淺析汽車線束設計對汽車安全性的影響

線束世界 2021-09-13 08:00

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引言

隨著科學技術的飛速發展，汽車裝備日趨完善，越來越多的電器、電子產品應用在汽車上。電子系統的使用不可避免的使汽車電路越來越復雜，使用的線路和元器件越來越多。提高了線路的設計、維修的難度和線束的復雜程度，降低了整個電氣電子系統的可靠性。因為整車電路系統設計不合理或可靠性不能滿足客戶使用要求，導致整車電路系統損壞故障問題，甚至出現車輛自燃、起火等嚴重后果。根據消防部門統計，在機動車火災中，近90%是汽車自燃。汽車自燃給人和車帶來巨大的安全隱患。而線路故障，是引發車輛火災的主要原因之一。因此整車電路系統設計工作顯得尤為重要，本文就汽車電路線束自燃原因進行分析，并對整車電路系統設計過程中熔斷絲及導線匹配設計要點進行論述。

1 線束燒蝕原因分析

1.1 過載

過載是指線路或者部件工作的負荷超過額定值,導致電器電流過大，用電設備發熱。線路長期過載會降低線路絕緣水平，出現短路甚至燒毀設備或線路。

1.2 短路

短路是指電流不流經用電器直接由導線接通（稱閉合回路），相當于直接連接電源兩極。電源短路時電路上的電流非常大，使導線的溫度升高，嚴重時有可能造成自燃。

1.3 熔斷器與線路匹配影響

熔斷絲的選用需與導線線徑匹配，位置應合理布置，否則會失去應有的電路保護作用。

2 熔斷器在車輛線束設計中的作用

2.1 熔斷器作用

熔斷器是汽車線路中的重要保護器件，俗稱保險絲，其作用是保護汽車線路及用電器，防止大電流（過載）及短路時，將電線或者電氣設備燒毀，并防止電氣過熱起火。

2.2 熔斷器工作原理

汽車熔斷器是一種當電路電流超過規定值和規定時間時，能及時使電路斷開的熔斷式電路保護元件。熔斷器中的熔片或熔絲用電阻率較高的易熔合金制成，或用截面積甚小的良導體制成。線路在正常工作情況下，熔斷器中的熔絲或熔片不會熔斷，一旦發生短路或嚴重過載、電流超過規定值和規定的時間時，熔斷器中的熔絲或熔片應立即熔斷，起保護電路和電器設備之用。

因此如何合理的匹配熔斷器及導線，對保證安全行車，快速診斷汽車電路故障具有重要作用。

3 熔斷絲及導線匹配原則

3.1 保險線徑匹配流程

用電器保險與導線的選擇過程是：首先根據負載的額定功率計算出負荷電流，除以一定的負荷余量率后選擇保險容量大小，然后根據保險大小及環境溫度選擇導線。

1）負載電流計算

負載電流If，計算公式如下：

（1）

式中：If—負載電流；Pe—負載額定功率；Ve—負載額定電壓；

Vd—電源電壓。乘用車一般為14.5V，商用車一般為27V。

2）保險的額定電流計算

保險的額定電流Ie （A）為保險的環境溫度額定電流（Ihe）

在保險的負載電流（Ibf）基礎上大于等于一個等級。

（2）

式中：Ibf—保險的負載電流，If—負載電流公式（1）R—保險的負載余量率如表1 所示：

表1

High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V : 引用Littelfuse 商品說明書的值以及JASO 610-1993）

環境溫度保險額定電流：

（3）

式中：Ihe—環境溫度保險額定電流

Ie -保險額定電流。根據保險廠家規定而選型

RR-保險的溫度折減系數，發動機倉內溫度為80℃時的值，駕駛室內溫度為40℃時的值，具體數值需要根據選擇保險廠家的特性曲線值而選定，如圖1。

圖1

High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V：引用Littelfuse 商品說明書的值以及JASO 610-1993）。

環境溫度保險額定電流（Ihe）≧保險的負載電流（Ibf）/溫度折減系數。

根據公式1、公式2、公式3 及負載功率、負載電壓選定了負載的保險值。

3）導線材質及線徑選擇

在確定保險絲的容量后，就可以進行線徑的計算和選擇了。首先根據表一確定環境溫度，再根據導線的環境溫度確定導線的材質，再根據圖2 選擇合適的線徑。（以AVSS 線為例）。

表2

圖2 周圍溫度對 AVSS 線額定電流影響

電線電流容量：

（4）

式中：Id—電線電流，I—電線環境溫度電流(A)（圖二），

N—電線線束衰減系數。

選擇的導線，應當滿足導線電流（Id）≧負載電流（If）。

表3

電線電流容量線束減低系數 (引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001）。

4）導線與保險絲的匹配校核

理論上車輛的車身、發動機都是接蓄電池負極的，在車身上布置的電線導體與車身本體，中間是電線絕緣層、線束外敷物（膠帶、波紋管等）、車身漆組成的絕緣電阻。汽車是復雜不規律的環境下使用的，隨著絕緣老化或意外故障它們之間的電阻就可能處在（0，+∞）某一阻值，導致了電線中流過各種大小電流的情況成為可能。所以要求保險絲在各種電流的環境下都要先于電線發煙而熔斷。

◆ 保險短時間熔斷電流：

（5）

式中：Idr—保險短時間熔斷電流；Ihe—環境溫度保險額定電流；n—熔斷電流倍率（由表4 中查得）。

◆ 保險長時間熔斷電流

（6）

式中：Icr—保險長時間熔斷電流；Ihe—環境溫度保險額定電流；

保險短時間熔斷電流Idr需要小于電線短時間發煙電流；保險長時間（1000S）熔斷電流Icr 需要小于電線長時間發煙電流；電線的短時間冒煙電流及長時間冒煙電流均由圖3 獲得。

表4

( 引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001）

圖3

5）計算導線長限度

導線最大長度L為：

（7）

式中：L—導線最大長度；rh—環境溫度回路電阻；rT2—環境溫度導線電阻。

環境溫度回路電阻：

（8）

式中：V e—負載額定電壓；Idr—保險短時間熔斷電流；公式（5）。

（9）

式中：rT2—環境溫度導線電阻；r20—r20是在20℃下的導體阻值

T2—導體最高使用溫度

3.2 熔斷絲與導線匹配實例

JAC 某車型，按照以上計算方法，得出部分負載熔斷絲

及導線選型如下：

表5

4 總結

上述計算方法與結果已在實際使用，并得到驗證．回路的工作安全可靠。通過本文可以看，汽車線束的被動保護一直是依靠保險絲，但保險絲有其局限性。隨著 CAN 網絡和電力電子技術在汽車上的應用與發展，利用監測電路電流、電壓、絕緣性等數據并對數據進行處理的智能配電模塊將會成熟并普及。線束故障報警與故障診斷功能系統將實現，使排查故障變的簡單而準確并提高了汽車安全性。