鄭阿東，王大麗，程 琳，賈鋒濤，鄭玉蘋

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上的電器功能愈加豐富，車上的用電設(shè)備越來(lái)越多。當(dāng)用電器工作時(shí)，線束回路不作保護(hù)措施，會(huì)給車輛留下安全隱患。熔斷絲是一個(gè)熱響應(yīng)元器件，是為了保護(hù)線束而設(shè)計(jì)和制造的，可以提供短路和低過載情況下的保護(hù)，合適的熔斷絲規(guī)格可以更好地保護(hù)線束回路，也可以降低因選用粗導(dǎo)線導(dǎo)致的高成本，從而降低整車成本。本文根據(jù)不同的負(fù)載類型和工作電流大小，選擇不同的計(jì)算方法計(jì)算出合適熔斷絲容量，然后根據(jù)負(fù)載的電氣特性選擇熔斷絲的類型。

1 熔斷絲簡(jiǎn)介

1.1 熔斷絲定義

熔斷絲又稱熔斷器，將熔斷絲接于電路中，當(dāng)有不允許的過電流時(shí)，使電路斷開的熔斷式電氣保護(hù)器件。熔斷絲是一個(gè)熱響應(yīng)元器件，是為了保護(hù)線束而設(shè)計(jì)和制造的。本文所述的熔斷絲適用于低壓 （12 V）電路設(shè)計(jì)中。

1.2 熔斷絲工作原理

熔斷絲熔斷的工作原理依據(jù)是物理學(xué)中焦耳定律，即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方、導(dǎo)體的電阻、通電時(shí)間成正比，公式如下：

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)體持續(xù)的時(shí)間，s。

這是車用熔斷絲選擇的理論依據(jù)，在選擇某一回路的熔斷絲時(shí)，需保證當(dāng)回路負(fù)載正常工作時(shí)，其回路電流在熔斷絲處產(chǎn)生的累計(jì)能量應(yīng)小于熔斷絲熔斷的能量。當(dāng)有異常電流 （如回路短路、過載），回路電流在熔斷絲處產(chǎn)生的累計(jì)能量可使熔斷絲在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)熔斷。

1.3 熔斷絲分類 （表1）

2 熔斷絲選型

2.1 熔斷絲選型流程

本文介紹一種汽車用熔斷絲的選型方法，選型流程如圖1所示。

1）熔斷絲種類的確定，需要根據(jù)負(fù)載的電氣特性 （阻性、感性、容性）。

2）熔斷絲容量的確定，需要根據(jù)整車各電器系統(tǒng)工作電流大小及工作電流特性，按照不同的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。

3）當(dāng)選定電路的熔斷絲后，應(yīng)確定熔斷絲相連電路的導(dǎo)線規(guī)格，導(dǎo)線的時(shí)間／電流特性曲線與熔斷絲的時(shí)間／電流特性曲線進(jìn)行校核。

2.2 熔斷絲設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 熔斷絲類型的確定

快熔熔斷絲常用在阻性電路中，保護(hù)一些對(duì)電流變動(dòng)特別敏感的元器件；慢熔熔斷絲常用在電路狀態(tài)變化時(shí)有較大的浪涌電流的感／容性電路中 （如風(fēng)扇電機(jī)電路），它能承受開關(guān)機(jī)時(shí)浪涌脈沖的沖擊，而真正出現(xiàn)故障時(shí)仍能較快地?cái)嚅_電路。一般，電機(jī)類負(fù)載選擇慢熔熔斷絲，其余負(fù)載選擇快熔熔斷絲。

負(fù)載所使用熔斷絲的類型一般規(guī)則如下。

1）阻性負(fù)載，穩(wěn)定電流不大，一般選用快熔熔斷絲，如座椅加熱、后風(fēng)擋加熱。

表1 熔斷絲種類

圖1 熔斷絲選型流程圖

2）容性負(fù)載，沖擊電流大，但持續(xù)時(shí)間很短，且穩(wěn)態(tài)電流不大，選用快熔熔斷絲，如遠(yuǎn)近光燈、霧燈。

3）感性負(fù)載，電機(jī)類沖擊電流大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的用電器，選用慢熔熔斷絲，如鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇。

4）感性負(fù)載，線圈沖擊電流比較大，持續(xù)時(shí)間很短，且穩(wěn)態(tài)電流不大，選用快熔熔斷絲，如點(diǎn)火線圈、真空泵、雨刮電機(jī)。

2.2.2 熔斷絲容量的確定

負(fù)載的工作電流特性一般有以下3種情況，根據(jù)負(fù)載輸入的電流信息，判斷負(fù)載的工作電流特性，然后根據(jù)不同負(fù)載的工作電流特性確定熔斷絲的容量。

