保险丝及导线匹配设计要点

2021年10月24日
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整车电路系统设计不合理或可靠性不能满足客户使用要求,导致整车电路系统损坏故障问题,而线路故障,是引发车辆火灾的主要原因之一。本文就汽车电路线束自燃原因进行分析,并对整车电路系统设计过程中熔断丝及导线匹配设计要点进行论述。

1 线束烧蚀原因分析

1.1 过载

过载是指线路或者部件工作的负荷超过额定值,导致电器电流过大,用电设备发热。线路长期过载会降低线路绝缘水平,出现短路甚至烧毁设备或线路。
1.2 短路
短路是指电流不流经用电器直接由导线接通(称闭合回路),相当于直接连接电源两极。电源短路时电路上的电流非常大,使导线的温度升高,严重时有可能造成自燃。
1.3 熔断器与线路匹配影响
熔断丝的选用需与导线线径匹配,位置应合理布置,否则会失去应有的电路保护作用。

2 熔断器在车辆线束设计中的作用

2.1 熔断器作用
熔断器是汽车线路中的重要保护器件,俗称保险丝,其作用是保护汽车线路及用电器,防止大电流(过载)及短路时,将电线或者电气设备烧毁,并防止电气过热起火。
2.2 熔断器工作原理
汽车熔断器是一种当电路电流超过规定值和规定时间时,能及时使电路断开的熔断式电路保护元件。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成,或用截面积甚小的良导体制成。线路在正常工作情况下,熔断器中的熔丝或熔片不会熔断,一旦发生短路或严重过载、电流超过规定值和规定的时间时,熔断器中的熔丝或熔片应立即熔断,起保护电路和电器设备之用。
因此如何合理的匹配熔断器及导线,对保证安全行车,快速诊断汽车电路故障具有重要作用。

3 熔断丝及导线匹配原则

3.1 保险线径匹配流程
用电器保险与导线的选择过程是:首先根据负载的额定功率计算出负荷电流,除以一定的负荷余量率后选择保险容量大小,然后根据保险大小及环境温度选择导线。
1)负载电流计算
负载电流If,计算公式如下:
保险丝及导线匹配设计要点(1)
式中:If—负载电流;Pe—负载额定功率;Ve—负载额定电压;Vd—电源电压。乘用车一般为14.5V,商用车一般为27V。
2)保险的额定电流计算
保险的额定电流Ie (A)为保险的环境温度额定电流(Ihe)
在保险的负载电流(Ibf)基础上大于等于一个等级。
保险丝及导线匹配设计要点(2)
式中:Ibf—保险的负载电流,If—负载电流公式(1)R—保险的负载余量率如表1 所示:
表1
保险丝及导线匹配设计要点
High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V : 引用Littelfuse 商品说明书的值以及JASO 610-1993)
环境温度保险额定电流:
保险丝及导线匹配设计要点(3)
式中:Ihe—环境温度保险额定电流
Ie -保险额定电流。根据保险厂家规定而选型
RR-保险的温度折减系数,发动机仓内温度为80℃时的值,驾驶室内温度为40℃时的值,具体数值需要根据选择保险厂家的特性曲线值而选定,如图1。
保险丝及导线匹配设计要点
图1
High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V:引用Littelfuse 商品说明书的值以及JASO 610-1993)。
环境温度保险额定电流(Ihe)≧保险的负载电流(Ibf)/温度折减系数。
根据公式1、公式2、公式3 及负载功率、负载电压选定了负载的保险值。
3)导线材质及线径选择
在确定保险丝的容量后,就可以进行线径的计算和选择了。首先根据表一确定环境温度,再根据导线的环境温度确定导线的材质,再根据图2 选择合适的线径。(以AVSS 线为例)。
表2
保险丝及导线匹配设计要点
保险丝及导线匹配设计要点
图2 周围温度对 AVSS 线额定电流影响
电线电流容量:
保险丝及导线匹配设计要点(4)
式中:Id—电线电流,I—电线环境温度电流(A)(图二),N—电线线束衰减系数。选择的导线,应当满足导线电流(Id)≧负载电流(If)。
表3
保险丝及导线匹配设计要点
电线电流容量线束减低系数 (引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001)。
4)导线与保险丝的匹配校核
理论上车辆的车身、发动机都是接蓄电池负极的,在车身上布置的电线导体与车身本体,中间是电线绝缘层、线束外敷物(胶带、波纹管等)、车身漆组成的绝缘电阻。汽车是复杂不规律的环境下使用的,随着绝缘老化或意外故障它们之间的电阻就可能处在(0,+∞)某一阻值,导致了电线中流过各种大小电流的情况成为可能。所以要求保险丝在各种电流的环境下都要先于电线发烟而熔断。
◆ 保险短时间熔断电流:
保险丝及导线匹配设计要点(5)
式中:Idr—保险短时间熔断电流;Ihe—环境温度保险额定电流;n—熔断电流倍率(由表4 中查得)。
◆ 保险长时间熔断电流
保险丝及导线匹配设计要点(6)
式中:Icr—保险长时间熔断电流;Ihe—环境温度保险额定电流;
保险短时间熔断电流Idr需要小于电线短时间发烟电流;保险长时间(1000S)熔断电流Icr 需要小于电线长时间发烟电流;电线的短时间冒烟电流及长时间冒烟电流均由图3 获得。
表4
保险丝及导线匹配设计要点
保险丝及导线匹配设计要点
( 引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001)
图3
5)计算导线长限度
导线最大长度L为:
保险丝及导线匹配设计要点(7)
式中:L—导线最大长度;rh—环境温度回路电阻;rT2—环境温度导线电阻。
环境温度回路电阻:
保险丝及导线匹配设计要点(8)
式中:V e—负载额定电压;Idr—保险短时间熔断电流;公式(5)。
保险丝及导线匹配设计要点(9)
式中:rT2—环境温度导线电阻;r20—r20是在20℃下的导体阻值
T2—导体最高使用温度
3.2 熔断丝与导线匹配实例
JAC 某车型,按照以上计算方法,得出部分负载熔断丝及导线选型如下:
表5
保险丝及导线匹配设计要点
保险丝及导线匹配设计要点

4 总结

上述计算方法与结果已在实际使用,并得到验证.回路的工作安全可靠。通过本文可以看,汽车线束的被动保护一直是依靠保险丝,但保险丝有其局限性。随着 CAN 网络和电力电子技术在汽车上的应用与发展,利用监测电路电流、电压、绝缘性等数据并对数据进行处理的智能配电模块将会成熟并普及。线束故障报警与故障诊断功能系统将实现,使排查故障变的简单而准确并提高了汽车安全性。
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