硅膠線10AWG線和12AWG線（東莞產(chǎn)），具體物理參數(shù)如表1所示，大電流檢測設備為微電腦控制多功能檢測機（惠州產(chǎn)），溫度測量設備為34790A數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元（安捷倫公司），配合34901A二十通道多路轉(zhuǎn)換器（J型電熱偶）使用。測量環(huán)境溫度為25±3 ℃。

1.2 實驗步驟

實驗方法：先將電池與導線進行焊接，并與微電腦控制多功能檢測機連接，將溫度記錄儀上的電熱偶端緊貼導線。然后在微電腦控制多功能檢測機上，控制電池的放電時間及放電電流，在溫度記錄儀上記錄溫度的變化，得出不同放電時間及放電電流下導線達到的最高溫度。實驗裝置如圖1所示。

1.2.1 單次放電性能測試

模擬汽車單次點火情況，對導線通過短時（2～6 s）的大電流（100～700 A），通過電熱偶將導線表面溫度轉(zhuǎn)化為電信號，利用數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元記錄從放電開始到導線恢復室溫的溫度變化。每次放電前確保導線溫度恢復到室溫狀態(tài)。所需測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 實驗裝置結構圖

表2 單次放電測試所需測試項目

1.2.2 多次間歇放電性能測試

模擬汽車多次間歇點火情況，對導線通過短時（2 s）的大電流（100～700 A），2次放電之間擱置5 s，連續(xù)重復3次，通過電熱偶將導線表面溫度轉(zhuǎn)化為電信號，利用數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元記錄從放電開始到導線恢復室溫的溫度變化。每次放電前確保導線溫度恢復到室溫狀態(tài)。所需測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 多次間歇放電測試所需測試項目

2 結果與討論

2.1 單次放電時間對導線溫度的影響

在不同電流下考察放電時間對10AWG導線表面溫度的影響，結果如圖2所示。

圖2 不同電流下放電時間與10 AWG導線表面溫度的關系圖

從圖2中可以看出，在較低電流（100～200 A）通過導線時，延長放電時間對導線溫度影響不大，導線溫度對放電時間的改變并不敏感，盡管放電時間達到6 s之多，其導線表面溫度僅在40 ℃以下。增大放電電流至300～400 A范圍時，每增加1 s的放電時間，導線溫度增長較為明顯，300 A放電6 s時導線表面溫度超過50 ℃，而400 A放電6 s時溫度超過70 ℃。當放電電流為500 A時，放電時間為4 s的情況下，導線表面溫度達到85 ℃以上，而使用700 A放電僅放電2 s溫度竟然接近100 ℃。從汽車應急啟動電源整體考慮，內(nèi)部導線溫度過高會使得相鄰的電路板、電子元件等部分熱負荷過高，影響性能及壽命；而且汽車應急啟動電源內(nèi)部相對密閉，大量熱量難以短時間散去，會使得鋰離子電池處于高溫當中，加劇電池自放電［3-5］，縮短單次充電后的使用時間，同時會縮短電池的循環(huán)壽命。基于上述考慮，導線表面溫度以80 ℃為溫度上限［6］，以此來衡量導線能否達到汽車應急啟動電源短時大電流放電的使用標準。

從整體上分析，相同電流下改變放電時間，得出的曲線近似于放電時間與導線溫度的一次方程模型，通過擬合得到表4數(shù)據(jù)。其中擬合方程中的截距范圍為23～28，即當放電時間為0時的導線表面溫度，與測試環(huán)境室溫相符；而特征值中的R2則代表采集的數(shù)據(jù)與擬合曲線的擬合程度，數(shù)值上越接近1表明真實數(shù)據(jù)與擬合曲線擬合度高，證明擬合曲線能較好地反映變量之間相互關系。不同放電電流下的擬合曲線的R2都接近1，表明該模型能很好地反映出放電時間與導線表面溫度之間的關系。從擬合曲線的斜率中可以看出，較低放電電流下曲線斜率較小，而逐漸增大放電電流，曲線的斜率迅速增大，表觀上表現(xiàn)為導線溫度對通電時間的變化越來越敏感，與實測數(shù)據(jù)情況相符。

