CPT實驗在汽車電器保護中的應用

程 謙

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

測試試驗

CPT實驗在汽車電器保護中的應用

程 謙

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著科學技術的發展，汽車上搭載的電氣設備與系統越來越多。整車環境下，電氣設備在工作過程中會受到其他設備的干擾，自身也會產生堵轉、沖擊等。因此，汽車電器系統的保護措施的選取就變得尤為重要。通過CPT（Circuit Protection Test）實驗，可以對負載的工作電流、電壓進行實時的測量，可以較好的驗證汽車電氣線路的保護措施是否得當。同時根據測試結果所做的優化能夠避免一些電器保護措施的設計缺陷，從而消除隱患。文章首先對CPT實驗的測試類型及對應的方法進行了介紹，并闡述了該實驗在實際設計過程中的應用；其后結合實際的測試案列，分析了CPT實驗結果對電路保護措施合理性的驗證、檢驗。同時，結合測試案列分析了CPT實驗結果在幫助優化和改進電路保護措施中的作用。

線路保護實驗；負載特性；驗證；消除隱患；優化

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.048

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-150-05

引言

隨著社會的發展，人們對汽車的舒適性和安全性提出了更高的要求，而為滿足這些要求，汽車電氣系統變得越來越龐雜。然而汽車起火自然事件時有發生，據不完全統計，其中30%的車輛自燃是由汽車電路引發的。要保證汽車電氣系統在汽車的生命周期中能夠正常的發揮效用且安全可靠，電氣線路的保護措施顯得尤為重要。

汽車電器系統主要由電源、電路和電器件組成，為保證汽車電器系統的正常工作，在電路中需要增加電路保護措施和保護器件，其中，一類重要的電路保護器件是保險絲。為有效地保護電路，保險絲容量的選擇，電路導線與保險絲的匹配必須合理。目前，汽車電器系統保險絲的容量、導線與保險絲的匹配在汽車產品研發的前期就已經基本確定，其確定方法一般是根據經驗值或對標開發。而在實車情況下，某些電器零件的電氣特性會發生變化，導致前期設計存在缺陷，如何及時、有效的發現這些缺陷，是擺在電器系統設計人員面前的一個重要問題。

通過CPT（Circuit Protection Test）實驗，在實車情況下對電路的實際工作電流、電壓進行測試，能直觀的判斷保險絲容量是合適，導線的線徑與保險絲的匹配關系是否合理。乘用車研究院電氣系統部目前已經對多款乘用車產品進行了比較全面的CPT測試。實驗結果不但用以驗證乘用車產品電路保護器件的選型是否合理，還獲得了車載電器的比較詳細的負載特性，為后續的設計積累了數據和經驗。

本文將結合一些乘用車產品的CPT實驗數據來談談該實驗在汽車電器保護中的應用。

1、CPT實驗在汽車電器保護中的應用

1.1 CPT實驗測試方法及原理

CPT主要是運用示波器和電流、電壓探頭對電器的工作電流值、電壓值進行實時監測。因此，可以用于對單個負載的特性、多個負載的總的特性進行測試，也可以測試電氣線路在極端情況下的情況。下面將對CPT實驗的幾種典型的測試方法及原理進行闡述。

1.1.1 單負載測試

單負載測試指對具有單獨電路保護器的單一負載或者某一電路保護器下的一個負載的特性進行測試。主要測量負載在開始工作的瞬間、持續穩定工作情況下的電流、電壓數據。可以驗證保護措施和對獨立的負載的工作特性進行歸檔，為以后的設計提供電器件工作的電流和電壓值等數據。

⑴負載所在回路的電壓降是否在限定范圍，負載是否工作在正常電壓下；

⑵驗證負載回路導線的線徑的選擇是否合理；

⑶驗證電路保護器（主要指保險）的選用是否合理。

在給定的電壓值條件下（為模擬整車正常運行時的電壓，這個值一般設定為14.5V（±0.2V）），將一個直流穩壓電源與蓄電池并聯，用示波器、電流電壓探頭對要測試的負載回路的電壓、電流進行測試，獲得實時、連續和動態的波形。測試原理簡圖如圖1所示：

