汽车保险丝的选择与合并及容量计算方法(深度解析)

2019年12月28日 评论 1,921 5937字

在进行整车架构原理设计过程中,保险丝的选择是线束系统工程师不可或缺的知识技能储备。在学习了很多同仁对车用保险丝的选择研究的基础上,小孙结合自身的从业经验,对车用保险丝的选型内容及方法进行全面的分析介绍。(全文很长,建议静下心来再阅读)

1 保险丝的工作机理

我们在进行保险丝的选择设计之前,必须真正明白2点:1.为什么线束中要加保险丝?2.保险丝的工作机理是什么?

1 为什么线路中要加保险丝?

保险丝是一种热能响应装置,它是对导线进行保护的电气元件。如果线路中没有加保险丝,那么一旦电路过载,短路发生时,流经导线的电流大小超过导线的承载电流,此时导线发生自燃,引发安全事故(烧车)。值得提醒的是,保险丝的作用主要是为了保护导线

导线的自然现象见下图:

汽车保险丝的选择与合并及容量计算方法(深度解析)

这里再强调一下,在电路中,保险丝只能保护保险丝之后的导线,故保险尽量设置在靠近电源的位置。倘若距离太远的话,考虑设置上一级保险。

2 保险丝的工作机理是什么?

在选择保险丝前,弄明白保险丝的主要作用及工作机理很重要,是理解保险丝容量的选择设计公式的前提。

保险丝的工作机理是,在电路短路时,在导线冒烟着火时能够及时的熔断,以便对电路进行切断,防止电线燃烧,引起整车自燃。因此,有必要在每一个用电回路设置保险丝(熔断器)进行线路保护。

保险丝的具体工作原理如下:

保险丝具有一定电阻,在流过电流时导体会发热,随着时间增加发热量增加,电流与电阻也增加了产热速度,保险丝的构造与其安装确定了散热速度。

若: 产热速度< 散热速度,保险丝是不会熔断的;

若: 产热速度 = 散热速度,在相当长时间内也不会熔断;

若: 产热速度> 散热速度,热量聚集,当温升达到保险丝的熔点以上保险丝就发生了熔断。

这就是保险丝的工作原理。

在电路设计中,保险丝被串在电路电源侧,当负载过电流、器件或导线短路,电流产生的热量在保险丝截面积较小的部分达到熔点而熔断,保护了该回路的导线,下图就是保险丝的熔断过程示意图。

汽车保险丝的选择与合并及容量计算方法(深度解析)

关于保险丝和导线匹配的作用机理,我之前还写了一篇文章,感兴趣的可以看下(保险丝与导线的匹配设计)。

2 保险丝的类型及重要参数

理解了保险丝的工作机理后,我们还需要知道保险丝的类型及重要参数,才能对保险丝做出正确选择。

在汽车电路设计中,保险丝的种类有熔断器、易容线、断路器。具体的使用环境如下:

1)熔断器

熔断器的保护元件是熔丝,串联在其所保护的电路中。 熔断器为一次性器件, 使用须注意:

  • 熔断器熔断后,必须先查找故障原因。并彻底排除。
  • 更换熔断器时,一定要与原规格相同,特别不能使用比规定容量大的熔断器,否则将失去保护作用。
  • 熔断器支架与熔断器接触不良会产生电压降和发热现象。因此,特别要注意检查有无氧化现象和脏污。若有脏污和氧化物,须用细砂纸打磨光,使其接触良好。

2)易熔线

易容线通常连接在电源线路和通过电流较大的线路上,用于保护总体线路或较重要电路。如北京切诺基设有五条易熔线,分别保护充电电路、预热加热器、雾灯、灯光及辅助电路。

3)断路器

断路器用于正常工作时容易过载的电路中,其原理是利用双金属片受热变形使触点分离。断路器主要有两种类型,1 自恢复式断路器:过载变形自动自动切断,冷却后自动复位,如此往复直到电路不过载。2 按压恢复式断路器:排除故障后,须按下按钮手动复位。

关于各类保险丝的具体种类及主要参数可以直接去保险丝的官网上看,找保险丝的产品手册。目前,保险丝的主要市场是力特(www.littelfuse.cn)和太平洋精工(www.pecj.co.jp/ch/fuse/)。线束其他扎带,接插件等子部件供应商网站可以查看小孙的工作分享网站里面的线束从业导航

当然,你也可以在线束工程师微信公众号后台回复“保险丝”直接获取产品目录。部分截图如下:

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如果您想对保险丝的选型了解的更全面,可以购买付费资料。在线束设计资料包(付费资料)里面有更详尽的内容。

