原理设计6:导线的系统选型方法

2020年10月14日 评论 289 6174字

一般来讲,整车线束中导线的重量和价格占比能够达到70%以上,导线选型的合理性将直接影响到整车线束的重量及成本。导线选型合理可靠,可有效节约线束综合成本,降低线束的总体质量,保证汽车功能安全运行。汽车线束用电线的选择,需考虑电气性能和车载时物理性能,主要从导线类型、导线截面积、导线颜色三方面进行选择。

原理设计6:导线的系统选型方法

图:导线选型设计流程图

1导线型号的选择

导线类型又称为导线线种,导线选择的第一步是先确定导线的类别,本节主要介绍车用导线的类别及导线类型选择的依据

1)按标准分类

低压汽车导线按照标准不同主要分国标线、日标线、德标线、美标线等4大系列。选用导线类型重点考虑线束所处的环境和功能,每个标准系列下的导线也有很多子类供选择,如:

  1. 国标:QVR、QVR-105、QFR、QVVR等;
  2. 德标:FLRY-A、FLRY-B、FLR4Y、FLR13Y等;
  3. 日标:AV、AVS、AVSS、CAVS、AVX、AEX等;
  4. 美标:GXL、TWP、TXL、GPT、HDT、STS等。

日标导线的特点是薄皮绝缘,柔韧性较好;国标导线的特点是绝缘皮厚,比较柔软,延展性好;德标导线绝缘皮更薄,柔韧性好;美标导线绝缘皮一般为热塑性或热固性弹性体,还有经过辐照工艺加工的。可根据用户的需求和不同的工作环境选取适当类型的导线。在汽车行业里面,目前德标线使用的最多,日标线主要是日系车使用。

不同系列的导线的参照标准(在线束工程师公众号里面回复关键词“导线标准”即可获取以下全部导线标准)如下:

1)国标线缆参照标准:GB/T8139、JB/T8139、QC/T730、QC/T1037

2)日标线缆参照标准:JASO_D608、JASO_D609、JASO_D611、JISC_3406

3)德标线缆参照标准:ISO_6722、DIN_72550、DIN_72551、DIN_76772、VW_60306、LV_112-3

4)美标线缆参照标准:SAE_J1128、SAE_J1678、USAR-21。

2)按用途分类

从用途上分,汽车线束上的导线大致可以分为普通导线、双绞线和屏蔽线。

普通导线应用最广泛,不再赘述。

双绞线是由两根带绝缘层的普通细电线按一定的比例相互缠绕而成的,如下图所示:

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图:双绞线

双绞线原理是:若外界电磁信号在2条导线上产生的干扰大小相等且相位相反,这个干扰信号就会相互抵消。双绞是消除干扰最简单的一种方式,在一些要求不是很严格的情况下可以使用双绞线。

屏蔽线分为铝箔屏蔽线和编织网屏蔽线,如下图所示:

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图:屏蔽线

铝箔主要是用于屏蔽高频电磁波,防止高频电磁波与网线导体接触进而产生感应电流,增加串扰。编织网一般是由镀锡圆铜线编织而成。主要是防止低频电磁波干扰。其工作原理与铝箔是相同的。

屏蔽线工作原理:以铝箔屏蔽线为例,当高频电磁波接触到铝箔时,根据法拉第电磁感应定律可知,电磁波会趋附到铝箔表面,并产生感应电流。此时,需要一根导体把感应电流导入大地,避免感应电流对传输信号造成干扰。(故屏蔽线一般要求屏蔽层一端搭铁一端悬空。)

铝箔屏蔽线中的黑色电线是搭铁线,编织网屏蔽线中的编织网是搭铁线,现在一般用的都是铝箔屏蔽线,因为其线束加工过程操作相对简单。

屏蔽是避免电磁干扰的最有效措施,因为外界的干扰电磁波在传播过程中,遇到金属材料并不会穿过,而是被迫改变方向沿着金属行进。因此,若将金属材料包覆在所要屏蔽的设备或导线外边进行屏蔽,并通过接地线与大地连接,干扰电磁波会通过接地线流向大地,被屏蔽导线中的信号就能被正常传输。