1.1.2 全負載測試

全負載測試是指針對下掛負載在兩個或兩個以上的電路保護器的負載特性進行測試。通常的做法是做一個外接裝置，該裝置包含一個開關和將要測試的電路保護器（本文指保險絲）的插座，外接裝置與需要進行測試的保險絲并聯，測試時取下將要測試的保險絲，將其裝在外接裝置的保險絲插座上，此時，外接裝置替代需要測試的保險絲串接在測試回路中。主要測量保險絲下掛負載同時開始工作時的瞬間和穩定工作狀況下的電流、電壓值數據。可以驗證保護措施和對某一保險絲下所有的負載的運行特性進行歸檔，為以后的設計提供電流、電壓值數據：

⑴確定電路保護器的容量是否合適；

⑵為繼電器和開關的選用提供依據；

⑶為后續的設計和改進提供實驗數據。

在給定的電壓值條件下（為模擬整車正常運行時的電壓，這個值一般設定為14.5V（±0.2V）），將一個直流穩壓電源與蓄電池并聯。用外接裝置取代需要測試的保險絲，串接在測試回路中。測試時先合上保護器下所掛的所有負載各自的開關，再合上外接裝置的開關，用示波器，電流、電壓探頭對要測試的回路的電壓、電流值進行測試，獲得測試波形。測試原理簡圖如圖2所示：

1.1.3 短路測試

短路測試測試回路的確定需要分兩類情況進行考慮。

保險絲下掛單負載回路：

測試方法是做一個外接裝置，該裝置包含一個開關和將要測試的負載的保險，并將外接裝置串接在測試回路中。主要測量負載短路時回路的電流、電壓、短路時間等數據。

保險絲下掛兩個或兩個以上負載回路：

在汽車的電源系統中，多數保險絲下方都有兩個或兩個以上的負載回路。而電氣系統設計過程中，保險絲和導線的匹配必須做到可以保護每一條回路。因此，在進行短路測試時只需要對測試保險下方短路電流最小的回路進行測試。根據歐姆定律，在電壓相等的情況下，電阻越大，電流越小。所以，短路測試應選擇回路電阻最大的進行測試，而回路電阻主要由導線電阻組成。根據電阻率的計算公式：

其中，ρ為導體的電阻率，R為導體電阻，S為導體截面積，L為導體長度。可以得出導體電阻計算公式：

由公式2-2可知，導體電阻與導體長度成正比，與導體截面積成反比。所以，在單個保險絲下掛多個負載回路情況下，應該選擇回路導線長度最長，導線截面積最小的回路進行測試，此時回路電阻最大，短路電流最小。測試方法是做一個外接裝置，該裝置包含一個開關和將要測試的保險絲，并將外接裝置串接在測試回路中。主要測量負載短路時回路的電流、電壓、短路時間等數據。

短路測試可以驗證保護措施和為后續的設計提供以下數據和信息：

⑴確定電路保護器與導線的匹配是否合適；

⑵觀察和記錄測試回路上導線、繼電器、開關盒保護器的損壞情況以分析保護措施的合理性；

⑶為后續的設計和改進提供實驗數據。

在給定的電壓值條件下，將一個直流穩壓電源與蓄電池并聯。用外接裝置取代保險絲串接在測試回路中。測試時先用與測試回路線徑相同、盡可能短的導線短接電器（以確保測試時回路電阻與實際的回路電阻最大程度的接近），再合上外接裝置的開關，用示波器，電流、電壓探頭對要測試的回路的電壓、電流、斷路時間進行測試，獲得測試波形。測試原理簡圖如圖3所示：

1.2 CPT實驗在電路保護中的應用

在汽車電器系統設計過程中，電路保護措施是至關重要的一環，電器系統的復雜性導致電路保護措施的復雜性增加，電路保護器一般有2到3級，僅通過理論的計算難以保證保護措施的合理和有效。根據上述CPT實驗方法，可以驗證電路保護器的容量是否合適，驗證負載回路導線線徑的選擇是否合理，為后續的設計優化和改進提供實驗數據。

1.2.1 電器保護措施驗證

汽車電路保護器一般包括繼電器、開關和保險絲，其中，容易損壞且直接關系到安全問題的主要是保險絲。保險絲容量選取必須合適，過大會造成電器件過載時的損壞，或發生電氣線路短路時保險絲無法及時斷開而引發火災，過小則導致電器件功能無法正常實現。因此，CPT實驗主要是對保險絲選用的合理性及與導線匹配的合理性進行驗證，下面將結合針對某車型進行的CPT實驗數據來進行具體分析。

