竇明佳，吳 龍，陳 川

（東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

1 引言

整車所有電器的正常工作都需要電源分配系統(tǒng)供給電源，蓄電池電源通過不同形式的熔斷器逐級分配給相應(yīng)用電器，而電源分配系統(tǒng)最主要的零部件便是熔斷絲和導(dǎo)線，熔斷絲和導(dǎo)線的選型及匹配是電源分配的主要工作，同時也是關(guān)系整車安全及行駛穩(wěn)定性的主要因素，下面將分別介紹熔斷絲和導(dǎo)線的選型方法以及最終匹配校核的方法。

2 常用熔斷絲的種類

汽車熔斷絲又稱為保險，其主要作用是保護汽車線路，防止線路在出現(xiàn)短路、過載等情況下導(dǎo)線絕緣層發(fā)煙融化，點燃線束防護及周邊塑料件，引起燒車，保證車輛及人員的安全，汽車熔斷絲常用的有3大類。

1）大電流熔斷絲：例如起動機熔斷絲、發(fā)電機熔斷絲、EPS熔斷絲、Cooling Fan熔斷絲、機艙熔斷絲盒總?cè)蹟嘟z等，對于純電動汽車則包括DC-DC輸出電源熔斷絲及蓄電池輸出電源熔斷絲等，該類熔斷絲通常采用MEGA、MIDI、BF1形式，通常具有時間延時特性，Littelfuse稱其為“Diffusion pill Technology”。

2）慢融熔斷絲：主要用于中等電流電機類 （雨刮電機、座椅調(diào)節(jié)電機等），電阻類 （后除霜通常采用MAXI、JCASE、LP-JCASE等）。

3）快融熔斷絲：主要用于低電流負載，也是整車上使用數(shù)量最多的熔斷絲，常用的MINI、Micro類。

整車電源系統(tǒng)常用熔斷絲類型舉例如圖1所示。

圖1 整車電源系統(tǒng)常用熔斷絲類型舉例［1］

3 熔斷絲選型的方法

1）根據(jù)冗余系數(shù)計算熔斷絲額定電流 （Current rating），Littelfuse對其定義：The nominal amperage value of the fuse.It is established by the manufacturer as a value of current which the fuse can carry，based on a controlled set of test conditions.The test condition are part of UL／CSA／ANCE （Mexico） 248-14“Fuses for supplementary overcurrent protection”，Some common variation of these standards include：fully enclosed fuseholders，high contact resistances，air movement， transient spikes， and changes in connecting cablesize（diameter and length）。熔斷絲是溫度敏感型設(shè)備，當熔斷絲100%滿載時，測試條件的微小變化就會對熔斷絲的壽命產(chǎn)生很大影響，在實際車輛使用過程中，溫度、濕度、振動等條件是非常惡劣的，為了保證熔斷絲在整個生命周期的可靠性，通常建議負載工作電流不超過熔斷絲額定容量的75%。

例如對于一個正常工作電流在2.25A的用電器，其選擇的熔斷絲規(guī)格要大于3A。

熔斷絲的額定容量是在25℃環(huán)境溫度條件下測得的，通常在選擇熔斷絲時，設(shè)置座艙環(huán)境溫度為85℃，發(fā)動機艙環(huán)境溫度為105℃，溫度升高對熔斷絲熔斷的影響通過溫度系數(shù)來表示，溫度系數(shù)可通過Temperature rearting Curve來讀取。溫度折減系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 溫度折減系數(shù)曲線［1］

計算公式：

式中：If——理想的熔斷絲額定值；In——額定工作電流；RR——環(huán)境溫度修正系數(shù)。

上述負載位于座艙，環(huán)境溫度設(shè)置為85℃，其溫度系數(shù)取0.94。

所以，可選擇標稱5A的熔斷絲規(guī)格。

2）對于電機類、燈類 （鹵素燈）其工作電流不是穩(wěn)定的狀態(tài)，存在脈沖電流或者浪涌電流，特別是在電機起動和燈絲點亮瞬間，在選擇熔斷絲的時候不可能按照脈沖電流的最高幅值來作為負載工作電流選擇熔斷絲，這樣選擇的熔斷絲太大，存在設(shè)計冗余，因此按照穩(wěn)定平均工作電流確定熔斷絲大小后，要進行熔斷絲耐脈沖／浪涌電流沖擊的壽命校核。

電機類負載啟動瞬間電流曲線如圖3所示。計算順序如下：①選擇合適的波形來計算I2t，通過積分來計算負載脈沖電流所產(chǎn)生的熱量，圖4為不同電流波形對應(yīng)I2t的計算公式。②通過查表來確定相應(yīng)熔斷絲規(guī)格的I2t，如圖5所示。③最值，可通過圖6讀出熔斷絲的耐沖擊次數(shù)，一般要求熔斷絲要滿足10萬次沖擊的要求，如果不滿足則選擇更大一級規(guī)格的熔斷絲，重新進行計算。

