基于PREEvision的汽車保險絲與導線匹配系統開發*

張澤仲，卞學良，周濤，張磊

（1.河北工業大學，天津 300132；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

前言

線束作為汽車電子系統的基礎，為車載電器提供連接電源、傳輸信號、負極接地。保險絲會為電氣系統提供過載保護，在電流超過許用范圍后熔斷電路。為了降低汽車生產成本、實現輕量化，需要對用電器、保險絲、導線進行合理的匹配。由于整車電氣系統復雜，傳統人工匹配保險絲與導線時流程固定、內容繁雜。為解決此類問題，節約時間成本，開發了保險絲與導線匹配系統，將匹配流程固化，實現保險絲與導線自動匹配并更新圖紙。

PREEvision軟件是一款汽車電子電器架構集成化設計工具，基于類型-實例（Type-Instance）的設計理念，實現庫中類型的調用。同時通過內置的JAVA語言環境自定義程序，實現數據分析管理。保險絲與線束匹配系統基于PREEvision線束層、庫及二次開發平臺，通過調用模型屬性、庫中模型類型及匹配算法完成自動匹配及模型變更。

1 負載電流特性

由于負載類型不同，電回路中的電流波形也不恒定。對于電阻類負載，波形相對比較穩定，正常狀態下在穩態電流上下小范圍波動，電流變化范圍超過一定比值即可視為用電器故障。而對于電機類感性負載，電機啟動短時間內由于轉子轉速低，啟動電流高出穩態電流數倍，也是正?，F象，當電機出現堵轉情況時堵轉電流會長時間保持在穩態電流3至10倍，此時判斷為用電器故障，目前控制電機的ECU一般具有堵轉保護功能，即在檢測到堵轉電流時關停電機，與保險絲保護并存。電機類電流波形如圖1所示。

圖1 電機類電流波形

2 保險絲設計

保險絲與用電器串聯，在回路電流超出許用范圍后要求保險絲在一定時間內熔斷，以達到保護電回路零部件及線束的作用。

2.1 保險絲分類

車用保險絲主要分為兩類：快融型（MINI）、慢融型（JCASE）。保險絲容量是保險絲的基礎屬性。對于恒流負載，可根據選取的保險絲容量直接判斷保險絲類型，即以30A作為快融型和慢融型臨界容量。對于電機類負載，一般建議在大電流時（電機額定電流＞20A）串聯慢融式保險絲，以防止啟動電流熔斷電路。 保險絲熔斷電流與熔斷時間的關系[3]由表1給出。

表1 保險絲熔斷電流與熔斷時間的關系

2.2 保險絲容量設計

保險絲容量是指在室溫（23℃）狀態下保險絲的額定電流，快融型保險絲可選容量為：1、2、3、4、5、7.5、10、15、20、25、30（A）。慢融型保險絲容量為：30、40、50、60、70、80（A）。

保險絲安裝位置的環境溫度也影響著保險絲額定電流。在環境溫度變化時，保險絲的額定電流IR會隨溫度的升高而降低，引入保險絲額定電流溫度折減系數K，在不考慮保險絲過電流發熱的情況下，按照式1計算溫度折減系數：

式中，kt為溫度折減率，慢融型保險絲的溫度折減率kt=-0.15%，快融型保險絲的溫度折減率kt=-0.18%；T1為保險絲安裝位置環境溫度。

40A JCASE保險絲與25A MINI保險絲額定電流與溫度的關系。車廂內部按照溫度等級區分為高溫區（80℃，靠近發動機熱源）、常溫區（40℃，駕駛員艙、后備箱），在計算保險絲額定電流時可以將這兩個溫度等級帶入環境溫度進行計算。

圖2 保險絲額定電流與溫度的關系

在實際應用中應保證保險絲的額定電流大于負載電流，同時考慮設計余量，快融式保險絲的負載電流推薦小于額定電流的70%，慢融式保險絲的負載電流推薦小于額定電流的50%。

同時，還應考慮特定工況的影響，比如連續負載、脈沖負載等等，并依此考慮安全系數，具體情況各主機廠定義不同，故在保險絲與線束匹配系統中未體現。

2.3 保險絲庫建立

PREEvision提供了硬件庫存儲自定義的保險絲類型，由于軟件方面的限制，保險絲類型、容量僅以枚舉類型數據類型屬性作區分，而不在庫中以硬件類型存儲。建立保險絲庫如圖3所示。

圖3 PREEvision中的保險絲庫

3 導線設計

導線作為傳輸電流的載體，影響著汽車電氣系統的優劣，要根據導線各種物理特性進行綜合設計，合理的選擇線束的類型、導體截面積。目前市場上廣泛應用的線束標準有德系標準、日系標準、國標線束，針對線束的不同使用場景做出標準化區分。

3.1 導線的熱平衡

導線結構為絕緣體包裹金屬線芯，線芯傳導電流，絕緣體保護電路不短路的同時還要向外界環境散發通電后線芯產生的熱量[1]。由于汽車導線存在內阻r，根據焦耳定律，電流I通過時金屬線芯會產生發熱功率q=I2r的熱量，導線絕緣體散熱功率由式（2）計算：

其中，T1為導線通電后溫度；T2為環境溫度；R為散熱阻抗。R=（R1+R2），其中R1為絕緣體熱阻；R2為表面換熱熱阻，R1、R2按照下式計算：

其中，P1為絕緣體熱阻抗，聚氯乙烯混合物材料P1=600℃·cm／W，聚乙烯材料P1=450℃·cm／W；d2為導線絕緣體外徑；d1為金屬導體外徑。

其中，P2為導線固有表面換熱熱阻， ℃·cm/W；且P2=300+32d2， d2≤12.5mm 時 P2=300+32d2； d2＞12.5mm時P2=700。

