原理设计4:保险丝的系统选型方法

2020年10月14日 评论 297 6386字

车用熔断器通常称之为保险丝,保险丝的匹配设计是整车原理设计的重要组成部分,它包括保险丝类型的选择、容量的选择、保险丝路径的设置,保险丝的共用等等一系列的内容。

1熔断器的工作机理

理解熔断器的工作机理,是正确进行熔断器匹配设计的前提。要充分理解保险丝的工作机理,只需要弄懂两个问题:1是电路中为什么要加保险丝,2是保险丝是如何保护电路的。

电路中为什么要加保险丝?

如果线路中没有加保险丝,那么一旦电路过载,或者短路发生时,回路中的电流必然增加,这样当流经导线的电流大小超过导线的承载电流时,导线过载发热,融化导线绝缘层与铜丝,甚至发生自燃,引发安全事故(烧车)。导线的自然现象见下图:

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:导线自燃现象

弄清了导线自燃产生的原因和后果后,那么就要问了,怎么去避免导线自燃这个问题?

保险丝就是在这样一个情形下产生的,为了避免导线自燃,我们希望有一个元器件能够在导线燃烧之前,监测到回路中的过电流,短路电流,并能够迅速作出反应,能够迅速对回路进行中断(保险丝熔断),从而达到保护导线的目的。

这样的一个在电路中保护导线的元器件,就是我们说的保险丝,或者叫熔断器。保险丝是一种热能响应装置,它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,它是对导线进行保护的电气元件。值得一提的是,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,如下图所示。倘若距离太远的话,需要考虑设置上一级保险。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:保险丝的回路保护范围

保险丝是如何保护电路的,保险丝的工作机理是什么?

理解了电路中为什么要加保险丝,实际上已经对保险丝的工作机理有了一个比较清晰的认识。弄明白保险丝的主要作用及工作机理对于熔断器的匹配设计很重要。

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。

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。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:保险丝的工作机理说明

关于保险丝和导线匹配的作用机理,我线束工程师之家网上还写了一篇文章,感兴趣的可以看下(保险丝与导线的匹配设计)。

2熔断器/保险丝的类别及选用

理解了保险丝的工作机理,在进行保险丝的匹配设计之前,还需要了解并熟悉保险丝的类别,不同场景下选用保险丝的类别是不同的。

保险丝的类别介绍

汽车用保险丝标准化程度最高、世界各国汽车制造厂商均在使用,以力特公司的保险丝为例,车用保险丝的具体分类如下:

1)按照保险丝的外观特点,可以分为:

片式熔断器(bladefuses)。由两个片形插头式输入输出端子与一个保险丝组成的电导体件和一个绝缘体组件所构成。也叫做插头式、插片式、插刀式熔断器。常见的型号有AUTO,FKS,MINI,FK1,MAXI,FK3,LP-MINI。

插入式熔断器(cartridgefuses)。由两个片形插座式输入输出端子与一个保险丝组成的电导体件和一个组合的绝缘体组件所构成。也叫做插座式熔断器、盒式熔断器。如JCASE,LP-JCASE,MCASE。

旋紧式熔断器(boltdownfuses)。由两个片形插头式的适合螺钉连接的输入输出端子与一个保险丝组成的电导体件和一个组合的绝缘体组件所构成。也叫做螺栓紧固式熔断器。如MIDI/BF1,MEGA。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:保险丝种类

目前,汽车上常用的保险丝主要有:Mega,Mini,Midi,JCASE。

2)按照保险丝熔断特点,可以分为:

快熔式。适用于小电流、短时间脉冲电流负载。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:常见的快熔式保险丝

慢熔式。适用于大电流,长时间脉冲电流负载。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:常见的慢熔保险丝

保险丝的类型选择

前文我们已经熟悉了保险丝的不同分类,接下来,散漫(微信:mxq8329)要介绍下熔断器/保险丝的类型该如何选择。

选择保险丝的类别,一般都是先确定负载类型,根据负载类型去选择快熔保险丝,或是慢熔保险丝,确定保险丝的类别后,再根据实际使用情况,比如安装环境,现有保险丝物料体系,需求的保险丝容量的大小等,去选择合适的保险丝型号。

1)负载类型的确定

负载包括连续性负载、间歇负载和特殊负载。

连续性负载: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。

特殊负载:连续性负载和间歇性负载以外的负载,如雾灯、转向灯。

连续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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图:负载类型对应的负载电流曲线图

