陳 興，王恩棟

（一汽技術(shù)中心乘用車電子電氣開發(fā)部，吉林 長春 130011）

2種常見車載熔斷器選擇方法分析

陳 興，王恩棟

（一汽技術(shù)中心乘用車電子電氣開發(fā)部，吉林 長春 130011）

介紹車用熔斷器選型的基本理論依據(jù)；根據(jù)多年積累的經(jīng)驗和實車驗證結(jié)果，介紹2種常見負(fù)載熔斷器的選擇方法。

熔斷器；焦耳定律；線路保護

汽車熔斷器是汽車電氣線路中的重要保護器件，其作用是保護汽車電氣線路及用電器不因過流、短路故障而發(fā)生損壞，并防止電氣線路過熱起火。本文不介紹以往文獻所經(jīng)常描述的電阻型負(fù)載、脈沖型負(fù)載和浪涌型負(fù)載等熔斷器的選擇方法，因前人已對其進行了充分說明。結(jié)合筆者多年汽車熔斷器的選型經(jīng)驗及實車驗證結(jié)果，本文介紹2種典型汽車熔斷器的選型技巧。會降低（熔斷器熔斷能量=環(huán)境提供能量+回路電流產(chǎn)生的能量，而使熔斷器熔斷的能量值是一定的），即熔斷器更容易熔斷，反之溫度降低能量值會增大，熔斷器更難熔斷。這就是為什么熔斷器會有溫度衰減系數(shù)圖，圖1描述了不同環(huán)境溫度與使熔斷器熔斷的回路電流的線性關(guān)系。

1 熔斷器選型的理論依據(jù)

熔斷器的工作原理是讓一小段導(dǎo)電材料在必要時熔斷，而使其熔斷的最基本理論依據(jù)就是物理學(xué)上的焦耳定律，即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方、導(dǎo)體的電阻、通電的時間成正比，公式如下

Q=I2Rt

式中：Q——導(dǎo)體的發(fā)熱量，J；I——流過導(dǎo)體的電流，A；R——導(dǎo)體的電阻，Ω；t——電流流過導(dǎo)體的持續(xù)時間，s。

通常各車用熔斷器供應(yīng)商會提供一項熔斷器的技術(shù)參數(shù)即I2t，該數(shù)值乘以熔斷器自身的電阻值即為使該熔斷器熔斷所需的能量值。以美國力特熔斷器為例，其MINI熔斷器的技術(shù)參數(shù)表見表1。選擇10A熔斷器，若想使其熔斷所需的回路累積能量為93A2s×7.42mΩ=0.69 J，這一能量值是在常溫23℃時使其熔斷的能量值，如果環(huán)境溫度升高，則這一能量值

表1 MINI熔斷器的技術(shù)參數(shù)表

圖1 不同環(huán)境溫度與使熔斷器熔斷的回路電流的線性關(guān)系

以上是車用熔斷器選擇的核心理論依據(jù)。在選擇某一回路的熔斷器時，需保證當(dāng)回路負(fù)載（不論是電阻型負(fù)載、脈沖型負(fù)載還是浪涌型負(fù)載）正常工作時，其回路電流在熔斷器處所產(chǎn)生的累積能量應(yīng)小于熔斷器熔斷的能量。當(dāng)有異常電流產(chǎn)生時（如回路短路、過載），回路電流在熔斷器處累積的能量可使熔斷器在規(guī)定時間內(nèi)熔斷。這就是車用熔斷器選擇的基本原則，下面介紹幾個典型例子。

2 點火線圈熔斷器選擇

一汽某自主車型，其發(fā)動機采用4缸機型，4個點火線圈交替工作，供應(yīng)商提供的其工作時的測試波形如圖2所示。

圖2 點火線圈工作時的測試波形

然后，確認(rèn)熔斷器安裝位置，通常點火線圈的熔斷器都安裝在前機艙發(fā)動機附近的配電盒內(nèi)，周邊環(huán)境溫度較高，根據(jù)經(jīng)驗最大可達105℃左右。

接下來著重介紹熔斷器容量的選擇。

1）初選熔斷器容量。比脈沖峰值電流11A大一級，選15A的熔斷器。

2）計算回路電流不同時間內(nèi)在熔斷器位置所產(chǎn)生的累積能量值。由于后續(xù)我們要看該能量值相比于該時間內(nèi)熔斷器熔斷能量的占比，故不再乘以熔斷器的電阻值，只根據(jù)焦耳定律計算電流的平方與時間相乘的數(shù)值即I2t。而要得到這一數(shù)值，需要對圖2的脈沖波進行微積分處理，如圖3所示。這一過程不僅繁瑣而且所得數(shù)值并不一定準(zhǔn)確。

