周錄堯，郭 紅，李海林

（一汽解放商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

最新的汽車(chē)電線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 19642-2019其中兩部分：ISO 19642-3-2019《道路車(chē)輛 汽車(chē)電纜 第3部分：交流30V或直流60V單芯銅導(dǎo)體電纜的尺寸和要求》，ISO 19642-4-2019《道路車(chē)輛 汽車(chē)電纜 第4部分：交流30V或直流60V單芯鋁導(dǎo)體電纜的尺寸和要求》，給出了電線(xiàn)的尺寸和試驗(yàn)方法，但沒(méi)有給出電線(xiàn)的電流容量計(jì)算數(shù)值。不同標(biāo)準(zhǔn)的電線(xiàn)尺寸不同，但結(jié)構(gòu)類(lèi)似，其電流容量的計(jì)算方法是通用的。本文采用日標(biāo)JASO D609的額定電流和發(fā)煙時(shí)極限過(guò)電流的計(jì)算方法，用EXCEL給出了ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線(xiàn)和ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的電流容量計(jì)算數(shù)值，并比較了銅導(dǎo)體電線(xiàn)和鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)，為用鋁導(dǎo)體電線(xiàn)替代銅導(dǎo)體電線(xiàn)以降重、降成本提供對(duì)比數(shù)據(jù)，也為汽車(chē)電線(xiàn)與熔斷器的選型匹配提供數(shù)據(jù)支持。汽車(chē)電線(xiàn)載流量的試驗(yàn)測(cè)定方法可參見(jiàn)《VW 60306-3-2011汽車(chē)電線(xiàn)載流量的測(cè)定》。

汽車(chē)電線(xiàn)的電流容量為電線(xiàn)的額定電流、電線(xiàn)發(fā)煙時(shí)的極限過(guò)電流和乘以因成束額定電流的降低系數(shù)的電流值的總稱(chēng)。引用日標(biāo)JASO D609-2012《汽車(chē)低壓電線(xiàn)的電流容量》的計(jì)算公式見(jiàn)下文。

1 電線(xiàn)的額定電流

額定電流：在電線(xiàn)回路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮由于溫度造成的電線(xiàn)絕緣的老化，從壽命的角度考慮，為防止使用的不安全，允許通過(guò)的限定電流值。并且，這個(gè)值除了基于電線(xiàn)的絕緣材料、周?chē)沫h(huán)境溫度之外，也應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的通電時(shí)間。

導(dǎo)體電流產(chǎn)熱和絕緣體散熱的穩(wěn)態(tài)方程見(jiàn)公式 （1）。

1）熱量守恒

式中：IP——電線(xiàn)的額定電流，A；rT1——T1下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm；T1——電線(xiàn)導(dǎo)體的額定溫度，℃；T2——環(huán)境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；t——時(shí)間，s。

由公式 （6），可知當(dāng)t=5τ，1-e-5=99.33%，可認(rèn)為熱量產(chǎn)生和釋放達(dá)到平衡。并且，在T1下的導(dǎo)體電阻rT1按公式（2） 折算。

2）鋁導(dǎo)體電阻折算

注：0.00403是在20℃時(shí)，100%導(dǎo)電率下鋁的溫度系數(shù)。0.00393是在20℃時(shí)，100%導(dǎo)電率下銅的溫度系數(shù)。對(duì)于鍍層電線(xiàn)或合金，修正系數(shù)應(yīng)由供需雙方協(xié)商確定。

3）熱阻R

式中：R1——絕緣體的熱阻，℃·cm／W；R2——表面輻射熱阻，℃·cm／W。

4）絕緣體的熱阻R1

式中：P1——絕緣的固有熱阻，℃·cm／W，聚氯乙烯混合物和交聯(lián)聚氯乙烯混合物是600℃·cm ／W，交聯(lián)聚乙烯混合物是450℃·cm／W，無(wú)鹵混合物是450℃·cm／W；d1——導(dǎo)體直徑，mm；d2——成品電線(xiàn)外徑，mm。

5）表面輻射熱阻R2

式中：P2——固有表面輻射熱阻，℃·cm2／W；當(dāng)d2≤12.5mm時(shí)，P2=300+32d2；當(dāng)d2＞12.5mm時(shí)，P2=700。

電線(xiàn)在額定電流下的電壓降計(jì)算公式如下：

式中：E——電線(xiàn)的電壓降，mV／m；IP——電線(xiàn)的額定電流，A；rT1——T1溫度下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm，按公式（2）。

2 電線(xiàn)發(fā)煙時(shí)的極限過(guò)電流

極限過(guò)電流：由于外部特殊原因，電線(xiàn)短時(shí)間通過(guò)的電流超過(guò)容許電流時(shí)，規(guī)定的和通電時(shí)間對(duì)應(yīng)的極限電流值。

導(dǎo)體電流產(chǎn)熱和絕緣體散熱的暫態(tài)方程見(jiàn)公式 （6）。

2.1 極限過(guò)電流

式中，IO——電線(xiàn)的極限過(guò)電流，A；rT3——T3℃下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm；T3——電線(xiàn)導(dǎo)體的極限溫度，℃，此溫度下電線(xiàn)的絕緣開(kāi)始發(fā)煙變形；T2——環(huán)境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；α——熱時(shí)間常數(shù)τ的倒數(shù)；t——時(shí)間，s。

在T3℃下的鋁導(dǎo)體電阻rT3按公式 （7）進(jìn)行電阻折算：

B級(jí)PVC電線(xiàn)的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 B級(jí)PVC電線(xiàn)性質(zhì)