下表显示了双绞线和屏蔽线的定义、成本、加工、功能和运用5个方面的异同点对比。

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表双绞线于屏蔽线对比

2导线的特性

汽车线束常用的导线通常使用多股绞合铜导线,绝缘皮多用PVC绝缘材料,要有耐温、耐油、耐磨、防水、防腐蚀、抗氧化、阻燃等特性。

1)耐热性

根据线束导线的工作环境温度,选用不同耐温等级的电线。线束设计选用导线类型重点考虑线束所处的环境和功能。

导线耐温等级分8个温度等级(ISO6722),如下表:

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图:ISO6722对导线耐温等级的定义

乘客舱的电线可选用耐温等级为90℃的导线;发动机舱线束可选择耐温等级为180℃的导线;横穿上述2个区域的导线应选用耐温等级同时满足2个区域温度要求的导线,可以通过温度场获得该区域的耐温要求,再从各导线耐温等级确定选用的导线类型。

2)耐磨性

导线本身就应该具备防止配线部位由于磨损而引起的绝缘体损坏、漏电。

在设计时,导线应尽量避免与容易发生震动的零件接触,以防止线束发生磨损、断裂。如不可避免,可采用包裹胶带或者外加波纹管。

3)阻燃性

阻燃性是指零件在着火后将燃烧时间(速度)、范围控制在一定范围内的规定。

4)弯折性

规定设计中要求具有弯曲性的零件的反复弯曲性。零件的弯曲程度、允许弯曲次数、环境温度要根据使用情况来设定。如车门用的胶套要求达到180°/10万次/-30~80℃。

3导线类型的确定

导线类型的选择,应该是基于平台化的基础上进行的。以下是关于导线类型选择的一些行业通用原则:

  1. 由于导线随着环境温度的升高其载流量会降低,导线选取时需根据线束的工作环境,选取相应耐温等级的导线。导线耐温等级分8个温度等级,参照ISO_6722。
  2. 发动机周围环境温度高,腐蚀性气体和液体也很多。因此一定要使用耐高温、耐油、耐振动、耐摩擦导线;
  3. 自动变速器上的导线一定要耐高温、耐液压油,其温度稳定性要好;
  4. 行李厢盖上的导线要在低温下保持其弹性,所以要选用冷弹性导线保证其正常工作;
  5. 弱信号传感器要用屏蔽导线,例如爆震传感器和曲轴位置传感器、ABS轮速传感器等;
  6. 频繁开/关的车门电线耐弯曲性要求高;
  7. 跨越车身之间的电线要求挠曲性能良好等;

4导线线径/截面积/规格的选择

导线的线径实际是指铜丝的横截面积,导线线径也叫做导线的标称截面。线径的选择主要需考虑负荷大小、回路的电压降以及导线的机械强度等。

思路:导线截面积的选择,考虑的是导线的载流能力,载流能力需要大于负载电流。故需要先求出负载工作电流,及导线的载流能力。

导线的截面如下图所示,其中D为线体直径,d为导体直径,t为导线绝缘厚度。每种系列的导线线径D和导体线径d都是对应的,详细参数可以查看导线的规格书在线束工程师公众号回复关键词“导线”获取)。

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图:导线截面图

1)负载电流计算公式

负载的额定电流:I=P/U,

式中I为额定电流,单位:A,P为负载额定功率,单位:W,U为负载额定电压,单位:V

负载电阻不变,R=U/I=U1/I1,

式中,U1为负载实际工作电压,单位:V,I1为负载实际工作电流,单位:A

上面公式结合推导,

R=U/I=U·U/P=U1/I1,则有:I1=(U1·P)/(U·U)

注:额定电压/标称电压U:通常指不接任何负载的电压,一般为12V;实际电压U1:实际加载在电气设备上的电压,一般取13.5V或14V。

2)导线的载流能力

求出了回路中负载的工作电流,考虑导线所处的工作环境,如高温区域,再根据电线的载流能力大于负载电流的原则,即可以选择合适的规格的电线。

导线的载流能力在导线规格书中是一项必要的参数。

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图:AVSS导线产品目录

补充导线截面积的计算公式:

A经验公式(常用来估算)