圖3 微積分處理

根據(jù)波形圖，單個點火線圈工作時產(chǎn)生脈沖電流，最大的脈沖峰值電流可達11A，脈沖持續(xù)時間約3.5 ms，2個脈沖的間隔時間約為6.5 ms。按傳統(tǒng)熔斷器選擇方法即將車上各類電器件分為3類負(fù)載：電阻型負(fù)載如后風(fēng)窗加熱電阻絲，脈沖型負(fù)載如喇叭和浪涌型負(fù)載如舉窗電機，然后根據(jù)不同負(fù)載類型選擇熔斷器。而對于像點火線圈這種脈沖間隔時間非常短的負(fù)載，我們卻不好將其進行歸類，因為歸到哪一類里都會有選擇的局限性。如果將其歸為脈沖型負(fù)載，這種頻繁工作的脈沖負(fù)載，如何規(guī)定其熔斷器能承受的次數(shù)，一般負(fù)載熔斷器的幾萬次或幾千次耐沖擊壽命顯然無法滿足點火線圈的工作要求，既然無法滿足，我們需要定義點火線圈熔斷器的耐久次數(shù)為多少呢？而如果我們將其歸為電阻型負(fù)載，那么我們?nèi)绾味x點火線圈工作時的額定電流呢，取脈沖電流峰值？還是峰值電流和不工作時電流的平均值？顯然這2個電流值都不合適。

下面筆者依照本文第1章介紹的理論依據(jù)及實車測試驗證情況，介紹一種選擇方法。

首先，確定熔斷器類型。這里沒有需要特別說明的，市場上幾乎所有車型的點火線圈熔斷器均為快熔型熔斷器，如力特品牌的MINI系列，太平洋品牌的BFMN系列。

根據(jù)筆者多個車型的熔斷器選型經(jīng)驗，可采用一種更加簡便的計算方法。將點火線圈的脈沖波看成一個三角形，將其轉(zhuǎn)化為電流的平方與時間的關(guān)系曲線，如圖4所示，可將轉(zhuǎn)化后的圖形也看成是三角形，這樣就可以得到單個脈沖的近似能量值：單個脈沖近似能量值=（11A）2×（3.5 ms）/2=0.21A2s。

圖4 電流的平方與時間的關(guān)系曲線

按上述方法，根據(jù)經(jīng)驗，需計算9個時間段內(nèi)負(fù)載電流累積能量值，見表2。

表2 9個時間段內(nèi)負(fù)載電流累積能量值

3）計算9個時間段內(nèi)熔斷器熔斷所需的能量值。不同類型不同容量的熔斷器都有其對應(yīng)的熔斷特性曲線，其描述的是不同時間下，熔斷器熔斷所需的電流值。力特MINI熔斷器的熔斷特性曲線如圖5所示，根據(jù)這一曲線可在這9個時間點找到對應(yīng)的熔斷電流，進而可得到I2t數(shù)值。

圖5 力特MINI熔斷器的熔斷特性曲線

計算初選的MINI 15A熔斷器在9個時間段內(nèi)105℃時的熔斷I2t，見表3。電流需乘以溫度衰減系數(shù)，根據(jù)圖1，105℃時衰減系數(shù)為0.88。

表3 105℃時的熔斷I2t值

將同一時間段內(nèi)負(fù)載電流能量與熔斷器熔斷能量相比，得到表4。

表4 負(fù)載電流能量與熔斷器熔斷能量相比

根據(jù)表4可以看到，點火線圈工作2 s之后，負(fù)載電流在熔斷器處的累積能量與熔斷器的熔斷能量占比達到最大。根據(jù)圖6，在占比13%時，可滿足20萬次左右的工作周期，按一天平均起動發(fā)動機20次，一年365天，20萬次，可保證點火線圈熔斷器在28年內(nèi)不會熔斷，這還是在機艙溫度始終保持105℃時的情況，實際機艙不可能長時間保持這一溫度，實際使用壽命會更長。這一壽命可滿足大多數(shù)車輛的耐久要求，故可以最終鎖定點火線圈的熔斷器為15A快熔熔斷器。

圖6 負(fù)載電流在熔斷器處的累積能量與熔斷器的熔斷能量占比

3 座椅熔斷器選擇

目前越來越多的車輛都配備電動調(diào)節(jié)座椅，根據(jù)調(diào)整方向的多少，座椅內(nèi)部會配置2至4個不等的電機，這些電機可能會單獨工作，也可能多個電機同時工作，這樣的特殊負(fù)載該如何選擇相應(yīng)的熔斷器呢？下面介紹一種方法。

