汽车线束与保险丝的计算及匹配方法

汽车线束与保险丝的计算及匹配方法

作为重要的安全部件，车辆线梁是车辆安全运行的基本保证。随着车辆电气化程度的不断提升,整车线束回路数量不断增加,由于环保、经济性及装配空间的需求,线束的轻量化设计显得十分重要。为了能在满足安全和功能的前提下,对线束进行轻量化的设计,就必须对导线进行定量的分析及计算。本文从设计流程、导线传热模型及保险丝的特性参数出发,对线径与保险丝的计算及匹配方法作阐述,最后以实例予以说明。经长期的市场实绩证明本文的方法在实际中的应用是成功的。1线径和保险丝的确定首先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。保险丝的计算一般指额定工作电流的计算,但如果负载含冲击电流,还需进行冲击电流的计算,初步确定容量后,对冲击电流进行保险丝的寿命校核,直至最终确定其容量。线径计算首先是额定电流的计算,需要考虑负载特性、线束的环境温度、同一分支线束中电源回路的数量。对于特殊的回路(如起动机)进行线束温升的计算。对于受保险丝保护的回路,需进行匹配计算以确保导线开始发烟的时间大于保险丝的熔断时间。最后对短路电流进行校核,确保故障发生时短路电流足以使保险丝及时熔断。2导线的温升情况导线由线芯和绝缘层组成。其中,导体是发热部分,绝缘层则是散热部分;单位长度导线的发热功率:式中,I为通过导线的电流,A;r为单位长度导线的电阻,Ω/cm。导线的传热微分方程为:式中,R为单位长度导线的热阻,℃·cm/W;C为热容,J·cm/℃;T为导线的温度,℃。由上通过拉氏变换可知温度对发热功率的传递函数:利用上式进行拉氏反变换可以算出导线在长时间连续通电情况下的温升情况:式中,T上式为:这与标准JASOD609-2001结果一致。对于导线而言,其绝缘层的最大允许温度决定了导线承载电流的能力,常见的日本标准导线的容许工作温度和发烟温度如表1。综上可得出如下结果:1)对于通电电流变化的情况可以用式(3)计算导线的温升情况;2)对于通电电流可视为恒定值的情况,可以利用式(5)计算导线的温升情况;3)根据式5,t取+∞,可以计算出在允许工作温度下能长时间通过的最大电流:3保险丝的热性能在实际应用时,重要的保险丝参数如下:额定工作电压V、额定工作电流I1)额定工作电压:指过载发生时,保险丝设计上能使电路安全运行的最大电压。2)额定工作电流:指保险丝的最高工作电流。3)环境温度:对保险丝额定容量的选取需要进行环境温度的折算;曲线如图1所示。4)熔断热能I5)相对I6)最小/最大熔断时间:指相对于额定电流一定比值的情况下,其允许的最小及最大熔断时间(如图4所示);7)保险丝的熔断特性曲线:指保险丝的熔断时间随熔断电流变化的曲线(如图5所示)。4保险丝温度的确定保险丝的选取需要考虑负载的类型、电流范围及保险丝的环境温度,首先确定选用快熔还是慢熔保险丝,然后再进行计算。计算时需要考虑连续额定工作、堵转电流的情况,然后看负载的类型,决定是否进行瞬时脉冲和过渡电流的校核。4.1连续分配工作保险丝的选取可用如下公式:式中:II0.75——负载特性系数,一般取0.75。4.2堵转电流的情况对于电机类负载,存在启动时的堵转。对其初步选择,本文建议堵转电流应处于保险丝额定电流的110%至135%之间,可通过过渡电流的校核来作最终确认。4.3及时脉冲校正需先根据电路中脉冲电流的波形,计算脉冲电流的I4.4保险丝的确定对风扇电机的启动电流,其冲击电流的时间往往大于0.1s,用上述计算相对I对于保险丝,要做出I通过上述计算即可确定保险丝额定容量的最小值,然后根据情况选取不小于计算值的实际的保险丝。5导线线束的确定在确定了保险丝的容量后就可以进行线径的计算和选择了。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。5.1保护无保险丝保护的电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。5.1.1电源回路的估计根据线束的设计,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:式中,IIK根据计算出来的I5.1.2线路阻抗产生的压降根据线束工程图纸确定回路的长度L、所选线材线径的电阻率r和回路的额定电流I需确定5.1.3matlab过程温升的计算如果回路中有电流较大且持续时间较长的电流脉冲,有必要对此过程的温升进行计算,可以通过前面的式3,利用MATLAB计算整个过程的温升情况,需确保温升的最大值不超过线束的额定工作温度。