導線通過電流時應滿足熱平衡條件I2r=（T1-T2）/R，導線的額定電流Ie由式（5）計算：

其中， Tmax為導線容許最高溫度； rTmax為導線最高容許溫度時的導線內阻。

導體內阻r隨溫度T變化的關系為：

其中，rT1為T溫度下導體單位長度內阻；r20為20℃時導體單位長度內阻。

同時，在多根供電導線捆扎時，導線散熱不充分，此時考慮成束供電導線電流縮減系數，如表2所示。

表2 額定電流縮減系數與導線捆扎根數關系

3.2 導線發煙電流

如果發熱量超出絕緣層散熱的能力將會造成加速導線絕緣層老化，同時絕緣體中的易揮發物質在線芯電流過大，發熱達到一定溫度后揮發形成煙霧，造成安全隱患。導線發煙時間與電流關系由式（7）計算：

其中，Iy為導線發煙電流； Ty為發煙時導線溫度；rTy為Ty溫度下導線內阻；a為時間熱量系數。

日標線束的導線發煙溫度由表3給出：

表3 日標線束的發煙溫度

時間熱量系數由式（8）計算：

其中，C=∑W·H，W為單位長度材料質量；H為每種材料熱容 （J/℃·g）銅取0.39，聚氯乙烯取1.43，聚乙烯取2.3。

3.3 PREEvision中導線編輯

3.3.1 建立導線庫

以日標JASO D611中定義的汽車用薄壁低壓電線AVS線束為例，在PREEvision軟件中的庫中建立用于匹配的線束類型庫并添加相關的屬性，如圖4所示。

圖4 PREEvision中的AVS線束庫

3.3.2 建立導線電流計算程序

根據式（5）、式（7）建立編輯線束庫電流計算二次開發程序如圖5所示，程序將根據原始輸入屬性計算導線在高溫區、常溫區的額定電流、發煙電流。選擇已有的導線庫作為輸入，相關屬性數據由程序調取。

圖5 導線電流計算程序

選擇AVS_0.5導線作為輸入驗證導線電流計算程序，AVS_0.5導線部分原始屬性如表4所示。運行導線電流計算程序，運行結果如表5所示。

表5 AVS_0.5導線輸入后程序運行結果

AVS_0.5運行結果額定電流、發煙電流與JASO D609中數據基本保持一致，據此判斷電流計算程序準確。（注：成束額定電流縮減系數的計算需調用PREEvision拓撲層模型導出成束導線根數）

4 保險絲與導線的匹配

4.1 保險絲與導線電流匹配

保險絲在保護用電器不過大電流的同時，還應保證在保險絲熔斷之前導線不發煙，即應滿足以下條件：

（1）保險絲額定電流小于導線額定電流。

（2）保險絲短時熔斷電流小于導線短時發煙電流。

（3）保險絲長時熔斷電流小于導線長時發煙電流。

由表1推演出保險絲的熔斷條件如表6所示。

表6 保險絲熔斷條件

4.2 保險絲熔斷條件校核

由于發電機、電池電源電壓值恒定（14V、12V），還應確保在用電器故障時導線中的電流最高可以達到保險絲的熔斷電流值，對于大型商用車來說，要防止導線過長，線阻過大導致的負載電流始終達不到保險絲熔斷電流的情況出現，還需要對回路線束的總電阻值進行約束，忽略端子接觸電阻對總阻值的影響，即導線單位長度線阻rd應小于保險絲允許的導線單位長度電阻：

其中，Un為系統電壓，12V；If為保險絲熔斷電流，由表6給出；l為車架三維結構確定的導線長度。

4.3 回路壓降校核

對于一些精度要求較高的用電器，需要確保回路壓降控制在一定范圍內，以此限制導線單位長度的電阻范圍。即：

其中，vd為回路壓降，一般控制在0.5～1.5V；I為負載電流。

5 PREEvision中的保險絲與導線匹配系統

5.1 保險絲與導線匹配系統程序設計

由前文確定保險絲與導線匹配流程如圖6所示。

圖6 保險絲與導線匹配系統流程圖

在PREEvision二次開發平臺上編輯匹配系統程序如圖7所示。

5.2 保險絲與導線匹配系統實例測試

下面是某型商用車車門控制單元DCM在PREEvision中設計的用電參數：

導線在拓撲層的回路長度：4205mm；參考負載電流：9.2A；導線環境溫度：40℃；保險絲環境溫度：40℃，回路允許壓降1.3V。

DCM供電接地電氣原理如圖8所示。

圖8 某型商用車DCM供電接地電氣原理

將DCM作為程序用電器輸入，運行程序，程序運行過程參數如圖9所示。由圖9可知，程序自動選擇保險絲為：MINI 15A，最終匹配的導線類型為：AVS_0.75f。

圖9 程序運行過程參數

程序執行自動加載功能，加載后電氣原理圖紙變更如圖10所示。

圖10 變更后的電氣原理圖紙

6 結論

保險絲與線束匹配系統以PREEvision軟件為平臺，集成了保險絲與線束匹配算法，基于類型-實例的設計理念實現保險絲庫與導線庫的匹配，同時對導線發煙電流、許用導線電阻等參數進行了精確校核，并自動完成PREEvision圖紙變更。

與傳統的人工計算相比，該系統省去了匹配過程中頻繁查表的步驟，提高了保險絲與導線匹配的準確性，提高了線束工程師工作效率，對主機廠節約成本有一定的幫助。