I=(10A+8)/2

式中I为导线的载流能力,单位:A,A为导线的截面积,单位mm2。

固有,I=(10A+8)/2≥I1,从而有

A(2I1-8)/10

需要注意的是,使用经验公式计算出来的导线载流能力比实际的导线载流能力是偏小的。

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表允许流通电流与导线截面积关系经验值

提醒:请注意经验公式算出来的结果和实际载流量60%,100%的对比情况。(下文有用)

B理论计算

导线的载流能力计算公式:

I=P/Us

导线的截面积计算公式:

A=IρL/Ud

式中,Us为系统电压;P为用电器功率;I为电流;A为导线横截面积;Ud为所允许的电压降最大损失;ρ为铜电阻率(争对铜导线);L为导线长度

注意:当回路中不需要保险丝保护时,直接用上述方法选择导线线径,但当有保险丝保护,则还需要满足这一条件,即保险丝比导线先熔断。则有

保险丝额定容量I保<导线的载流能力

又因保险丝作为回路的一部分,也需要承载负载工作电流,固有:

负载工作电流<保险丝额定容量I保<导线的载流能力

这也就是我们一直强调的,先选择保险丝,再选择导线

3)导线线径的确定

前面两节,我们已经求出了负载的工作电流,及可选的导线的载流的大小,但是实际操作过程中,还需要根据负载电流的类型来进行选择。(有关负载电流类型的介绍可以查看线束工程师公众号原理设计专辑里面的相关文章)

由于导线的实际载流能力受工作环境温度,线束的走向、接插件的数量(电压降)的影响,一般来讲,长时间工作的电器设备可选择实际载流量60%的导线,短时间工作的用电设备可选用实际载流量60%~100%之间的导线。

  1. 总结一下,导线截面积/线径选用的原则:
  2. 长时间工作的电气设备可选择实际载流量60%的导线;
  3. 短时间工作的电气设备可选用实际载流量60%-100%的导线;
  4. 导线载流量受工作环境稳定影响较大,需要综合考虑;
  5. 线径的选择需要考虑导线的机械强度,过细的导线容易拉断;
  6. 先确定用电器的保险丝,再确定导线的线径,最后再校核。

另外,导线线径/截面积的选择,也经常会采用类比的方法进行,可以通过对比现有车型的用电设备去快速选择导线。

导线截面积常用选择(参考,需校核):

  1. 信号电路用的导线截面积为35、0.5mm2。
  2. 接大灯远光的导线为1~2.5mm2;
  3. 接大灯近光的为l~1.5mm2;
  4. 接小灯的导线为0.7~1.5mm2;
  5. 接后灯的导线为0.75~2.5mm2;
  6. 接转向灯的导线为0.75~1mm2;
  7. 接仪表灯的导线为0.7~1.5mm2;
  8. 接刮水器的导线为l~1.5mm2;
  9. 接喇叭的导线为1~2.5mm2;
  10. 点火线路的导线为0.75~1.5mm2;
  11. 电源电路用导线截面积为2、3、5mm2;
  12. 接起发动机的导线为36、43、50、70mm2
  13. 特殊电路起动机/交流发电机发动机接地线等)则有8、10、15、20mm2

5补充德标、日标、美标导线规格对照

不同标准规格的导线线径的转换关系到底是怎样的,美标导线同德标,日标导线的线径是如何对应的?

1)理论依据

导线规格说的是导线的线径,线径是导线载流能力的直接反映,导线线径也指导线铜丝的横截面,因此不同类别的导线进行替换的化(导线匹配),主要是依据导线的载流能力,即铜丝的横截面的大小。

导线的规格书上都会写明单根导线中铜丝的数量和铜丝的直径(最大/最小),从而我们可以根据公式“S=πr²,r=D/2",即有

S=π(D/2)²

可以快速估算出导线的线径,这在进行德标,日标,美标导线的配对上非常有用。

比如,美标导线TWP22,其铜丝数为7根,铜丝直径为0.32,则该导线铜丝截面积为:0.56,故其对应的德标/日标导线的规格为0.5.

