汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

2019年10月11日05:50:45 评论 76

这几天公众号的推送是一个系列的文章,前两天已经介绍了导线的类型、特性、选型概要,对于导线的选型,结尾写的不是非常清楚,本文是作为前两篇的文章作为一个补充,来具体说说汽车导线与熔断器的匹配选型的流程及方法。

1 选型流程

关于导线的选型,之前说过,先选保险,再选导线,最后做计算匹配。即,

根据负载的电流特性、保险丝的工作环境确定保险丝的容量,再根据负载特性和线束的环境来计算所需线径。对于有保险丝保护的回路,需要进行线束与保险丝的匹配校核,进一步确定线径。

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

保险丝和导线选取完了,还有重要的一项,试验验证

2 负载类型的确定及负载电流的计算

负载包括连续性负载和间歇负载。

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

连续负载。从开关被打开,直到关闭为止,电流持续流经所产生的负载被称为连续负载。

间歇性负载。打开开关后,当手放开或过段时间自动关闭,只在操作时短时间有电流流动的负载称为间歇性负载。

负载电流的计算方法。

负载电流=( 负载额定功率/ 标称电压) ×( 实际电压/ 标称电压)

额定功率 (W) ,负载的额定功率; 标称电压(V),负载的额定功率定义时电压, 一般为12V;实际电压 (V),实际加载在电气负载上的电压,一般取13.5V或14V。

3 熔断器的计算选型

熔断器也叫做保险丝,是一个热能响应元件, 是为了保护线束而有意设计和制造成线路中最弱的一部分。熔断丝在通过过载电流熔断后,外形要保持完好,能正常从固定座上取下。

熔断器的选择包括熔断器种类选择和熔断器额定容量的选择。

3.1 熔断器种类选择

根据熔断特性不同, 可以把熔断器分成快熔型和慢熔型。

快熔型熔断器在承受超过额定容量时能够迅速熔断,熔断时间短;慢熔型熔断器相对快熔型熔断器熔断时间稍长, 且能够承受极短时间内的冲击电流和过载电流。

快熔型熔断器常用在阻性电路中, 保护一些对电流变动特别敏感的元器件, 常见的快熔型熔断器有Mini、ATO等类型,适用于电阻性负载或灯光负载;

慢熔熔断器常用在电路状态变化时有较大浪涌电流的感/容性电路中,它能承受开关机时浪涌脉冲的冲击, 而真正出现故障时仍能较快地断开电路, 常见的慢熔型熔断器有JCASE、MIDI、MEGA等类型, 适用于电机类负载,如风扇、发电机等。

3.2 熔断器容量选择

首先回答什么是熔断器的容量?

熔断器的额定容量又称熔断器容量, 是熔断器产品标称值。

实现熔断器保护导线的功能需要保证: 在正常负载电流工况下熔断器不会熔断,而在长时过载或短路情况下熔断器必须熔断。这就要求熔断器承受某个特定的电流值,而这个电流值, 一般用熔断器额定容量表示。

熔断器额定容量要求大于负载电流, 熔断器若持续安全地承载负载电流, 就要求有一定的负载余量率。

负载余量率(%) 是持续工作负载电流与熔断器额定容量的比值,与熔断器类型有关(一般情况下,快熔型熔断器为额定电流的75%, 慢熔型熔断器为额定电流的50%)。具体选多少参考公司标准,也有标准里面写的是85%。不管怎样最后都要做相关实验验证。

此外熔断器容量还与环境温度有关, 温度升高时, 熔断器实际容量会减小, 实际计算时用温度修正系数进行修正。

温度修正系数随温度变化而变化, 与温度成线性关系, 由温度折减速率决定, 温度折减速率为负值。温度修正系数=1+(T-25℃)×温度折减速率。

不同类型有不同的温度折减速率: 快熔型温度折减速率为-0.15%/℃,慢熔型温度折减速率为-0.14% /℃。(每个保险丝可能不一样,具体的看保险丝规格书)

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

熔断器选择计算公式:理想熔断器额定电流=负载电流/ 负载余量率/温度修正系数。

根据上式可以求出理想熔断器额定电流, 但通常不是整数值, 还需要再根据厂家提供的熔断器规格选择熔断器额定容量, 即熔断器额定电流(整数值)。

熔断器规格额定电流选择原则: 熔断器额定电流大于且接近熔断器必要额定电流

关于熔断器的共用问题,可以参考如下原则:

1) 安全件最好使用独立熔断丝。安全件既包含国标定义的, 还有各主机厂自行定义的, 如位置灯、示宽灯、近光灯等。需要为这样的零件单独配置熔断丝。

2) 安全件、非安全件不可共用熔断丝。这是为了防止因非安全件回路短路导致熔断丝熔断, 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断丝。这在设计中非常常见, 例如将2个远光灯共用一个熔断丝等。