圖3 電機類負載啟動瞬間電流曲線舉例

圖4 不同電流波形對應(yīng)I2t的計算公式

圖5 不同熔斷絲規(guī)格對應(yīng)I2t數(shù)值［1］

圖6 相對I2t與熔斷絲耐沖擊次數(shù)的對應(yīng)曲線［1］

4 導(dǎo)線的選型

汽車上的導(dǎo)線可分為蓄電池線、高壓導(dǎo)線 （新能源汽車用，耐壓等級DC大于60V小于600V）、同軸電纜、低壓導(dǎo)線（耐壓等級DC＜60V或AC＜25V）等，同時，這里所說的低壓導(dǎo)線，也是車上使用數(shù)量最多，承擔為整車所有電器提供低壓電源以及信號傳輸?shù)淖饔?。下面從設(shè)計角度分析一下低壓導(dǎo)線選型的方法。

1）首先從下面導(dǎo)線選型的路線圖，了解導(dǎo)線選型應(yīng)該考慮的因素：導(dǎo)線的溫度等級、絕緣層厚度、導(dǎo)體材料、絕緣層材質(zhì)、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線截面積。導(dǎo)線選型路線圖如圖7所示。

圖7 導(dǎo)線選型路線圖

2）導(dǎo)線的溫度等級選擇主要考慮兩個因素。

一是導(dǎo)線使用的外部環(huán)境溫度。①機艙域：不包括發(fā)動機，距離發(fā)動機排氣管300mm以上，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=100℃，Excursion=110℃；②發(fā)動機域：位于發(fā)動機上，距離排氣管在300mm內(nèi)，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=120℃，Excursion=130℃；③高溫區(qū)域：距離發(fā)動機排氣管小于150mm，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=130℃，Excursion=150℃；④座艙和底盤區(qū)域：駕駛艙和底盤距離排氣管150mm以上區(qū)域，溫度范圍：Minimum=－40℃，continuous=80℃，Excursion=100℃。

二是導(dǎo)線因承載電流所引起的溫升。根據(jù)ISO導(dǎo)線溫度等級的劃分 （表1），目前新車型通常將位于座艙和機艙的導(dǎo)線溫度等級定位Class B，將發(fā)動機線的溫度等級定義為Class C，對于靠近排氣管區(qū)域的導(dǎo)線通常采用隔熱鋁箔膠帶的防護，以杜絕發(fā)動機排氣的熱輻射。

3）絕緣層厚度的選擇，通常從耐磨性、柔韌性以及耐壓能力等方面考慮：①厚壁導(dǎo)線：通常用在底盤如輪速傳感器等需要高耐磨性的區(qū)域，同時要考慮彎曲半徑；②薄壁導(dǎo)線：通常用于整車所有區(qū)域的導(dǎo)線 （除去底盤部分）；③超薄壁導(dǎo)線：目前基本很少使用。

4）導(dǎo)體材質(zhì)選型。①純銅 （退火）：車用導(dǎo)線的標準導(dǎo)體材質(zhì)；②銅合金：一般應(yīng)用在0.13mm2，為了增加導(dǎo)線拉伸強度、壓接性能；③鍍錫銅：通常應(yīng)用在Pigtail端；④鍍銀銅：通常應(yīng)用在高溫場合200℃+；⑤鍍鎳銅：通常應(yīng)用在高溫區(qū)域 （O2傳感器）225℃+；⑥鋁：通常應(yīng)用在蓄電池線，減重降成本，但是鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性不如銅，同時在空氣中容易發(fā)生腐蝕。

5）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的選擇 （表2）。①導(dǎo)線截面積在0.13～2.0mm2內(nèi)的，通常采用Type A導(dǎo)體，便于剝線和端子壓接；②導(dǎo)體截面積大于2.5mm2，Type A和Type B都有用；③對于柔韌性要求比較高的地方，例如門鉸鏈位置、轉(zhuǎn)向管柱、電調(diào)座椅等，通常采用TypeC。