表4 不同放電電流下放電時間與導線表面溫度關系的模型特征值

綜上所述，在恒定放電電流下，延長放電時間會使導線表面溫度持續(xù)上升，且放電時間與導線表面溫度呈一次線性關系。

本次臨床研究，回顧性統(tǒng)計分析我院在2017年12月—2018年6月期間收治確診為甲狀腺結節(jié)性病變患者70例。本組70例甲狀腺結節(jié)性病變患者均行B超檢查、實驗室檢查。結合病理診斷及類型分析，與實際確診結果做進一步對比評估。本組70例甲狀腺結節(jié)性病變患者，包括男性患者19例、女性患者51例；患者年齡23～74歲之間，平均年齡為40.2歲。本研究完全通過了倫理委員會的批準，所選取的70例病患者均屬于同意簽署研究同意書的患者。

2.2 單次放電電流對導線溫度的影響

對上述數(shù)據(jù)作進一步處理，得出不同放電時間下，放電電流與導線表面溫度的關系，如圖3所示。由圖3可知，在相同放電時間下，隨著放電電流的增加，導線表面溫度明顯增加。而且放電時間越長，導線表面溫度對通電電流越敏感，每增加100 A所提升的導線溫度越大。相同放電時間下改變放電電流，得出的曲線近似于放電時間與導線溫度的二次方程模型，通過擬合得到表5數(shù)據(jù)。其中，模型的數(shù)學表達式為：y=ax2+bx+c，其中y（℃）為導線表面溫度，x（A）為放電電流強度。

圖3 不同放電時間下放電電流與10 AWG導線表面溫度的關系圖

從表5中可知，二次方程模型的R2都接近1，表明該模型能很好反映放電電流與導線表面溫度的關系，即在放電時間一定的情況下，增大放電電流能使得導線表面溫度呈急速上升。利用得到的二次方程模型，將導線溫度y=80導入到方程中，得到不同放電時間下10AWG導線的過流值，其結果如表6所示。使用相同的方法算得80 ℃為上限的12AWG線過流值。

表5 不同放電時間下放電電流與10AWG導線表面溫度關系的模型特征值

表6 不同通電時間下的導線過流值（溫度上限為80 ℃） A

綜上所述，在恒定放電時間的情況下，增大放電電流會使導線表面溫度明顯上升，且兩者之間呈二次方程關系。通過模型計算得出不同通電時間下導線的過流值。

2.3 多次間歇放電對導線溫度的影響

導線在多次間歇放電中的表面溫度與放電電流關系見圖4。

圖4 不同放電情況下的10 AWG導線表面溫度與放電電流關系圖

從圖4可知，多次間歇放電情況中，導線表面溫度隨放電電流的增加而迅速增加。與持續(xù)放電6 s的情況對比可知，2種不同放電情況結果相近，即導線表面溫度與放電電流的關系同為二次方程模型。從結果分析可知，雖然間歇放電2 s在2次放電之間擱置了5 s，但在該時間段內(nèi)因放電而產(chǎn)生的熱量并沒有充分散失，從而3次放電的熱量不斷累積，其總體效果與持續(xù)放電6 s的結果相同。

由此可以得出，在汽車應急啟動電源的使用上，在沒有足夠時間冷卻的情況下，多次間歇點火所導致的導線表面升溫與總點火時間有密切關系。

2.4 導體截面積對導線溫度的影響

2種導線在相同放電時間下與放電電流的關系如圖5所示。從表1中可以看出10AWG線與12AWG線的導體截面積分別為5.275 mm2和3.416 mm2，2種線材在截面積上有明顯的差別。而根據(jù)導體電阻與其通電橫截面積關系可知，通電截面積越大，其電阻越小。從圖5中可以看出，在較低電流范圍內(nèi)（100～200 A），2種線材所測得的表面溫度相差不大，而當放電電流逐漸加大時，12AWG線比10AWG線的表面溫度增加更明顯，在500 A放電2 s的情況下，10AWG導線表面溫度僅為57.2 ℃，而12AWG線表面溫度達到了101.3 ℃。從上述結果可知，在低電流環(huán)境中，導體截面積對導線表面溫度影響不大，而當放電電流增加到一定程度時，導體截面積較小的導線所產(chǎn)生的熱量更多，對汽車應急啟動電源危害越大。