2)保险丝类型的确定

保险丝类型的确定是根据负载类型及负载电流的大小来确定的。

选用快熔保险丝的情况

电阻型的负载一般为连续性负载,通常使用快熔保险丝,如各个控制模块,灯光系统等

对于电机类感性负载,若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。

当负载为小电流负载(20A以内)时,选用快熔保险

当负载为短时间脉冲电流负载时,选用快熔保险

快熔保险丝常用Mini保险丝,其规格2~30A,适用于电流不超过30A的负载,如内外灯具,安全气囊等。

选用慢熔保险丝的情况

一般来讲电机,阀等电感类负载使用慢熔保险

当负载为大电流负载(20A以上)时、选用慢熔保险丝,如后除霜;

长时间脉冲负载时选用慢熔保险丝,如玻璃升降电机等电机类负载;

当存在锁电流负载时,选用慢熔保险,如雨刮电机,门锁电机,电动座椅等负载

慢熔保险丝常用JCASE保险丝、MIDI保险丝和Mega保险丝。

JCASE保险丝规格20~60A。主要适用于后除霜、空调鼓风机、冷却风扇等大电流负载;

Midi保险丝规格30~200A,适用于电流不超过200A的负载,如蓄电池保险丝盒处的大保险丝;

Mega保险丝规格40~500A,目前市场上额定电流最高的产品,适用于高电流和高脉冲的电路保护。如蓄电池,发电机的保护;

3保险丝选择的趋势

保险丝的选择,除了考虑负载类型和负载电流的大小外,还需考虑保险丝的发展。需要结合保险丝的发展趋势,来综合选择保险丝的类型。

了解熔断器的发展趋势,有助于我们更好的去进行保险丝的匹配设计。未来熔断器的发展趋势为小型化发展,因此对于新平台的车型,小型化的保险丝时我们需要重点考虑的方向。下图时关于保险丝的发展趋势图,如下:

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:熔断器的发展趋势

4熔断器的容量的选择

熔断器也叫做保险丝,主要作用是保护导线,即当负载过载/短路时,负载电流增大,保险丝熔丝过热熔断,从而保护导线,能够有效的防止因负载过载/短路产生导线软化燃烧的情况发生。

保险丝容量选择的条件:

1)保险丝容量>负载工作电流

2)保险丝容量<导线载流能力

条件1,是正常选择保险丝容量的基础,条件2,提醒我们回路中设计保险丝的初衷,即保险丝是用来保护导线的,需要同步选择导线,并进行校核。

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

保险丝容量选择

关于保险丝容量的选择公式有很多,比如可以查看这篇文章(保险丝容量计算方法全),使用不一样的公式,最终的结果基本一致(不排除不一样的发生)。但是不管结果如何,选型的结果最终不能脱离前文所述的保险丝选择的两个条件。为了便于大家计算,这里只推荐一个个人经常用到的公式,方便大家选择。

关于保险丝的理论计算分析可以自行查看力特保险丝的相关技术文件,可以直接在我的公众号:线束工程师,回复关键词“保险丝”直接获取。

推荐计算公式(散漫常用)

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)

If≥I1/(αβδ)

式中:

If为保险丝额定容量,单位A;

α为负载特性系数,负载工作时间在10s以上的,取值0.8,否则取值为1.1;

β为峰值电流系数,峰值电流小于0.3s,取值为1,否则取值为0.7.;

δ为温度系数,δ=负载装配区域系数*保险丝装配区域系数,负载布置在室内,则负载装配区域系数为1,否则为0.9,保险丝装配在保险丝盒,则保险丝装配区域系数为0.9,否则(如单独设置单一保险丝座)为1。

举例说明,喇叭的负载工作电流为8A,则保险丝的容量选择If≥8/(1.1*0.7*0.9*0.9)=13A,故喇叭保险丝容量选择15A。

5保险丝的合并共用原则

之前的内容,我们已经介绍了保险丝的工作机理,保险丝的类型,及保险丝的类型和容量的选择方法。然而,随着汽车的发展,汽车上的功能配置越来越多,我们不可能给每一个用电器的每个电源回路都设计单独的保险,如果这样做的话,必然会极大的增加整车线束成本和重量,而且也没有必要。基于此,我们需要进行保险丝的合并,但是保险丝的合并不能是想当然的,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?如何进行保险丝的合并是我们要重点研究的,这是熔电器的匹配设计中非常重要的一环。

