王春芝

（安徽江淮汽車股份有限公司輕型營銷公司， 安徽 合肥 230601）

1 技術(shù)背景

隨著汽車數(shù)量的急速增加，車輛自燃現(xiàn)象也隨之增加。汽車自燃，嚴重威脅著人們生命和財產(chǎn)的安全，分析和預(yù)防汽車起火十分重要。根據(jù)國外機構(gòu)統(tǒng)計，由電線引起的汽車自燃約占高速公路自燃的30%，是車輛自燃的最大誘因。

熔斷絲是電路設(shè)計時為保護線路和電器件而有意設(shè)計和制造的線路中最薄弱一部分，當(dāng)電路出現(xiàn)短路或過載異常時，熔斷絲會先于導(dǎo)線和元器件損壞前熔斷，從而切斷電源保障電路安全。電線失火，通常是由于線路缺乏熔斷絲保護或熔斷絲與線路匹配不當(dāng)引起。熔斷絲的每一電流值都對應(yīng)一定范圍的電阻，并由此定義其過載的特性。在線束設(shè)計中，如果沒有合適的熔斷絲與導(dǎo)線匹配計算方法，設(shè)計就會達不到我們的要求和目的。熔斷絲選擇過小，會影響熔斷絲的使用壽命導(dǎo)致客戶抱怨，而熔斷絲選擇過大，則無法保護電器件且引起導(dǎo)線成本上升。另外，當(dāng)大電流熔斷絲匹配了小線徑導(dǎo)線時，熔斷絲會無法保護線路，一旦回路發(fā)生短路或過載，導(dǎo)線就會先于熔斷絲融化，引起車輛失火。而如果為了安全盲目提高導(dǎo)線線徑，則會引起成本浪費，同時增加線束質(zhì)量。探索熔斷絲與導(dǎo)線的最優(yōu)匹配方案，一直是線束設(shè)計的重點和核心工作。

國內(nèi)商用車受環(huán)境和成本影響，前期較多使用易熔線作為線路熔斷絲元件，而易熔線僅能提供短路保護且容易引起明火，存在隱患。同時由于商用車貨箱和車架較長導(dǎo)致部分電源回路導(dǎo)線過長，因而此部分回路導(dǎo)線阻抗高，短路時的短路電流被拉低而無法快速熔斷，存在導(dǎo)線先于熔斷絲熔化而引起失火的隱患。早期我們選型時所用的熔斷絲與導(dǎo)線匹配表是在導(dǎo)線長度特定范圍內(nèi)適用的，主要與乘用車契合，與商用車并不完全適合。

根據(jù)開發(fā)需要，結(jié)合熔斷絲熔斷特性及導(dǎo)線發(fā)煙曲線等因素，我們創(chuàng)新完善了熔斷絲和導(dǎo)線的匹配方法和驗證能力，對電氣系統(tǒng)的負載狀態(tài)、熔斷絲容量、導(dǎo)線線徑的匹配進行優(yōu)化，消除隱患，控制成本，減小開發(fā)風(fēng)險。

2 總體思路

早期的熔斷絲與導(dǎo)線匹配計算方法，在計算出來熔斷絲規(guī)格后，就直接對照圖1所示的導(dǎo)線與熔斷絲適配表選取導(dǎo)線規(guī)格。

圖1 熔斷絲與導(dǎo)線適配表

這樣的計算方法簡單方便，但是由于未考慮導(dǎo)線本身阻抗和過載短路電流沖擊影響，匹配存在缺陷，一旦回路發(fā)生短路可能會導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)煙進而引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險。

為了更好地完成線束匹配設(shè)計安全，同時促進成本合理化，必須要建立科學(xué)的導(dǎo)線和熔斷絲選型匹配方法。理論計算方法完成后，我們還必須進行充分的可靠性驗證試驗，通過借鑒國際先進的整車線路安全測試 （CPT，Circuit Protect Test） 臺架經(jīng)驗，我們同時搭建電路安全測試 （CPT） 臺架，形成一套完整的設(shè)計開發(fā)驗證體系。

為更系統(tǒng)安全地達成匹配設(shè)計目標，新計算方法考慮從以下幾個方面進行細化驗證計算。

1） 引入連續(xù)通電電源線束衰減系數(shù)概念

早期計算方法中，并未考慮一根線束中幾根電源線同時工作時對導(dǎo)線電流傳輸能力的影響 （即線路導(dǎo)電發(fā)熱的影響），計算導(dǎo)線載流能力時，全部按規(guī)定載流能力計算。本次更新計算方法，引入日標《JASO D609低壓電線電流容量》中對一根線束中同時工作的幾根電源線電流傳輸能力衰減系數(shù)計算方法，防止一根線束中多根電源線同時工作發(fā)熱而影響線束安全。圖2為連續(xù)通電電源線束衰減系數(shù)表。