3 保险丝的选择的容量计算方法

前文已经详细的介绍了保险丝的工作机理及保险丝的类型,在进行保险丝的选择之前,光了解这些还不够,我们必须对负载的类型进行确认,然后再根据对应的容量计算方法正确选择保险丝的类型及额定容量。

1 负载类型的确定

负载包括连续性负载和间歇负载。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。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。性负载和间歇负载所对应的负载电流曲线如下图所示。

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2 保险丝容量计算方法

在确定负载的类型后,需要根据负载的特性确定保险的类别。一般来讲电机,阀等电感类负载使用慢熔保险,电阻型的负载使用快熔保险。也可以根据具体的负载电流特性进行选择,比如熔断时间超过负载的峰值电流时间,则可以选择快熔保险丝,若不能满足则需选择慢熔保险丝。

目前流行的保险丝容量计算方法主要有以下种,以下仅仅是对各种公式总结性的介绍,如下:

1)公式1(连续性负载使用-力特推荐-快熔):

I保险丝=I工作/(0.75*K)

在常温(25°C)下选择保险丝额定电流的75%为工作单位,当环境温度升高时,保险丝的载流能力会下降,温度下降系数为0.15%/°C。

其中:K=1-(T-25°C)*0.15%/°C,即温度系数;I保险丝为保险丝的额定电流,即保险丝的容量;I工作为负载工作的实际电流;T为负载工作的环境温度。

说明:公式中的温度系数K可以根据不同类型的保险丝温度性能曲线来确定。

2)公式2(连续性负载使用-太平洋精工推荐-快熔):

I保险丝=I工作/(0.70*K)

其中:K=1-(T-25°C)*0.15%/°C,即温度系数;I保险丝为保险丝的额定电流,即保险丝的容量;I工作为负载工作的实际电流;T为负载工作的环境温度。

3)公式3(非连续性负载使用-太平洋精工推荐-慢熔):

I保险丝=I工作/(0.50*K)

其中:K=1-(T-25°C)*0.14%/°C,即温度系数;I保险丝为保险丝的额定电流,即保险丝的容量;I工作为负载工作的实际电流;T为负载工作的环境温度。

4)公式4(所有负载)

保险丝的额定容量=电路最大工作电流/80%

5)公式5(所有负载)

保险丝容量(F)≥负载工作电流/(负载特性*峰值电流时间*负载装配区域*保险丝匹配区域)

负载特性包括连续负载和间断负载,连续负载是指工作时间在10s以上的用电设备,系数取0.8,间隙负载是指工作时间在10s以下的用电设备,系数取1.1。

峰值电流时间:如出现峰值电流的时间小于0.2s的为1.0,如果时间大于大于0.3s的为0.7.(说明,结合现在电器件的设计水平,暂定出现峰值电流时间大于0.3s)

负载装配区域,如布置在室内则系数为1.0,如布置在发动机舱则系数为0.9

保险丝的安装区域,如保险丝单独连接则系数为1.0,如安装在保险丝盒内则系数为0.9

例如:喇叭保险丝,工作电流是8A,则保险丝的容量≥8A/(1.1*0.7*0.9*0.9)=13A,故保险丝取15A保险。

负载工作电流的计算方法/公式:

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。

需要注意的是,保险丝的容量选取不可过大,否则,会造成保险丝成本的无谓的增加,也导致相应的导线线径无谓的加大,从而增加了导线的使用量,造成成本的增加

关于保险丝容量计算的公式大同小异,我个人理解,保险丝供应商出于保险丝可靠性的考虑,存在过设计,会不可避免的增加导线线径,造成设计浪费。

大家在保险丝容量计算的时候,可以综合考虑。建议在保险丝选型设计的时候,参考过往车型的保险丝选型设计,设计结束后做试验进行验证。

为了便于快速计算,建议大家参考公众号里面的保险丝资料包的内容格式,根据计算公式,做Excel表方便快速计算,同时建立保险丝选型数据库,方便查询,做到心中有数。

4 保险丝的合并选择原则

由于整车电源的回路太多,我们在进行保险丝选择的时候不可避免的要将多个零部件的电源回路,共同设计一个保险丝进行保护,那么哪些零部件可以共用保险丝,哪些必须单独保护,保险丝的合并选择原则是什么呢?