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图:美标线TWP导线参数表

2)不同标准导线规格对照表

使用上述公式,我们可以知道就可以进行美标AWG,德标DIN,日标JASO导线进行配对了。

附上3钟规格的导线配对表:

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图:不同标准导线规格对照表

6补充:影响导线电阻的因素

导线的载流能力受导线电阻影响很大(I=U/R),影响导线电阻的因素有以下方面:

1)截面积

导线截面积越大,意味着在相同的时间内通过的电子越多。导线越细,电流通过越困难,导线的电阻越大。电阻随导线直径的增大而减小。更换线束时,必须使用相同线径的线束,如果使用较细的线束,导线的电阻就会增加,电阻增加,导线消耗的功率就会增加,线束过热或熔化。

2)温度

温度对各种材料的影响效果各不相同。例如,铜与钢的电阻随着温度增加而增加,对于有些材料,材料的电阻会随着温度的升高而减小,在进行导线电阻测量时,我们就必须将被测导线从电路中断开。

3)长度

随着导线长度增加,电阻增大,这是因为电子不得不通过更多的原子。电子穿过较短的导线碰到的原子较少,因而电阻较小。

4)锈蚀

电路中的锈蚀对电阻也有影响,发生锈蚀后电阻会增加。

7导线的颜色选择

随着汽车用电设备的增加,线束中的导线数量也越来越多,为了便于识别和检测汽车电器设备,通常将电线束中的低压线采用不同的线色。线色是线束中导线的最直观要素之一,导线颜色选取得当,对于工程师后期处理线束问题起到很好的作用。

1)导线颜色选择的标准规范依据

2005年我国发布了汽车行业标准《QC/T730汽车用薄壁绝缘低压电线》,这个标准不等采用ISO6722:2002。2010年我国发布了国家标准《GB/T25085道路车辆60V和600V单芯电线》,此标准等同采用ISO6722:2006;《GB/T25087道路车辆60V和600V屏蔽和非屏蔽的多芯护套电线》,此标准等同采用ISO1452:2006;《GB/T25089道理车辆数据电缆》,此标准等同采用ISO/TS16557:2006。

目前我国新的汽车导线标准为《QC/T1037-2016道路车辆用高压电缆》,《QC/T414-2016汽车电线(电缆)的颜色和型号编制方法》。

导线的颜色的选取参照QC/T414《汽车电线(线缆)的颜色规定和型号标志方法》相关要求

2)导线颜色选择的原则

在进行导线颜色选择前,先要弄清单色线和双色线的概念。

单色线即表示导线颜色仅仅是一种,由主色构成,双色线表示导线颜色有两种,由主色和辅色共同构成。需要注意的是,导线的颜色是有规定的,不是自己想当然的进行定义。在规范QC/T414中,已经给出了主色和辅色的定义,如下表所示。

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在进行导线颜色的选型设计时,我们习惯采取两种选用原则,即以单色线为基础的选用和以双色线为基础的选用

A以单色线为基础选用

当采用单色线为基础选用的方式时,导线优先选用单色,即主色。黑色为专用搭铁线的颜色。单色线为基础的选用适合回路较少的系统。

B以双色线为基础选用

当采用各用以双色线为基础选用的方式时,用电系统的电源线、搭铁线为单色,其余均为双色。由于整车回路越来越多,目前线束中大部分导线采用的是双色线。

下表是一个以双色线为基础的导线颜色选择的参考,如表所示,各个整车每个系统都定义了主色。当其导线标称截面积大于1.5时,导线只用单色线,但电源系统可增加使用主色为红色、辅色为白色或黑色的两种双色线;对于标称截面积小于1.5的双色线,其主、辅颜色的搭配根据标准QC/T414进行选择。

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C车用电线的颜色选择的通用原则/要求:

前面的内容,我们已经说明了,车用电线颜色的选择,以双色色为基础,这里再对导线颜色选择的原则进行补充说明:

  1. 优先选用单色,再选用双色;
  2. 线束的搭铁线应用黑色电线,黑色电线不作其它用途;
  3. 主电源线优选用单色色,采用红色,可增加使用主色为红色、辅色为白色或黑色的两种双色线;
  4. 电线束中的同一分支线中一般不采用规格和颜色完全相同的电线,以防止电线束加工过程中造成混淆;
  5. 原则上同一护套内不能有相同线色,若线径差别大,可以考虑采用同色线;
  6. 同一根线束设计中,不能出现相同的线径和线色的导线,且在选用颜色时,也尽量选择具有明显对比度、肉眼容易分辨的颜色组合。
  7. 导线颜色选择应有利于参考的管理,尽量避免新增导线品种。

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