2） 引入熔斷絲與導(dǎo)線短時匹配概念

熔斷絲是用來保護電線以免過熱，在造成熱損壞之前熔斷絲就應(yīng)熔斷。計算熔斷絲在短時間內(nèi)熔斷所需的電流值，對小型和中型的片式熔斷絲，取額定電流的2倍；對于大電流的熔斷絲，取額定電流的6倍。根據(jù)《ISO 8820-2道路車輛熔斷器-用戶指南》的規(guī)定，速熔熔斷絲在其額定工作電流的2倍電流下，將會在≤5s內(nèi)熔斷。我們考慮回路短路充分的情況下，短路電流會遠高于熔斷絲額定電流2倍，所以我們只要保證5s內(nèi)熔斷絲所配導(dǎo)線的發(fā)煙電流大于熔斷絲額定電流的2倍，即可保證熔斷絲熔斷先于導(dǎo)線發(fā)煙，從而就保證了回路短路充分時的線路安全。導(dǎo)線的發(fā)煙電流曲線可由JASO D609標準查閱。對于緩熔熔斷絲，則選擇6倍電流進行計算，原理相同。圖3為片式熔斷絲分斷時間表。圖4為AVS導(dǎo)線80℃發(fā)煙曲線。

圖3 片式熔斷絲分斷時間表

圖4 AVS導(dǎo)線80℃發(fā)煙曲線

3） 引入熔斷絲與導(dǎo)線長時匹配概念

熔斷絲在額定工作電流下可長時工作。引入熔斷絲與導(dǎo)線長時匹配的概念，只要保證導(dǎo)線的長時發(fā)煙電流較熔斷絲的額定工作電流大，則可保證回路在長時負載的情況下，導(dǎo)線不會發(fā)煙。圖5為導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分斷曲線。圖6為導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分斷曲線的幾種關(guān)系。

圖5 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分斷曲線

圖6 導(dǎo)線發(fā)煙曲線與熔斷絲分斷曲線的幾種關(guān)系

4） 引入導(dǎo)線限長的概念

因為導(dǎo)線本身具有阻抗，導(dǎo)線越長阻抗越大，當(dāng)導(dǎo)線過長后，即使回路短路，電壓由于被導(dǎo)線所分擔(dān)，會導(dǎo)致短路電流過小而不能快速熔斷，導(dǎo)線就會持續(xù)發(fā)熱產(chǎn)生風(fēng)險。本方法引入導(dǎo)線限長的概念，確保回路短路電流不會低于熔斷絲額定電流的2倍，則可保證熔斷絲與導(dǎo)線短時匹配的安全性。

5） 整車線路安全測試 （CPT） 驗證

線路安全測試方法和設(shè)備，即CPT試驗。CPT試驗即為通過對整車線束回路在電器件各種運行工況下的電壓、電流測試，實踐校核整車線束、電器件的匹配合理性及安全性，避免因設(shè)計計算遺漏及特殊工況下電器件的性能偏差行為導(dǎo)致的線路故障、失火風(fēng)險及電器功能失真。整車線束負載安全試驗主要包含：單負載試驗、全負載試驗、短路試驗、靜態(tài)電流測試。

6） 引入熔斷絲壽命計算方法

以往受困于沒有回路負載特性曲線，無法分析計算熔斷絲的可靠性壽命。利用CPT測試數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)測試的回路特性曲線計算熔斷絲壽命，由回路電流的特性沖擊曲線計算出發(fā)熱量I2t，求出其與熔斷絲設(shè)計I2t比值，則可算出熔斷絲耐沖擊次數(shù)。圖7為相對I2t的計算公式，圖8為脈沖電流I2t的計算方法，圖9為熔斷絲相對I2t曲線，圖10為熔斷絲熔斷I2t表。

圖7 相對I2t的計算公式

圖8 脈沖電流I2t的計算方法

圖9 熔斷絲相對I2t曲線

圖10 熔斷絲熔斷I2t表

3 技術(shù)方案

燒車隱患是車輛重大品質(zhì)風(fēng)險，一旦發(fā)生燒車將嚴重影響乘員生命、財產(chǎn)安全，同時對公司也將造成較大的經(jīng)濟及聲譽損失。本方案要求計算選擇回路最適合的熔斷絲及導(dǎo)線，即保證線路和電器的安全，又能促成成本最優(yōu)化。