6）導(dǎo)線截面積的選擇。下面有兩個理論計算公式，表示了負載電流、導(dǎo)線參數(shù)與溫升的關(guān)系。第1種計算方法如公式 （4）：

表1 ISO導(dǎo)線溫度等級劃分

表2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分類

式中：Kt——綜合散熱系數(shù)，它與導(dǎo)線所處的環(huán)境、導(dǎo)線材料有關(guān)，與導(dǎo)線外部包覆的絕緣材料材質(zhì)、厚度和顏色有關(guān)；τ——溫升；M1——截面周長；ρ0——導(dǎo)線在零攝氏度時的電阻率；S——導(dǎo)線的截面積；α——導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù)；θ——導(dǎo)線的實際溫度值，℃；ρ0（1+αθ）——表示導(dǎo)線的實際溫度對導(dǎo)線電阻率的影響，導(dǎo)體的電阻隨著溫度的升高增大，與導(dǎo)體承載電流成反比，導(dǎo)體的截面周長和截面積與導(dǎo)體的承載電流能力成正比。

第2種計算方法如公式 （5）：

式中：T1——導(dǎo)線允許的工作溫度；T2——環(huán)境溫度；R——單位長度導(dǎo)線的熱阻；r——單位導(dǎo)線長度的電阻。

7）在導(dǎo)線溫度等級、環(huán)境溫度以及負載電流確定的情況下，可利用上述公式初步計算導(dǎo)體的截面積。但在實際工程設(shè)計過程中，一般通過查表即可選擇相應(yīng)的導(dǎo)線截面積，例如下表即為ISO 6722標準單根導(dǎo)線在不同環(huán)境溫度的3000h電流承載能力，通過下表可以看到ISO FLY-A（絕緣層材質(zhì)PVC）0.75mm2的導(dǎo)線在環(huán)境溫度85℃時可連續(xù)承載3000h的5A電流。不同規(guī)格導(dǎo)線載流能力如圖8所示。

圖8 不同規(guī)格導(dǎo)線載流能力

5 熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核

1）熔斷絲熔斷曲線和導(dǎo)線發(fā)煙曲線校核。在初步選擇完熔斷絲和導(dǎo)線后，需要進行熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核，即導(dǎo)線的發(fā)煙特性曲線位于熔斷絲的熔斷特性曲線之上并且無交叉，保證導(dǎo)線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時間大于熔斷絲的熔斷時間。此過程需借助供應(yīng)商開發(fā)的匹配軟件來完成，在沒有軟件的情況下，也可以選取兩個點，選取負載電流為熔斷絲額定容量的135%、200%的點，查詢?nèi)蹟嘟z和導(dǎo)線廠家提供的熔斷絲熔斷曲線和導(dǎo)線發(fā)煙曲線，保證在這兩個點導(dǎo)線的發(fā)煙時間大于熔斷絲的熔斷時間。導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲熔斷曲線校核如圖9所示。

圖9 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲熔斷曲線校核

2）線阻、壓降校核。完成熔斷絲和導(dǎo)線的匹配校核后，對于有線阻、壓降要求的用電器需要進行線阻和壓降的計算，導(dǎo)體的線阻可通過導(dǎo)體單位長度的導(dǎo)體電阻 （可查閱導(dǎo)線參數(shù)表）及導(dǎo)線長度計算，有線阻和負載電流可計算導(dǎo)線壓降。導(dǎo)體單位長度的電阻見表3。

3）短路電流校核。根據(jù)導(dǎo)線長度計算導(dǎo)線的電阻再加上端子壓接的阻抗、接觸阻抗、Splice的阻抗即為回路的總阻抗，再由此計算短路電流，為確保熔斷絲在短路情況下可以完全斷開，一般短路電流的值應(yīng)大于熔斷絲額定電流的350%。

表3 導(dǎo)體單位長度的電阻

6 工程實踐操作方法

上述介紹了熔斷絲和導(dǎo)線選型需要考慮的因素及方法，在長期工程實踐中可根據(jù)上述方法積累的經(jīng)驗以及試驗驗證的數(shù)據(jù)制定公司的熔斷絲與導(dǎo)線的匹配標準，另外考慮平臺化可縮減實際使用的熔斷絲與導(dǎo)線的種類，設(shè)計人員在清楚上述選型方法的基礎(chǔ)上按照標準選取合理的熔斷絲和導(dǎo)線，既保證設(shè)計的一致性又能減少重復(fù)匹配校核的工作量。熔斷絲與導(dǎo)線的選型對應(yīng)表見圖10。

圖10 熔斷絲與導(dǎo)線的選型對應(yīng)表［2］

7 結(jié)論

上述只是導(dǎo)線選型的一般方法，導(dǎo)線選型考慮的其他因素還包括端子壓接要求，共熔斷絲負載電源線徑一致要求等。另外，整車電源系統(tǒng)在設(shè)計完成后，要進行各項電性能的測試，包括單負載、全負載、135%過載、200%過載、短路測試等，驗證熔斷絲和導(dǎo)線設(shè)計的合理性，只有通過測試的設(shè)計才算是合理的設(shè)計。