一汽某自主車型，其副駕駛員座椅有3個電機，可進行6個方向的電動調(diào)節(jié)，單個電機的參數(shù)見表5。

表5 電機參數(shù)

由于人只有2只手，所以正常情況下只能最多同時調(diào)整2個電機，其實多數(shù)人只調(diào)整一個電機?？紤]2個電機同時工作的情況見表6。

表6 2個電機同時工作的電流數(shù)值

首先，確認(rèn)熔斷器類型。通常電機類負(fù)載需選擇慢熔型熔斷器，如力特品牌的JCASE系列，太平洋品牌的SBFC系列。

之后，確認(rèn)熔斷器容量。這里就需考慮座椅調(diào)節(jié)的實際工作情況。絕大多數(shù)情況，用戶只會進行一個電機的調(diào)節(jié)，2個電機同時工作的情況很少，而出現(xiàn)2個電機同時工作且有一個甚至2個堵轉(zhuǎn)的情況就會更少，一年當(dāng)中僅會發(fā)生有限的幾次，我們需保證電機在堵轉(zhuǎn)保護起作用之前熔斷器不被熔斷。故初選熔斷器時，按2個電機同時正常工作的電流考慮，根據(jù)表6最大電流為18.4 A，初選20 A的熔斷器，那么在電機進入堵轉(zhuǎn)保護之前，20 A的慢熔熔斷器是否會提前熔斷呢？根據(jù)熔斷器的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8820的規(guī)定要求，各類熔斷器在不同過載電流下有熔斷時間要求，以力特JCASE慢熔熔斷器為例，其在不同過載電流的熔斷時間如圖7所示。按表6，一個電機堵轉(zhuǎn)，另一個電機正常工作的最大電流為27.3 A，相當(dāng)于20 A熔斷器過載137%，按圖7，至少需60 s的時間才能熔斷，而電機的堵轉(zhuǎn)保護時間才2 s，遠遠小于熔斷器熔斷時間，即使堵轉(zhuǎn)熔斷器也不會熔斷。同理，2個電機同時堵轉(zhuǎn)，熔斷器也不會熔斷。而發(fā)生電機堵轉(zhuǎn)的情況極少，可以不考慮堵轉(zhuǎn)對熔斷器壽命的影響，按本文第2章介紹的能量占比方法計算，20 A JCASE熔斷器完全可滿足電機正常工作時的周期壽命要求。

圖 7 力特JCASE慢熔熔斷器熔斷時間

有人可能會問，為什么不考慮3個電機同時工作的情況呢？3個電機同時工作由于發(fā)生的概率及其微小，將其定義為故障模式，如果因為3個電機同時工作導(dǎo)致熔斷器熔斷，我們認(rèn)為是正?，F(xiàn)象，且會在用戶使用手冊里進行說明。

綜上，選擇副駕駛座椅的熔斷器為20 A的慢熔熔斷器，經(jīng)10萬 km的路試驗證及3年左右的市場驗證，該選型結(jié)果準(zhǔn)確，沒有在售后市場出現(xiàn)熔斷器頻繁熔斷的情況，同時也沒有因為熔斷器的選型過大產(chǎn)生導(dǎo)線線徑過粗的情況，很好地控制了質(zhì)量和成本。

4 總結(jié)

以上根據(jù)熔斷器熔斷的基本物理學(xué)規(guī)律即焦耳定律介紹了2種常見負(fù)載熔斷器的選型方法，其他負(fù)載的熔斷器選擇都可以遵循上述方法。只要滿足在車輛正常使用周期內(nèi)，負(fù)載正常工作時熔斷器不被熔斷，而在發(fā)生異常情況時熔斷器可正常熔斷的基本原則，同時考慮成本等因素，就可以得到最優(yōu)的選擇方案。

［1］ 萊特（英），牛伯來（英）.熔斷器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987：2-3.

［2］ 張明森.汽車用熔斷器選用方法［J］.汽車電器，2010（1）：11-13.

［3］ Littelfuse. Automotive Circuit Protection Products［Z］.2014.

（編輯 楊 景）

Analysis on Selection Methods of Two Common Vehicle Fuse

CHEN Xing，WANG En-dong

（Passenger Vehicle EE Development Department，F(xiàn)AW R&D Centre，Changchun 130011，China）

This article introduces the basic theory of vehicle fuse selection. Based on years’ experience，two kinds of common load fuse is mainly demonstrated.

fuse；Joule Law；wire protection

U463.6

B

10003-8639（2017）10-0034-04

2017-04-24

陳興（1987-），男，電氣工程師，主要從事整車電線束設(shè)計及電子電氣架構(gòu)模型仿真工作。