線束加工廠

汽車線束導線與熔斷器的選擇

  1 選型流程

  關于導線的選型,之前說過,先選保險,再選導線,最后做計算匹配。即根據負載的電流特性、保險絲的工作環境確定保險絲的容量,再根據負載特性和線束的環境來計算所需線徑。對于有保險絲保護的回路,需要進行線束與保險絲的匹配校核,進一步確定線徑。

  保險絲和導線選取完了,還有重要的一項,試驗驗證。

  2 負載類型的確定及負載電流的計算

  負載包括連續性負載和間歇負載。

  連續負載。從開關被打開,直到關閉為止,電流持續流經所產生的負載被稱為連續負載。

  間歇性負載。打開開關后,當手放開或過段時間自動關閉,只在操作時短時間有電流流動的負載稱為間歇性負載。

  負載電流的計算方法。

  負載電流=( 負載額定功率/ 標稱電壓) ×( 實際電壓/ 標稱電壓)

  額定功率 (W) ,負載的額定功率;標稱電壓(V),負載的額定功率定義時電壓, 一般為12V;實際電壓 (V),實際加載在電氣負載上的電壓,一般取13.5V或14V。

  3 熔斷器的計算選型

  熔斷器也叫做保險絲,是一個熱能響應元件, 是為了保護線束而有意設計和制造成線路中最弱的一部分。熔斷絲在通過過載電流熔斷后,外形要保持完好,能正常從固定座上取下。

  熔斷器的選擇包括熔斷器種類選擇和熔斷器額定容量的選擇。

  3.1 熔斷器種類選擇

  根據熔斷特性不同, 可以把熔斷器分成快熔型和慢熔型。

  快熔型熔斷器在承受超過額定容量時能夠迅速熔斷,熔斷時間短;慢熔型熔斷器相對快熔型熔斷器熔斷時間稍長, 且能夠承受極短時間內的沖擊電流和過載電流。

  快熔型熔斷器常用在阻性電路中, 保護一些對電流變動特別敏感的元器件, 常見的快熔型熔斷器有Mini、ATO等類型,適用于電阻性負載或燈光負載;

  慢熔熔斷器常用在電路狀態變化時有較大浪涌電流的感/容性電路中,它能承受開關機時浪涌脈沖的沖擊, 而真正出現故障時仍能較快地斷開電路, 常見的慢熔型熔斷器有JCASE、MIDI、MEGA等類型, 適用于電機類負載,如風扇、發電機等。

  3.2 熔斷器容量選擇

  首先回答什么是熔斷器的容量?

  熔斷器的額定容量又稱熔斷器容量, 是熔斷器產品標稱值。

  實現熔斷器保護導線的功能需要保證:在正常負載電流工況下熔斷器不會熔斷,而在長時過載或短路情況下熔斷器必須熔斷。這就要求熔斷器承受某個特定的電流值,而這個電流值, 一般用熔斷器額定容量表示。

  熔斷器額定容量要求大于負載電流, 熔斷器若持續安全地承載負載電流, 就要求有一定的負載余量率。

  負載余量率(%) 是持續工作負載電流與熔斷器額定容量的比值,與熔斷器類型有關(一般情況下,快熔型熔斷器為額定電流的75%, 慢熔型熔斷器為額定電流的50%)。具體選多少參考公司標準,也有標準里面寫的是85%。不管怎樣最后都要做相關實驗驗證。

  此外熔斷器容量還與環境溫度有關, 溫度升高時, 熔斷器實際容量會減小, 實際計算時用溫度修正系數進行修正。

  溫度修正系數隨溫度變化而變化, 與溫度成線性關系, 由溫度折減速率決定, 溫度折減速率為負值。溫度修正系數=1+(T-25℃)×溫度折減速率。

  不同類型有不同的溫度折減速率:快熔型溫度折減速率為-0.15%/℃,慢熔型溫度折減速率為-0.14% /℃。(每個保險絲可能不一樣,具體的看保險絲規格書)

  熔斷器選擇計算公式:理想熔斷器額定電流=負載電流/ 負載余量率/溫度修正系數。

  根據上式可以求出理想熔斷器額定電流, 但通常不是整數值, 還需要再根據廠家提供的熔斷器規格選擇熔斷器額定容量, 即熔斷器額定電流(整數值)。

  熔斷器規格額定電流選擇原則:熔斷器額定電流大于且接近熔斷器必要額定電流。

  關于熔斷器的共用問題,可以參考如下原則:

  1) 安全件最好使用獨立熔斷絲。安全件既包含國標定義的, 還有各主機廠自行定義的, 如位置燈、示寬燈、近光燈等。需要為這樣的零件單獨配置熔斷絲。

  2) 安全件、非安全件不可共用熔斷絲。這是為了防止因非安全件回路短路導致熔斷絲熔斷, 造成安全件不可工作的不良后果。

  3) 功率不大的非安全件可以共用熔斷絲。這在設計中非常常見, 例如將2個遠光燈共用一個熔斷絲等。

  4) 不同時工作的負載可以共用熔斷絲。車輛上有些設備不會同時工作, 這時共用熔斷絲可以提高熔斷絲的利用率。

  有些資料里面提到負載峰值電流系數的概念,這里一并拿出來,見下圖。大家設計過程中可以自行體會。

  4 導線的選型計算

  導線的選擇需要根據上游熔斷器容量以及導線使用溫度進行匹配, 導線選擇包括導線種類選擇和導線線徑選擇, 一般先選導線種類, 再選導線線徑。關于導線線種的類型選擇見之前的文章淺談汽車線束導線的線號、線色與線徑選擇,這里只談線徑的選擇。