計算方法依托熔斷絲熔斷特性曲線及導(dǎo)線發(fā)煙特性曲線，以電阻、電流及發(fā)熱量為計算依據(jù)，綜合考慮溫度及并線衰減等因素，形成一個綜合計算公式。最后，對基本型產(chǎn)品進行CPT測試，采集各瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)、堵轉(zhuǎn)及短路等工況下回路的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，驗證計算的符合性。計算流程如下。

1） 計算回路實際負荷電流：實際負荷電流（A）= ［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］。

2） 選擇適配熔斷絲：熔斷絲必要額定電流（A）= ［負荷電流（A）/負荷余量率（%）］×100；選擇大于且最接近計算結(jié)果的熔斷絲。

3） 選擇適配導(dǎo)線：查閱導(dǎo)線樣本，選擇導(dǎo)線。要求導(dǎo)線負荷電流能力大于回路實際負荷電流，且同樣大于熔斷絲適合負荷電流。熔斷絲適合負荷電流 （A）=熔斷絲額定電流（A）×環(huán)境溫度系數(shù)×0.7。

4） 計算熔斷絲與導(dǎo)線短時匹配性：熔斷絲短時間熔斷電流 （A）=熔斷絲額定電流 （A）×溫度系數(shù)×熔斷電流倍率；片式熔斷絲熔斷電流倍率選2倍，則熔斷絲熔斷時間為5s?？刹殚唽?dǎo)線在5s時的發(fā)煙電流。要求導(dǎo)線5s發(fā)煙電流大于熔斷絲短時熔斷電流。

5） 計算熔斷絲與導(dǎo)線長時匹配性：查閱導(dǎo)線樣本，要求導(dǎo)線長時發(fā)煙電流大于熔斷絲長時熔斷電流。熔斷絲長時熔斷電流（A）=熔斷絲額定電流（A）×環(huán)境溫度系數(shù)。

6） 計算導(dǎo)線限制長度：限制長度（m）=公稱電壓（V）/短時間熔斷電流（A）/［電線阻值（Ω/m）×溫度系數(shù)］。

7） 試驗驗證：CPT試驗驗證，單負載、全負載、短路、靜態(tài)驗證。

8） 結(jié)果分析及熔斷絲壽命計算：根據(jù)CPT試驗驗證結(jié)果，確認回路是否異常。根據(jù)測試電流波形，計算熔斷絲耐沖擊次數(shù)。其中計算公式如下。

負荷電流（A）=［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］

熔斷絲必要額定電流 （A）=［負荷電流 （A）/負荷余量率（%）］×100

熔斷絲短時間熔斷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×熔斷電流倍率

電線容許電流（A）=周圍溫度容許電流（A）×電線線束減低系數(shù)

熔斷絲最適合負荷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×負荷余量率（%）/100

周圍溫度電線阻值（Ω/m）=電線阻值（Ω/m）×［1+0.00393×［周圍溫度（℃）-電線阻值測定溫度（℃）］］

容許回路阻值（Ω）=公稱電壓（V）/短時間熔斷電流（A）

電線長限度（m）= 回路允許阻值（Ω）/周圍溫度電線阻值（Ω/m）

根據(jù)以上計算方法，在EXCEL表格中編寫公式，形成計算模板。熔斷絲與導(dǎo)線匹配計算表模板及各項目應(yīng)用情況如圖11所示。

圖11 計算表模板

4 總結(jié)

線束回路越來越多，線束系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，一輛整車上面至少有幾百個回路。面對日益復(fù)雜的線束系統(tǒng)，對線束設(shè)計提出了很高的要求，在設(shè)計匹配整車線束時，不僅要充分計算校核各回路導(dǎo)線、熔斷絲、開關(guān)及電器件的匹配情況，還需詳細完備地通過試驗測試每個線束回路工作狀況，檢驗整車線束匹配的合理性及安全性。線束回路設(shè)計得不夠合理，輕則導(dǎo)致電器件功能失效或故障，影響功能使用甚至行車安全，重則因電器件或線路的燒蝕而引起整車失火。

該計算及驗證方法已經(jīng)應(yīng)用某皮卡、輕客車型，大大提升了車輛線路安全性。新計算方法通過CPT驗證，未發(fā)現(xiàn)理論計算與實物試驗有不一致的問題，計算方法科學(xué)、有效。同時，由于選擇適配了最優(yōu)熔斷絲和導(dǎo)線方案，線束質(zhì)量得到降低，成本得到了優(yōu)化。