4) 不同时工作的负载可以共用熔断丝。车辆上有些设备不会同时工作, 这时共用熔断丝可以提高熔断丝的利用率。

有些资料里面提到负载峰值电流系数的概念,这里一并拿出来,见下图。大家设计过程中可以自行体会。

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

4 导线的选型计算

导线的选择需要根据上游熔断器容量以及导线使用温度进行匹配, 导线选择包括导线种类选择和导线线径选择, 一般先选导线种类, 再选导线线径。关于导线线种的类型选择见之前的文章浅谈汽车线束导线的线号、线色与线径选择,这里只谈线径的选择。

导线线径的选用的原则是,导线的电流一时间特性曲线必须高于串接在其内的熔断丝电流一时间特性曲线。

首先根据线束的环境温度基本确定导线的材质,再计算所需的线径。一般分为无保险丝保护和有保险丝保护两种情况。

4.1 无保险丝保护的回路

无保险丝保护的回路一般是信号连线等非电源供给回路,在设计时需要考虑额定工作电流、因线路阻抗产生的压降、脉冲电流的温升情况。

导线中额定工作电流的计算

根据线束的设计,如果是电源回路(不包括电流很弱的控制信号回路),需确定成捆线束里电源回路的数量,并对其进行系数折算,公式如下:

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

根据计算出来的Ih 和相应的环境温度,选择合适的线径。

线路阻抗产生的压降

导线压降计算:压降=导线长度 x 导线的电阻率 x 回路中的额定电流

需要确定电压降是否满足系统要求,如果不满足则应通过调整回路的线径(或通过改变走向简短线长)来改变电阻率,直至电压降满足系统要求。

4.2 有保险丝保护的回路

在有保险丝保护的线路中,根据确定好的保险丝的额定容量进行线径的选择。

除了需进行上述的计算以外,还需要进行线束与保险丝的匹配校核和短路电流的校核,做法如下。

只需要保证,导线的发烟特性曲线应位于保险丝的熔断特性曲线上方并且无交叉,即导线在任意发烟电流下的发烟时间需大于保险丝的熔断时间。

汽车线束导线与熔断器的选择流程及设计方法

实际上对于普通车用低压保险丝和线束而言,要满足上述条件只需确保导线不发烟的最大电流大于保险丝的最低熔断电流即可。

导线不发烟的最大电流可以直接查导线的规格书就可以得到,也可以直接查导线的发烟特性曲线得出。

导线与熔断器的匹配校核

对于有保险保护的回路中,同无保险保护的回路一样,需要关注导线的长度。

要求熔断器匹配的导线电阻应小于等于熔断器容许的电阻。如果设计不满足式(7), 就需要修改设计, 要么重新布线减短导线长度L线, 或者加粗导线的标称截面积[4]。

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5 线束测试验证

5.1 短路测试

短路指车载导线未经过任何用电器或者负载直接搭铁接通所形成的闭合回路。

短路引起的导线失效一般是因为流经导线导体的电流超大, 瞬间产生大量焦耳热, 导致导线温度变得异常高, 甚至接近1000℃,而引发绝缘层起火的过程。

导线导体为金属铜所做,而铜的熔点在1000℃以上,但导线绝缘层一般为聚氯乙烯树脂或者塑料等有机高聚物,其粘流态温度一般为300℃左右。所以线路在短路瞬间,金属导体一般不会有明显变化,而导线绝缘层会被这瞬间的高温所融化或者点燃冒白烟

所以短路对于车辆是致命的, 进行必要的短路测试是OEM制造商的责任。模拟支路短接到车架测试,支路之间的短路测试,负载内部短路测试,以及间歇性支路短路到车架测试等,短路测试需重点监测熔断器的熔断时间和导线绝缘层的温升。

5.2 过载测试

过载指在工作环境中流经车载导线的电流过大产生大量焦耳热,再热传递给导线绝缘层引起绝缘层的温度上升并超过了导线绝缘层的粘流态温度极限的过程。

过载后一般情况下熔断器是不会马上熔断的,在熔断器熔断之前的这段时间里导线绝缘层的温升就很重要, 温升过高导线绝缘层就会软化、热老化,从而影响导线寿命甚至引发火灾。

进行如单路过载测试、多路过载测试、间歇性过载测试以及高温过载测试等,是为了验证整车线束可能出现的过载情况下导线绝缘层的温升是否在设计的范围内。

以上短路和过载测试的目的是验证新车型线束匹配设计是否合理、可靠和满足整车需要,为预防和减少由车载线束设计不合理而引起的烧车事故。

相关参考资料:汽车电器相关文章;Little fuse汽车产品手册;太平洋精工保险丝选型资料;JASO D609—2001  汽车低压电线电流容量;JASO D608—1992  汽车用耐热低压电缆;JASO D611—2009  汽车用低压电线;QC/ T 420  汽车用熔断器。公众号资源汇总都有这些资料。

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