在該測試車型上，后雨刮電機和洗滌電機共用一個15A的插片式保險，為便于后面的敘述，將該保險編號FS01。下圖4的a圖、b圖分別為針對FS01的瞬態和穩態電壓及電流測試波形，圖5是針對該保險所做的短路測試波形。在圖4、圖5中，我們比較關注且對分析電器保護措施合理性有幫助的幾個參數是P1、P3、P6和T。

P1：負載在瞬態（穩態）狀況下工作電流的最大值；

P3：負載在瞬態（穩態）狀況下工作電流的平均值；

P6：負載在瞬態（穩態）狀況下電壓的平均值；

T：保險絲熔斷時間。

在圖4的a圖中：P1=7.28A、P3=8.63A、P6=9.71V；b圖中：P1=6.8A、P3=5.23A、P6=14.3V；

在圖5中：P1=54.7A、T=128ms；

該車型雨刮電機的額定功率42W、額定工作電壓為12V，洗滌電機額定功率48W，額定電壓12V，兩電機額定功率之和為90W。后雨刮電機和洗滌電機回路導線均為AVSS 0.85的導線。

電器負載的功率計算公式為：

其中，P為負載功率、U為負載兩端電壓、I為通過負載的電流。

根據測試波形可以算得負載的實際功率為：P=UI=6.8× 14.3=97.23W，與額定功率90W接近。

對插片式保險來說，在常溫（24℃）下負載電流所對應的保險絲容量由以下公式計算：

其中，IC為常溫條件下保險絲容量，Ie為負載的使用電流。

在40℃條件下，保險絲容量的計算公式為：

其中，-0.15%為每攝氏度的溫度變化率。

對FS01而言：Ie=6.8A，因此在常溫下的保險絲容量IC=6.8/70%=9.71A；40℃條件下的保險絲容量I=9.71/[100%+ (40-24)×（-0.15%）]=9.95A。

對插片式保險來說，常用的保險容量有5A、7.5A、10A、15A、20A、25A，考慮到保險下掛兩個電機負載，會有較大的沖擊電流和堵轉現象發生，后雨刮電機及噴水電機匹配15A插片式保險較為合理。對測試車型而言，該保險絲容量選取合理。

對汽車低壓電線而言，在持續通過一定電流值時，導線的溫度會上升，當導線溫度達到一定值時，導線絕緣層會冒煙甚至燃燒。如AV規格的導線冒煙溫度為140℃，AVS系列導線的冒煙溫度為150℃。因此，在進行導線與保險絲匹配設計時，需要考慮回路短路時，在保險絲的熔斷時間內，導線不會冒煙（即在此時間內導線溫度未上升到冒煙溫度）。常用的AVS規格導線在常用的冒煙時間下的冒煙電流如下表1所示：

表1 常用AVS規格導線冒煙時間與冒煙電流

以后雨刮、后洗滌回路為例，回路保險絲FS01的短路電流及保險熔斷時間由圖5可知分別為54.7A、128ms其回路導線線徑為AVSS 0.85。由表1可知，電流為54.7A時，其回路導線對應的冒煙時間在5s至10s，遠大于回路保險絲熔斷時間128ms（即0.128s），即使該回路發生短路，也不會冒煙或燃燒。

經過上述計算與分析，測試車型的后雨刮電機與洗滌電機的保險絲選用合理，保險絲與導線的匹配合理。

1.2.2 回路導線線徑選擇合理性的驗證

汽車線束導線的選擇是否合理，一個重要的衡量指標是導線的電流容量是否大于回路穩定工作時的電流，這個電線的電流容量，是基于車輛使用10年，電線絕緣體的機械特性也不會劣化來定義的，它與導線所在線束裝配位置的平均使用溫度有關。

常用的日標導線AVS的電流容量如下表2所示：

表2 常用AVS規格導線的電流容量

從表1可以看出，同一規格的導線，其工作時周圍溫度越高，其對應的電流容量越低。

CPT實驗的單負載和全負載測試均有測試回路穩定工作時的工作電流，根據穩態工況下的工作電流就可以對回路導線線徑的選取是否合理進行驗證。如圖6所示，是對某車型的空調鼓風機進行單負載穩態測試時的測試波形：