5.2保护保险丝在有保险丝保护的线路中,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。5.2.1导线不发烟的最大电流一般的做法是根据式5,做出导线发烟特性曲线,再做出保险丝的熔断特性曲线,如横坐标为电流,纵坐标为时间,则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。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用式(6)计算,代入环境温度和线束的发烟温度即可。也可以直接查导线的发烟特性曲线得出。保险丝的最低熔断电流一般按保险丝额定电流的135%来计算。5.2.2短路电流的计算根据导线的长度计算导线的阻抗,再加上节点的阻抗即为回路总阻抗,再由此计算短路电流。为确保保险丝在短路情况下可以完全断开,一般短路电流的值应大于保险丝额定电流的350%,低于此值需做试验验证或重新选取导线。6发动机启动回路的设计本文以东南汽车某车型的启动回路与冷凝器风扇回路为例,利用上述计算方法进行实际设计说明。首先进行启动回路的计算。在发动机启动时,启动回路需要通过大电流。启动回路没有保险丝,通过启动机的电磁开关进行电源的切换。设计应考虑回路允许的阻抗及导线的耐电流这两个方面。启动机特性:额定功率:1.2kW、空载电流<90A、负载时300A、堵转<650A。6.1额定电流的算算由于一般建议单次启动时间不得超过3～5s,两次启动间隔10～15s,故额定电流需要进行折算,折算比例取:于是导线的耐电流需求为:300×0.33=100A。初步选20mm6.2抗冲剂的推荐值因该回路通过的电流较大,考虑到冷启动的特性,要求线路上的总阻抗要尽可能的小,推荐值为小于4mΩ,减去接触处锁附螺栓的阻抗1mΩ,导线上阻抗约3mΩ。回路的长度(正极+负极)L=930+920=1850mm,电阻率如下:20mm6.3不同发动机启动电流根据式(3),利用MATLAB建模对启动电流引起的回路温升进行校核;MATLAB仿真模型如图7所示。设环境温度40℃,正常启动的情况如图8所示,整个过程约2s,从开始至发动机成功启动的时间约1s。图中上面的曲线代表启动电流,下面的曲线为导线的温升。启动回路除了满足正常启动外,还应满足连续多次启动的情况,对其按启动5s,停止10s,连续启动3min,堵转电流650A,启动状态的电流按300A进行模拟,结果如图9所示。HEB耐温性为容许工作温度:80℃,发烟温度150℃,从图8、图9看出,线材的选取可满足实际需求。7设计冷风扇装置冷凝器风扇的电源回路有保险丝,按照本文第4节的方法,需先确定保险丝,再确定线材线径。7.1影响电流的影响冷凝器风扇电机除了额定工作电流之外,在启动状态有很大的电流冲击,电机转速由0加速至额定转速用时约1.2s,回路的电流也是从堵转电流降低至额定工作电流,对保险丝而言,启动的冲击电流对其寿命的影响是必须考虑的。冷凝器风扇电机参数:额定工作电压12V、额定工作电流8.6A、堵转电流31A。由于此负载的额定工作电流不大,无其他特殊要求,故考虑采用体积较小的刀片式快熔保险丝,其位于引擎室保险丝盒内,环境温度约80℃,查表得到环境温度的折减系数RR=0.92。11定额功能电流的计算根据式(7)可算出:22隔离电流的计算按135%的倍率来计算:综上保险丝容量初步选取25A。32过渡电流的计算因为回路中没有瞬时的脉冲电压但需进行过渡电流的相对I图11从上至下的曲线依次为:过渡电流、保险丝的I7.2接地部分的负载保护对于从保险丝至电机正极这一段回路(含继电器部分)是需要短路保护的,需要进行与保险丝的匹配;而从电机负极至接地部分的负极线回路因为经过了负载,不需要进行短路保护,也就不需要进行与保险丝的匹配,进行额定工作电流的计算即可。因此先进行负极线的计算。根据线束的布置,线束中含有2根电源回路,根据表2,折减系数取0.8,由式(8)知:环境温度按80℃计,初步选定AVX1.25的线材,在此环境温度下,耐电流可达14A。7.3avx.0导线校核对于电机的正极线,需在此基础上还需进行与保险丝的匹配计算,由于取25A保险丝,故导线的发烟电流需大于对于AVX1.25的线材:发烟温度T不满足实际需求,故改用AVX2.0的导线校核,其r=0.12964796mΩ/cm、R=456.6℃·cm/W以上可知:正极线需采用AVX2.0或以上的导线才能满足需求。7.4线路阻抗估算短路电流需大于保险丝额定电流的350%,即25×3.5=87.5A才能确保短路时保险丝能及时熔断。回路的节点数共计4个,每个估算阻抗为3mΩ,扣除蓄电池正极至保险丝盒的线路阻抗3mΩ,共计4×3+3=15mΩ。正极回路