2.2.2.1 穩(wěn)態(tài)電流 （圖2）。

對(duì)于該類負(fù)載回路中理想的熔斷絲容量計(jì)算公式如下。

圖2 穩(wěn)態(tài)電流波形

式中：If——熔斷絲的額定電流理想值；In——額定工作電流；K——環(huán)境溫度修正系數(shù)。其中In=P／Un，可根據(jù)負(fù)載的功率和額定工作電壓求出，再通過熔斷絲的溫度修正系數(shù)曲線得到該熔斷絲工作環(huán)境溫度下的溫度修正系數(shù)K。將In、K代入公式即可得出If值。

溫度修正系數(shù)K是指熔斷絲的熔斷特性與環(huán)境溫度的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度越高，溫度修正系數(shù)越低。圖3、圖4分別為MINI熔斷絲和JCASE熔斷絲隨周圍環(huán)境溫度的變化而改變的溫度修正系數(shù)曲線。

圖3 MINI熔斷絲溫度修正系數(shù)

圖4 JCASE熔斷絲溫度修正系數(shù)

典型負(fù)載熔斷絲 （后除霜和后視鏡加熱負(fù)載）選型舉例 （表2）。

表2 后除霜和后視鏡加熱負(fù)載的電流信息

后除霜回路原理見圖5。

圖5 后除霜回路原理圖

熔斷絲選型過程如下。

1）負(fù)載是阻性負(fù)載，查圖3知，環(huán)境溫度是40℃時(shí)，溫度修正系數(shù)K=97%。

2） 根據(jù)公式 （1） 得：

3）在熔斷絲規(guī)格 （表1）中選擇，由于沒有規(guī)格為28.9 A的熔斷絲，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇接近且大于計(jì)算值28.9 A的熔斷絲，所以選擇30 A MINI熔斷絲。

注：前艙，熔斷絲工作溫度選擇105℃；室內(nèi)，熔斷絲工作溫度選擇40℃。

2.2.2.2 脈沖電流 （圖6）

圖6 脈沖電流波形

脈沖電流不包含穩(wěn)態(tài)工作電流，回路中的熔斷絲必須承受足夠的脈沖次數(shù)和一定時(shí)間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流。電流I2t和熔斷絲熔斷I2t的比值得到相對(duì)I2t，公式如下。

脈沖電流I2t的計(jì)算公式：脈沖電流的如圖7所示。

計(jì)算脈沖電流的I2t，需要對(duì)圖7進(jìn)行微積分處理，這一過程不僅繁瑣而且所得數(shù)值不一定準(zhǔn)確，因脈沖電流的函數(shù)不能夠準(zhǔn)確給出，可以將脈沖電流的波形進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用一些簡(jiǎn)單的三角形、梯形、四邊形等將脈沖電流波形進(jìn)行替代，計(jì)算I2-t圍成的面積。

熔斷絲熔斷I2t：熔斷I2t是熔斷絲在熔化過程中電流轉(zhuǎn)換的熱能，通常熔斷絲廠家會(huì)提供熔斷絲的熔斷I2t。以美國(guó)力特熔斷絲為例，其MINI熔斷絲的參數(shù)表如圖8所示。

圖7 脈沖電流I2t的計(jì)算圖

圖8 MINI熔斷絲的參數(shù)表 （力特目錄節(jié)選）

利用承受脈沖周期曲線來(lái)預(yù)測(cè)熔斷絲的壽命如圖9所示。通常壽命要求＞100萬(wàn)次，相對(duì)I2t＜30%。

圖9 承受脈沖周期的熔斷絲壽命圖

典型負(fù)載熔斷絲 （DCT熔斷絲）選型舉例 （表3）。

表3 DCT負(fù)載的電流信息

DCT電機(jī)正常工作時(shí)波形曲線局部放大圖如圖10所示。

圖10 DCT負(fù)載工作的電流波形

要求：DCT電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)模塊60 A@持續(xù)40～50 ms，上電過程中120 A@＜20 ms，熔斷絲不會(huì)熔斷。

熔斷絲選型過程。

1） 如圖10脈沖電流的I2t=梯形面積=（202+452）×0.1／2=121.25 A2s。

3）查找熔斷絲圖7，DCT正常工作時(shí)MINI 25 A熔斷絲可以滿足。

4）由圖11可知，在120 A時(shí)，25 A MINI熔斷絲熔斷時(shí)間大于20 ms，滿足。

5）由圖11可知，在60 A時(shí)，25 A MINI熔斷絲熔斷時(shí)間大于50 ms，滿足。

綜上，DCT熔斷絲選擇25 A MINI熔斷絲是可以滿足要求的。

圖11 MINI熔斷絲時(shí)間／電流熔斷特性

2.2.2.3 浪涌電流 （圖12）

浪涌電流由脈沖電流和穩(wěn)態(tài)電流疊加而成，熔斷絲必須承受足夠的脈沖次數(shù)和一定時(shí)間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流。電流累積I2t是電流經(jīng)過一段積累的能量。電流累積I2t和熔斷絲熔斷I2t的比值得到相對(duì)I2t，且相對(duì)I2t是隨時(shí)間變化的。公式如下。

