汽車用鋁導體電線的電流容量計算方法

周錄堯，郭 紅，李海林

（一汽解放商用車開發院，吉林 長春 130011）

最新的汽車電線國際標準ISO 19642-2019其中兩部分：ISO 19642-3-2019《道路車輛 汽車電纜 第3部分：交流30V或直流60V單芯銅導體電纜的尺寸和要求》，ISO 19642-4-2019《道路車輛 汽車電纜 第4部分：交流30V或直流60V單芯鋁導體電纜的尺寸和要求》，給出了電線的尺寸和試驗方法，但沒有給出電線的電流容量計算數值。不同標準的電線尺寸不同，但結構類似，其電流容量的計算方法是通用的。本文采用日標JASO D609的額定電流和發煙時極限過電流的計算方法，用EXCEL給出了ISO 19642-3-2019銅導體電線和ISO 19642-4-2019鋁導體電線的電流容量計算數值，并比較了銅導體電線和鋁導體電線的結構尺寸和電氣參數，為用鋁導體電線替代銅導體電線以降重、降成本提供對比數據，也為汽車電線與熔斷器的選型匹配提供數據支持。汽車電線載流量的試驗測定方法可參見《VW 60306-3-2011汽車電線載流量的測定》。

汽車電線的電流容量為電線的額定電流、電線發煙時的極限過電流和乘以因成束額定電流的降低系數的電流值的總稱。引用日標JASO D609-2012《汽車低壓電線的電流容量》的計算公式見下文。

1 電線的額定電流

額定電流：在電線回路設計時，考慮由于溫度造成的電線絕緣的老化，從壽命的角度考慮，為防止使用的不安全，允許通過的限定電流值。并且，這個值除了基于電線的絕緣材料、周圍的環境溫度之外，也應設定相應的通電時間。

導體電流產熱和絕緣體散熱的穩態方程見公式 （1）。

1）熱量守恒

式中：IP——電線的額定電流，A；rT1——T1下的導體電阻，Ω／cm；T1——電線導體的額定溫度，℃；T2——環境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；t——時間，s。

由公式 （6），可知當t=5τ，1-e-5=99.33%，可認為熱量產生和釋放達到平衡。并且，在T1下的導體電阻rT1按公式（2） 折算。

2）鋁導體電阻折算

注：0.00403是在20℃時，100%導電率下鋁的溫度系數。0.00393是在20℃時，100%導電率下銅的溫度系數。對于鍍層電線或合金，修正系數應由供需雙方協商確定。

3）熱阻R

式中：R1——絕緣體的熱阻，℃·cm／W；R2——表面輻射熱阻，℃·cm／W。

4）絕緣體的熱阻R1

式中：P1——絕緣的固有熱阻，℃·cm／W，聚氯乙烯混合物和交聯聚氯乙烯混合物是600℃·cm ／W，交聯聚乙烯混合物是450℃·cm／W，無鹵混合物是450℃·cm／W；d1——導體直徑，mm；d2——成品電線外徑，mm。

5）表面輻射熱阻R2

式中：P2——固有表面輻射熱阻，℃·cm2／W；當d2≤12.5mm時，P2=300+32d2；當d2＞12.5mm時，P2=700。

電線在額定電流下的電壓降計算公式如下：

式中：E——電線的電壓降，mV／m；IP——電線的額定電流，A；rT1——T1溫度下的導體電阻，Ω／cm，按公式（2）。

2 電線發煙時的極限過電流

極限過電流：由于外部特殊原因，電線短時間通過的電流超過容許電流時，規定的和通電時間對應的極限電流值。

導體電流產熱和絕緣體散熱的暫態方程見公式 （6）。

2.1 極限過電流

式中，IO——電線的極限過電流，A；rT3——T3℃下的導體電阻，Ω／cm；T3——電線導體的極限溫度，℃，此溫度下電線的絕緣開始發煙變形；T2——環境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；α——熱時間常數τ的倒數；t——時間，s。

在T3℃下的鋁導體電阻rT3按公式 （7）進行電阻折算：

B級PVC電線的性質見表1。

表1 B級PVC電線性質

B級PVC電線的額定溫度為100℃，實驗可達105℃，考慮安全余量在下文計算額定電流時取額定溫度100℃。B級PVC電線的發煙變形溫度為165℃，在計算發煙極限過電流時取熱過載溫度155℃，因為若取165℃計算發煙極限過電流時電線已損壞失效。

2.2 熱阻R見公式 （3）

絕緣的熱阻R1見公式 （4），表面輻射熱阻R2見公式 （5）。

2.3 熱時間常數τ和熱容C按公式 （8）和公式 （9）折算

式中：W1——導體的質量，g／cm，銅的密度為8.89g／cm3，鋁的密度為2.7g／cm3；W2——絕緣的質量，g／cm，聚氯乙烯的密度按1.35g／cm3；H1——導體材料的熱容系數，J／℃·g；H2——絕緣材料的熱容系數，J／℃·g。

注：導體的質量和絕緣的質量可根據測定值。

各構成材料的熱容系數見表2。

表2 各構成材料的熱容系數

熱時間常數τ的倒數α按公式 （10）折算：

3 由于電線成束額定電流的降低系數

多根電線成束狀態時，額定電流應乘以表3所示的降低系數。但是這個降低系數和同時通電的電線根數有關，和整個線束的電線根數沒有關系。并且不包含如控制回路、電子回路等不產生溫度上升的小電流電線。

表3 由于電線成束額定電流的降低系數

4 電線的電流容量計算結果

銅導體電線和鋁導體電線電流容量的中間計算參數數值部分摘錄見表4。

表4 銅導體電線和鋁導體電線電流容量的中間計算參數數值

ISO 19642-3-2019銅導體電線的額定電流見表5。ISO 19642-4-2019鋁導體電線的額定電流見表6和圖1，鋁導體電線發煙時間和極限過電流見表7和圖2。

5 銅導體電線和鋁導體電線對比

將ISO 19642-3-2019銅導體電線和ISO 19642-4-2019鋁導體電線的結構尺寸和電氣參數摘錄，見表8、表9、表10。

舉例1：對于銅導體0.75mm2電線，可用鋁導體1.0mm2或1.25mm2電線替代，見表11。由于細電線用量很大，一般成束布置，在用鋁導體電線替代銅導體電線時，需注意因成束直徑變大帶來的影響。

舉例2：對于載重汽車起動機工作的電流回路，一般選用50mm2銅導體電線，起動回路電阻要求不大于4mΩ，為保證回路電阻或者滿足額定電流，一般布置空間充裕，應用鋁導體電線外徑變大不是限制因素，可采用70mm2或85mm2鋁導體電線替代50mm2銅導體電線，降重降成本顯著，見表12。

表5 ISO 19642-3-2019汽車低壓薄壁聚氯乙烯B級銅導體電線的額定電流和電壓降

表6 ISO 19642-4-2019汽車低壓薄壁聚氯乙烯B級鋁導體電線的額定電流和電壓降

表7 ISO 19642-4-2019汽車薄壁聚氯乙烯 B級鋁導體電線的電線發煙時間和極限過電流

表8 ISO 19642-3-2019汽車薄壁銅導體電線參數 （推薦標準絞合結構）

表9 ISO 19642-4-2019汽車薄壁鋁導體電線參數

表10 銅導體電線和鋁導體電線的電氣參數對比

圖1 鋁導體電線的額定電流與溫升曲線

表11 鋁導體電線替代銅導體電線

圖2 鋁導體電線的發煙時間與極限過電流曲線

表12 鋁導體電線替代銅導體電線