  導線線徑的選用的原則是,導線的電流一時間特性曲線必須高于串接在其內的熔斷絲電流一時間特性曲線。

  首先根據線束的環境溫度基本確定導線的材質,再計算所需的線徑。一般分為無保險絲保護和有保險絲保護兩種情況。

  4.1 無保險絲保護的回路

  無保險絲保護的回路一般是信號連線等非電源供給回路,在設計時需要考慮額定工作電流、因線路阻抗產生的壓降、脈沖電流的溫升情況。

  導線中額定工作電流的計算

  根據線束的設計,如果是電源回路(不包括電流很弱的控制信號回路),需確定成捆線束里電源回路的數量,并對其進行系數折算,公式如下:

  根據計算出來的Ih 和相應的環境溫度,選擇合適的線徑。

  線路阻抗產生的壓降

  導線壓降計算:壓降=導線長度 x 導線的電阻率 x 回路中的額定電流

  需要確定電壓降是否滿足系統要求,如果不滿足則應通過調整回路的線徑(或通過改變走向簡短線長)來改變電阻率,直至電壓降滿足系統要求。

  4.2 有保險絲保護的回路

  在有保險絲保護的線路中,根據確定好的保險絲的額定容量進行線徑的選擇。

  除了需進行上述的計算以外,還需要進行線束與保險絲的匹配校核和短路電流的校核,做法如下。

  只需要保證,導線的發煙特性曲線應位于保險絲的熔斷特性曲線上方并且無交叉,即導線在任意發煙電流下的發煙時間需大于保險絲的熔斷時間。

  實際上對于普通車用低壓保險絲和線束而言,要滿足上述條件只需確保導線不發煙的最大電流大于保險絲的最低熔斷電流即可。

  導線不發煙的最大電流可以直接查導線的規格書就可以得到,也可以直接查導線的發煙特性曲線得出。

  導線與熔斷器的匹配校核

  對于有保險保護的回路中,同無保險保護的回路一樣,需要關注導線的長度。

  要求熔斷器匹配的導線電阻應小于等于熔斷器容許的電阻。如果設計不滿足式(7), 就需要修改設計, 要么重新布線減短導線長度L線, 或者加粗導線的標稱截面積[4]。

  5 線束測試驗證

  5.1 短路測試

  短路指車載導線未經過任何用電器或者負載直接搭鐵接通所形成的閉合回路。

  短路引起的導線失效一般是因為流經導線導體的電流超大, 瞬間產生大量焦耳熱, 導致導線溫度變得異常高, 甚至接近1000℃,而引發絕緣層起火的過程。

  導線導體為金屬銅所做,而銅的熔點在1000℃以上,但導線絕緣層一般為聚氯乙烯樹脂或者塑料等有機高聚物,其粘流態溫度一般為300℃左右。所以線路在短路瞬間,金屬導體一般不會有明顯變化,而導線絕緣層會被這瞬間的高溫所融化或者點燃冒白煙。

  所以短路對于車輛是致命的, 進行必要的短路測試是OEM制造商的責任。模擬支路短接到車架測試,支路之間的短路測試,負載內部短路測試,以及間歇性支路短路到車架測試等,短路測試需重點監測熔斷器的熔斷時間和導線絕緣層的溫升。

  5.2 過載測試

  過載指在工作環境中流經車載導線的電流過大產生大量焦耳熱,再熱傳遞給導線絕緣層引起絕緣層的溫度上升并超過了導線絕緣層的粘流態溫度極限的過程。

  過載后一般情況下熔斷器是不會馬上熔斷的,在熔斷器熔斷之前的這段時間里導線絕緣層的溫升就很重要, 溫升過高導線絕緣層就會軟化、熱老化,從而影響導線壽命甚至引發火災。

  進行如單路過載測試、多路過載測試、間歇性過載測試以及高溫過載測試等,是為了驗證整車線束可能出現的過載情況下導線絕緣層的溫升是否在設計的范圍內。

  以上短路和過載測試的目的是驗證新車型線束匹配設計是否合理、可靠和滿足整車需要,為預防和減少由車載線束設計不合理而引起的燒車事故。

  相關參考資料:汽車電器相關文章;Little fuse汽車產品手冊;太平洋精工保險絲選型資料;JASO D609—2001 汽車低壓電線電流容量;JASO D608—1992 汽車用耐熱低壓電纜;JASO D611—2009 汽車用低壓電線;QC/ T 420 汽車用熔斷器。公眾號資源匯總都有這些資料。

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