圖12 浪涌電流波形

1）浪涌電流累積I2t計(jì)算：計(jì)算出每段時(shí)間內(nèi)累積的I2t，然后繪制出相應(yīng)的時(shí)間曲線。

2）熔斷絲熔斷I2t計(jì)算如下：①根據(jù)熔斷絲的T／C曲線，計(jì)算出熔斷絲在不同熔斷時(shí)間時(shí)的熔斷I2t；②繪制出熔斷絲熔斷I2t的曲線。

3）把浪涌電流累積I2t曲線和熔斷絲熔斷I2t曲線繪制在一張圖表中。

4）計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)I2t。

浪涌電流熔斷絲的計(jì)算比較復(fù)雜，人為計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，而且計(jì)算結(jié)果不一定準(zhǔn)確，復(fù)核也比較麻煩；一般需要借助示波器讀出浪涌電流的波形，再用專用的軟件將浪涌電流的波形輸入軟件中，從而計(jì)算出每段時(shí)間內(nèi)浪涌電流累積I2t與熔斷絲熔斷I2t的相對(duì)I2t，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)I2t，一般要求最大相對(duì)I2t＜30%。

浪涌電流熔斷絲的選型可以分為兩部分：①根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流部分，初步選擇1個(gè)熔斷絲的規(guī)格；②根據(jù)脈沖電流部分，計(jì)算每段時(shí)間內(nèi)相對(duì)I2t，從而預(yù)測(cè)熔斷絲耐沖擊電流的壽命； ③綜合以上兩部分的計(jì)算結(jié)果，選定熔斷絲的規(guī)格。

典型負(fù)載熔斷絲選型舉例見表4。

表4 低速風(fēng)扇電流信息

低速風(fēng)扇測(cè)試波形如圖13所示。

圖13 低速風(fēng)扇波形圖

熔斷絲選型過程如下。

1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流部分，初步選擇熔斷絲規(guī)格。

感性負(fù)載，沖擊電流大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的電機(jī)類負(fù)載，熔斷絲選擇慢熔熔斷絲，前艙環(huán)境溫度105℃，查圖4可知，溫度修正系數(shù)為0.9。

所以選擇30 A JCASE熔斷絲驗(yàn)證其他參數(shù)。

瞬間沖擊電流測(cè)算：沖擊電流最大為39.1 A，JCASE熔斷絲能夠至少600 s堅(jiān)持不會(huì)熔斷。

JCASE熔斷絲時(shí)間／電流熔斷特性如圖14所示。

圖14 JCASE熔斷絲時(shí)間／電流熔斷特性

2）根據(jù)脈沖電流部分，對(duì)熔斷絲的耐沖擊次數(shù)進(jìn)行分析。

利用專用的軟件計(jì)算出相對(duì)I2t，如圖15所示，最大相對(duì)I2t=15% （一般要求耐沖擊次數(shù)滿足100萬(wàn)次，相對(duì)I2t＜30%）。

圖15 相對(duì)I2t的計(jì)算結(jié)果

綜上：低速風(fēng)扇熔斷絲選用30A JCASE熔斷絲。

2.2.3 導(dǎo)線校核

當(dāng)選定電路的熔斷元件后，應(yīng)確認(rèn)與熔斷元件相連電路的導(dǎo)線規(guī)格，選用的原則是導(dǎo)線的電流-時(shí)間特性曲線必須高于串接在其內(nèi)的熔斷絲電流-時(shí)間特性曲線。如圖16所示。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車載用電器日益增多，而且汽車安全法規(guī)要求也越來(lái)越高。對(duì)汽車線束回路進(jìn)行安全可靠的保護(hù)，就需要根據(jù)不同的負(fù)載類型選擇合適的熔斷絲類型。整車成本的壓力也越來(lái)越大，選擇合適的熔斷絲類型，可以匹配最優(yōu)的線束線徑，更好地保障整車電路的安全以及降低線束成本。我們對(duì)熔斷絲的認(rèn)識(shí)與研究需要不斷深入，才能更好地趕上時(shí)代的發(fā)展。

本文的一些文字、圖片參考了Littelfuse公司的一些資料，在此表示感謝。