圖5 相同放電情況下不同線號對導線表面溫度的關系圖

2.5 導線表面溫度隨時間的變化情況

圖6 500 A放電4 s 10AWG線表面溫度隨時間變化曲線

圖6為在500 A放電4 s 10AWG線表面溫度隨時間變化曲線。從圖6中可以看出，從放電開始溫度急速上升，到達最高溫度86.2 ℃，所需時間為20 s，即放電時間內(nèi)導線溫度并沒有達到最高，而是有一個滯后的過程。出現(xiàn)這種情況是因為熱量從導體到絕緣層再到導線表面的傳導過程中，受到熱量堆積、材料導熱系數(shù)較小的影響。而從最高溫度降溫到40 ℃這個“安全溫度”所需時間為2.5 min。從便攜式汽車應急啟動電源的使用角度分析，在通電后的20 s內(nèi)，溫度飆升明顯，這時候便攜式汽車應急啟動電源安全風險較大；而在便攜式汽車應急啟動電源使用完畢后，需足夠的冷卻時間，否則會發(fā)生因卸下啟動電源時接觸高溫導線而發(fā)生的燙傷事故。

3 結論

對便攜式汽車應急啟動電源用導線進行表面溫度測試可知：在恒定放電電流的情況下，導線表面溫度與放電時間呈一次方程線性關系；而在恒定放電時間的情況下，導線表面溫度與放電電流符合二次方程模型。這2個模型能有效評估便攜式汽車應急啟動電源短時大電流放電時導線的表面溫度，計算出適用于短時大電流放電的導線過流值，對便攜式汽車應急啟動電源導線的選用具有較好的參考價值。根據(jù)模型計算出以80 ℃為導線表面溫度上限，10AWG和12AWG導線放電2～6 s的過流值分別為719.1～456.2 A和449.1～304.3 A。對比單次放電情況和多次間歇放電情況可知：在冷卻時間不足的情況下，2種放電情況所導致的導線表面溫度接近。在使用不同導體橫截面積的導線時，在較低電流下導線表面溫度差距不明顯；當放電電流升高到一定程度時，導體橫截面積較小的導線表面溫度更大，即對大電流放電不相容。在使用便攜式汽車應急啟動電源時應該注意，在使用結束后需有足夠的冷卻時間，讓導線恢復到安全的溫度之下，降低燙傷的風險。

［1］ 王麗.導線過流情況下的溫度場數(shù)值模擬和特性測試研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2014.

［2］ 魏治宇，蔡國宏.導線過負荷引燃能力的模擬實驗研究［J］.武警學院學報，2009，25（6）：25-27.

［3］ 桂長清.溫度對LiFePO4鋰離子動力電池的影響［J］.電池，2015，45（2）：99-102.

［4］ 賀狄龍，馬冬梅，段學琴，等.存儲條件對磷酸鐵鋰鋰離子電池性能的影響［J］.電池，2014，44（4）：226-228.

［5］ ILTEHEV N ，CHEN Y，OKADA S ，et al.LiFePO4 storage at room temperature and elevated temperature［J］.J Power Sources，2003，119-121：749-754.

［6］ 李慶先，唐自強，李廣福.導線短時過載電流計算的探討［J］.福建電力與電工，2006，26（1）：17-19.

（編輯 凌 波）

Research on Vehicle Jump Start Wire Selection

CAO Ming-jin，QIU Zhong-ming
（Foshan Shida Battery Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，China）

10AWG silicone wire and 12AWG silicone wire for jump start are studied by detecting the variation of wire surface temperature under different discharge time and current.The test results show that，in certain situations，discharge time and wire surface temperature is in a linear relationship，while current and wire surface temperature is in a quadratic relationship.When discharge time is 2 s～6 s，the overcurrent value of 10AWG wire and 12AWG wire were 719.1 A～456.2 A and 449.1 A～304.3 A，respectively （Temperature standard is 80 ℃）.

jump start；wire；surface temperature；overcurrent value

U463.6

A

1003-8639（2017）09-0055-04

2016-11-30

邱鐘明（1976-），男，江西人，高級工程師，研究方向為化學電源；曹銘津（1990-），男，廣東人，工程師，研究方向為鋰離子電池。