從圖6測試波形可以得出，鼓風機穩態工作時的最大電流P1=26.3A，最小電流P2=20.6A，平均工作電流P3=23.48A。該測試車型的鼓風機回路導線規格為AVS 3.0，鼓風機位于駕駛室內，平均工作溫度取40℃。由表2可知，AVS 3.0導線在40℃時的電流容量值為37A，大于鼓風機穩態工作時的最大電流26.3A，且留有一定余量，回路導線線徑選擇合理。

1.2.3 為設計優化和改進工作提供實驗數據

在進行電氣系統的電源分配設計時，會盡可能的按照負載的實際工況來設計其電路保護器件的容量和回路導線的線徑。但是，在實車工況下，仍有可能存在隱患，CPT實驗可以在實車工況下對負載的工作的電流、電壓特性進行測試，能有效的發現潛在的設計缺陷和隱患。根據實驗數據，能及時對存在缺陷的設計進行優化和改進，以避免缺陷產品流入市場，給顧客和自身帶來損失。

如下圖7，是對某車型的散熱風扇做的單負載穩態測試波形：

從圖7的測試波形可以得知，該散熱風扇穩態工作時的最大工作電流為23.54A，平均工作電流為20.89A，散熱風扇回路保險絲的額定容量為20A，保險絲類型為J-CASE型，回路導線規格為AVSS 2.0。可以看出，該散熱風扇在穩態工作情況下，其最大工作電流和平均工作電流均大于該回路的保險絲額定容量，該保險絲容量設計不合理，需要進行優化。

通常，保險絲下掛回路連續工作電流應該在保險絲額定容量的70%左右。已知該散熱風扇的穩定平均工作電流為20.89A，則其保險絲額定容量需大于等于20.89/70%=29.8A，所以該散熱風扇回路的保險絲容量應該優化為30A。根據前述導線電流容量的概念，取該散熱風扇回路的周圍溫度為60℃，由表2可知，AVS 3.0規格導線在周圍溫度為60℃時的電流容量為26A，大于23.54A，因此，優化后的散熱風扇回路導線規格應該為AVS 3.0。

2、結論

本文主要對CPT實驗的測試原理與方法進行了概述，并結合測試實例進行計算分析。通過計算與分析表明，CPT實驗數據可以讓電器設計人員直觀的判斷保險絲容量的選擇是否合理、導線線徑的選擇和與保險絲的匹配是否合理。

同時，CPT實驗還能有效的發現設計缺陷和隱患，其實驗結果可以為優化和改進設計提供參考和依據。在公司推進產品平臺化和模塊化的背景下，CPT實驗有著現實和積極的意義，其實驗結果能為設計人員提供真實的、第一手的電器件電氣特性數據，能極大的提高設計效率、有效的提高電器系統的質量與安全性。

[1] ISO8820-2-2005 道路車輛.熔斷器.第二部分.

[2] Littelfuse產品手冊.

[3] JASO D609-2001 汽車零件-低壓電線的載流量.

[4] Q/JQ 4006 汽車片式、插式熔斷器技術條件.

[5] Q/JQ 4002.6 汽車用低壓電線技術條件.

[6] 賴旭芝.電路理論基礎.[M]中南大學出版社.

CPT experiment application in vehicle electrical protection

Cheng Qian
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the development of science and technology,more and more electrical equipment and systems will be carried on vehicle. Under the environment of the vehicle, Electrical equipment in the process of work will be affected by the interference of other equipment, its also can produce locked-rotor, shock, etc.Therefore, selection of the protection of vehicle electrical system becomes particularly important.Through the CPT experiments, the working current of the load, the real-time measurement of voltage, can better Test whether auto electric Circuit is properly protected. At the same time, the optimizations according to the test results can avoid some electrical protection design flaws, to eliminate hidden dangers.First of all, this discourse introduced the test types of CPT experiments and expound the applications of these experiments during actual design process; and then, combine actual test cases, analyzing the validation and checkout of rationality of circuit protection measures. At the same time, combine actual test cases, analyzing the functions of how the test results to help optimize circuit protection measures.

Circuit Protection Test; Load characteristic; Validation; Eliminate hidden dangers; Optimize

U462.1

A

1671-7988(2016)10-150-05

程謙（1988-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，從事汽車線束設計與研究工作。