B級(jí)PVC電線(xiàn)的額定溫度為100℃，實(shí)驗(yàn)可達(dá)105℃，考慮安全余量在下文計(jì)算額定電流時(shí)取額定溫度100℃。B級(jí)PVC電線(xiàn)的發(fā)煙變形溫度為165℃，在計(jì)算發(fā)煙極限過(guò)電流時(shí)取熱過(guò)載溫度155℃，因?yàn)槿羧?65℃計(jì)算發(fā)煙極限過(guò)電流時(shí)電線(xiàn)已損壞失效。

2.2 熱阻R見(jiàn)公式 （3）

絕緣的熱阻R1見(jiàn)公式 （4），表面輻射熱阻R2見(jiàn)公式 （5）。

2.3 熱時(shí)間常數(shù)τ和熱容C按公式 （8）和公式 （9）折算

式中：W1——導(dǎo)體的質(zhì)量，g／cm，銅的密度為8.89g／cm3，鋁的密度為2.7g／cm3；W2——絕緣的質(zhì)量，g／cm，聚氯乙烯的密度按1.35g／cm3；H1——導(dǎo)體材料的熱容系數(shù)，J／℃·g；H2——絕緣材料的熱容系數(shù)，J／℃·g。

注：導(dǎo)體的質(zhì)量和絕緣的質(zhì)量可根據(jù)測(cè)定值。

各構(gòu)成材料的熱容系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各構(gòu)成材料的熱容系數(shù)

熱時(shí)間常數(shù)τ的倒數(shù)α按公式 （10）折算：

3 由于電線(xiàn)成束額定電流的降低系數(shù)

多根電線(xiàn)成束狀態(tài)時(shí)，額定電流應(yīng)乘以表3所示的降低系數(shù)。但是這個(gè)降低系數(shù)和同時(shí)通電的電線(xiàn)根數(shù)有關(guān)，和整個(gè)線(xiàn)束的電線(xiàn)根數(shù)沒(méi)有關(guān)系。并且不包含如控制回路、電子回路等不產(chǎn)生溫度上升的小電流電線(xiàn)。

表3 由于電線(xiàn)成束額定電流的降低系數(shù)

4 電線(xiàn)的電流容量計(jì)算結(jié)果

銅導(dǎo)體電線(xiàn)和鋁導(dǎo)體電線(xiàn)電流容量的中間計(jì)算參數(shù)數(shù)值部分摘錄見(jiàn)表4。

表4 銅導(dǎo)體電線(xiàn)和鋁導(dǎo)體電線(xiàn)電流容量的中間計(jì)算參數(shù)數(shù)值

ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線(xiàn)的額定電流見(jiàn)表5。ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的額定電流見(jiàn)表6和圖1，鋁導(dǎo)體電線(xiàn)發(fā)煙時(shí)間和極限過(guò)電流見(jiàn)表7和圖2。

5 銅導(dǎo)體電線(xiàn)和鋁導(dǎo)體電線(xiàn)對(duì)比

將ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線(xiàn)和ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)摘錄，見(jiàn)表8、表9、表10。

舉例1：對(duì)于銅導(dǎo)體0.75mm2電線(xiàn)，可用鋁導(dǎo)體1.0mm2或1.25mm2電線(xiàn)替代，見(jiàn)表11。由于細(xì)電線(xiàn)用量很大，一般成束布置，在用鋁導(dǎo)體電線(xiàn)替代銅導(dǎo)體電線(xiàn)時(shí)，需注意因成束直徑變大帶來(lái)的影響。

舉例2：對(duì)于載重汽車(chē)起動(dòng)機(jī)工作的電流回路，一般選用50mm2銅導(dǎo)體電線(xiàn)，起動(dòng)回路電阻要求不大于4mΩ，為保證回路電阻或者滿(mǎn)足額定電流，一般布置空間充裕，應(yīng)用鋁導(dǎo)體電線(xiàn)外徑變大不是限制因素，可采用70mm2或85mm2鋁導(dǎo)體電線(xiàn)替代50mm2銅導(dǎo)體電線(xiàn)，降重降成本顯著，見(jiàn)表12。

表5 ISO 19642-3-2019汽車(chē)低壓薄壁聚氯乙烯B級(jí)銅導(dǎo)體電線(xiàn)的額定電流和電壓降

表6 ISO 19642-4-2019汽車(chē)低壓薄壁聚氯乙烯B級(jí)鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的額定電流和電壓降

表7 ISO 19642-4-2019汽車(chē)薄壁聚氯乙烯 B級(jí)鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的電線(xiàn)發(fā)煙時(shí)間和極限過(guò)電流

表8 ISO 19642-3-2019汽車(chē)薄壁銅導(dǎo)體電線(xiàn)參數(shù) （推薦標(biāo)準(zhǔn)絞合結(jié)構(gòu)）

表9 ISO 19642-4-2019汽車(chē)薄壁鋁導(dǎo)體電線(xiàn)參數(shù)

表10 銅導(dǎo)體電線(xiàn)和鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的電氣參數(shù)對(duì)比

圖1 鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的額定電流與溫升曲線(xiàn)

表11 鋁導(dǎo)體電線(xiàn)替代銅導(dǎo)體電線(xiàn)

圖2 鋁導(dǎo)體電線(xiàn)的發(fā)煙時(shí)間與極限過(guò)電流曲線(xiàn)

表12 鋁導(dǎo)體電線(xiàn)替代銅導(dǎo)體電線(xiàn)