明确保险丝合并的目的及考虑点

在进行保险丝的合并/共用设计之前,很有必要再次明确下保险丝共用设计的目的和意义。简单的说,保险丝共用的目的是为了在保护原有回路导线的前提下,做到成本最优,设计最优。这就要求我们在进行保险丝合并设计时,充分考虑以下几点:

1)待合并保险丝的功能件在整车的安装区域是否相同,在共用保险丝的设计过程中,要避免导线绕的过长。

将安装区域相同的功能件共用保险丝,实际上还是主要考虑成本上的优势。比如说,假设共用的保险丝位于机舱保险丝盒,如果这个保险丝即挂了机舱内的用电器,又挂了驾驶室内的用电器的话,那么相对单独设置一个驾驶室内的保险丝保护驾驶室内的用电器电源回路,共用带来的成本可能比单独设置保险丝的成本更大(新增了机舱保险丝盒到驾驶室保险丝盒的导线和匹配的端子的成本)

2)待合并保险丝的功能件负载类型是否一致,只有负载类型相同的用电器,保险丝才能共用。

这点应该比较好理解,如果一个是阻性负载使用的是快熔保险,一个是感性负载使用的是慢熔保险丝,如果将不同负载类型的保险丝进行合并,那么带来的后果是共用的保险丝是无法做到正常保护这两个功能件的作用的,保险丝也将失去作用。因此不同负载类型的功能件不能共用保险丝。

3)待合并保险丝的功能件负载电流的大小,大电流一般单独设置保险,高低电流回路(电流差5A以上)不共用一个保险。

这一点实际上也是从成本的角度出发,如果电流相差过大的功能件进行保险丝的合并,那么相应的,原来小线径的电线,相当于增大了保险丝,这样就需要相应的增加电线的规格来匹配保险丝容量的增加,最终导致成本增加,共同保险丝也就失去了意义。

原理设计4:保险丝的系统选型方法

图:相近负载电流同类型负载保险丝合并

4)待合并保险丝的功能件之间功能是否有关联,只有功能相关联才进行保险丝的合并。

为了使设计的结构化更美,为了便于维修性,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。

5)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;

这一点说的是,功能件需求的电源类型一致才能进行保险丝的共用,比如挂在常电上的功能件和挂在IG电上的功能件,保险丝是不能共用的。

6)待合并保险丝功能件中是否有涉及安全的重要功能件,考虑保险丝熔断后的影响。

保险丝共用选择与用电器的重要程度,安全级别有关。功能件共用保险丝后,还需考虑功能件保险丝合并后,当因某个功能件的回路短路造成共用保险丝烧断,从而引发该共用保险丝下的其他功能件功能失效带来的影响。从这一点出发,当涉及安全的功能,不能共用保险丝。为了更好的说明,通常会对功能件的重要等级进行定义。

根据汽车中的电器功能进行分类,我们将功能件分为三级,如下:

A-重要件。指操纵汽车,汽车运行安全必不可少的功能。

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。

B-一般重要件。重要功能,但是不影响操作汽车,不影响汽车使用安全的功能。

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。

C-普通件。其他给汽车使用带来方便的功能

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。

A类必须单独设置保险丝,B类根据实际使用可进行保险丝的合并,C类允许进行保险的共用

保险丝/熔断器合并共用的原则

前文,我们已经介绍了功能件保险丝合并的目的和意义,并且介绍了保险丝合并涉及主要考虑的内容及分析,为了便于大家参考,这里汇总一下保险丝合并与共用的设计原则。

功能件保险丝的合并设计原则总共11条,分别如下:

  1. 安全件必须使用单独的保险丝。安全件既包含国标定义的,也包括主机厂自行定义的,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. A类重要件(指操纵汽车,汽车运行安全必不可少的功能)必须设置单独保险丝,如发动机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;
  3. B类一般重要件(指为重要功能,但是不影响操作汽车,不影响汽车使用安全的功能)根据实际使用进行保险丝合并设计。如发动机传感器、各类报警信号灯和外部照明灯,喇叭等电器件;
  4. C类普通件(指其他给汽车使用带来方便的功能)允许进行保险丝的共用。如汽车音响系统、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。
  5. 功能件在整车的的安装区域不同时尽量避免共用保险;
  6. 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;
  7. 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,有关联的功能件考虑进行保险丝的共用;
  8. 只有负载类型相同的用电器,保险丝才能共用,高低电流回路(电流差5A以上)不共用一个保险丝;
  9. 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。
  10. 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;
  11. 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。

6保险丝相关的标准

通过ISO8820-3、日本国内标准通过JASOD612、美国国内标准通过SAEJ2007

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