保险丝的作用是保护导线。 保险丝容量的选择依据电气设备的容量及其负荷的状态属性而定。一只保险丝
可以保护一段导线,也可以同时保护若干条导线,这要依据负荷的重要程度而定。

1 保险丝共用选择与用电器的重要程度,安全级别有关

注意当环境温度升高时,保险丝的载流能力会下降。一般情况下,对整车电器件,用电负荷按重要程度分为三类:

1) 重要件

包括发动机控制单元(PCM)、刹车防抱死系统控制单元(ABS)及安全气囊系统控制单元(SAS)及其它涉及整车安全的控制单元。该类电负荷不仅对于整车性能及安全至关重要,而且该类电气设备属敏感设备,易受其它用电设备干扰。因此,对于该类用电设备必须单设保险丝

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2) 一般重要件

包括发动机各类传感器、各类报警信号灯和外部照明灯、前风档清洗装置、喇叭等等。

该类电负荷同样对于整车性能及安全至关重要,但该类电负荷对相互之间的干扰并不敏感,因此,对于该类电负荷可以根据情况相互组合,共同使用一个保险丝

3) 普通件

包括汽车音响系统、电加热座椅、杂物箱照明、电动后视镜、电举窗系统等等。

该类电负荷对于整车而言,重要性并不是很大。一般为增进司乘人员的舒适性而加设的电气设备。因此,对于该类电负荷可以根据情况相互组合,共同使用一个保险丝

2 保险丝的共用选择与负载的类型、电流有关

在共用保险丝前,需要确定负载的类型(电容/电感/电阻),只有负载类型相同的用电器,保险丝才能共用。

为了便于维修性,为了是设计更美,共用保险丝前需要详细功能件之间是否有使用功能之间的联系,建议只有当功能件有联系时,才共同保险丝。

单独计算负载电流的大小。只有小电流(不超过1A)的才能共用,大电流一般单独设置保险。

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3 保险丝的共用选择与负载的位置有关

在保险丝的选型过程中,共用保险丝的主要设计目的是为了降低成本,因此必须明确负载的整车位置,在共用保险丝的设计过程中,要避免导线绕的过长。

4 保险丝的共用原则17条经验总结

  1. 安全件最好使用单独的保险丝。安全件既包含国标定义的,还有主机厂自行定义的,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. 发动机ECU、ABS等对于整车性能及安全影响大,及其他易受其他用电设备干扰的电器件必须单设熔断器;
  3. 发动机传感器、各类报警信号灯和外部照明灯,喇叭等电器件对整车性能及安全影响也较大,但该类电负荷对相互之间的干扰并不敏感,这类电器件可以根据实际情况相互组合,共同使用一个熔断器;
  4. 安全等级相同的电气回路可使用同一保险丝,必须杜绝由于非重要回路导致保险丝断掉,造成汽车无谓的熄火。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 冲击负载要与安全等级高的控制器分开使用保险丝。
  9. 冲击负载与感性负载可用同一保险丝,不能与弱电流负载合用同一保险丝。
  10. 对于为了增加舒适性而设置的普通电器件类的负载,可以根据实际情况,相互组合,共同使用一个熔断器;
  11. 熔断器分为快熔和慢熔。慢熔保险主要用在感性负载的电路中,如电机电路;
  12. 电阻型的负载和电感型的负载尽量避开使用同一个熔断器;
  13. 脏电流(感性和电容负载、PWM波形负载,大电流负载等)、大电流用电器使用单独的保险,如鼓风机、风扇、车窗、除霜等;
  14. 高低电流回路(电流差5A以上)不共用一个保险。
  15. 在合并保险丝时,需要考虑功能件在整车的的安装位置是否相同;
  16. 在合并保险丝时,需要考虑功能件之间是否有使用功能之间的联系;
  17. 在合并保险丝时,需要考虑功能件的电源/通信信号是否一致。

5 保险丝选择的相关测试验证

以上关于保险丝的选择是理论部分的,任何设计都需要形成闭环,在保险丝选型设计完成后,必须要对设计进行验证,尤其是全新开发的车型。对于保险丝的选型的设计验证主要有电路短路试验,过载试验。

5.1 短路测试

短路是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。

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。

整车电路系统短路试验是在新车型开发过程中进行的一项测试, 其目的就是查出电路中潜在的不安全因素, 同时为优化电路系统提供支持。

短路测试有两个作用,一个是为了检验设计过程中的安全隐患,另一个是优化线路设计,消除过设计,为线束的轻量化和降成本服务。

汽车保险丝的选择与合并及容量计算方法(深度解析)

常见的短路测试电路图如上图,一般需要一套直流稳压电源,模拟汽车启动后发电机发电,稳压电源即为发电机的输出电压,一般为14±0.2V。此外还需一套短路设备,比如示波器,断路开关等。

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。

6 保险丝选择的参考资料

汽车电器相关文章,不一一列举;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。关于保险丝的选择资料包,在线束设计资源汇总资料包里面都有,感兴趣的可以查看。

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作者:散漫,微信:mxq8329

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