關于汽車線路匹配安全技術的研究

王春芝

（安徽江淮汽車股份有限公司輕型營銷公司， 安徽 合肥 230601）

1 技術背景

隨著汽車數量的急速增加，車輛自燃現象也隨之增加。汽車自燃，嚴重威脅著人們生命和財產的安全，分析和預防汽車起火十分重要。根據國外機構統計，由電線引起的汽車自燃約占高速公路自燃的30%，是車輛自燃的最大誘因。

熔斷絲是電路設計時為保護線路和電器件而有意設計和制造的線路中最薄弱一部分，當電路出現短路或過載異常時，熔斷絲會先于導線和元器件損壞前熔斷，從而切斷電源保障電路安全。電線失火，通常是由于線路缺乏熔斷絲保護或熔斷絲與線路匹配不當引起。熔斷絲的每一電流值都對應一定范圍的電阻，并由此定義其過載的特性。在線束設計中，如果沒有合適的熔斷絲與導線匹配計算方法，設計就會達不到我們的要求和目的。熔斷絲選擇過小，會影響熔斷絲的使用壽命導致客戶抱怨，而熔斷絲選擇過大，則無法保護電器件且引起導線成本上升。另外，當大電流熔斷絲匹配了小線徑導線時，熔斷絲會無法保護線路，一旦回路發生短路或過載，導線就會先于熔斷絲融化，引起車輛失火。而如果為了安全盲目提高導線線徑，則會引起成本浪費，同時增加線束質量。探索熔斷絲與導線的最優匹配方案，一直是線束設計的重點和核心工作。

國內商用車受環境和成本影響，前期較多使用易熔線作為線路熔斷絲元件，而易熔線僅能提供短路保護且容易引起明火，存在隱患。同時由于商用車貨箱和車架較長導致部分電源回路導線過長，因而此部分回路導線阻抗高，短路時的短路電流被拉低而無法快速熔斷，存在導線先于熔斷絲熔化而引起失火的隱患。早期我們選型時所用的熔斷絲與導線匹配表是在導線長度特定范圍內適用的，主要與乘用車契合，與商用車并不完全適合。

根據開發需要，結合熔斷絲熔斷特性及導線發煙曲線等因素，我們創新完善了熔斷絲和導線的匹配方法和驗證能力，對電氣系統的負載狀態、熔斷絲容量、導線線徑的匹配進行優化，消除隱患，控制成本，減小開發風險。

2 總體思路

早期的熔斷絲與導線匹配計算方法，在計算出來熔斷絲規格后，就直接對照圖1所示的導線與熔斷絲適配表選取導線規格。

圖1 熔斷絲與導線適配表

這樣的計算方法簡單方便，但是由于未考慮導線本身阻抗和過載短路電流沖擊影響，匹配存在缺陷，一旦回路發生短路可能會導致導線發煙進而引發火災風險。

為了更好地完成線束匹配設計安全，同時促進成本合理化，必須要建立科學的導線和熔斷絲選型匹配方法。理論計算方法完成后，我們還必須進行充分的可靠性驗證試驗，通過借鑒國際先進的整車線路安全測試 （CPT，Circuit Protect Test） 臺架經驗，我們同時搭建電路安全測試 （CPT） 臺架，形成一套完整的設計開發驗證體系。

為更系統安全地達成匹配設計目標，新計算方法考慮從以下幾個方面進行細化驗證計算。

1） 引入連續通電電源線束衰減系數概念

早期計算方法中，并未考慮一根線束中幾根電源線同時工作時對導線電流傳輸能力的影響 （即線路導電發熱的影響），計算導線載流能力時，全部按規定載流能力計算。本次更新計算方法，引入日標《JASO D609低壓電線電流容量》中對一根線束中同時工作的幾根電源線電流傳輸能力衰減系數計算方法，防止一根線束中多根電源線同時工作發熱而影響線束安全。圖2為連續通電電源線束衰減系數表。

2） 引入熔斷絲與導線短時匹配概念

熔斷絲是用來保護電線以免過熱，在造成熱損壞之前熔斷絲就應熔斷。計算熔斷絲在短時間內熔斷所需的電流值，對小型和中型的片式熔斷絲，取額定電流的2倍；對于大電流的熔斷絲，取額定電流的6倍。根據《ISO 8820-2道路車輛熔斷器-用戶指南》的規定，速熔熔斷絲在其額定工作電流的2倍電流下，將會在≤5s內熔斷。我們考慮回路短路充分的情況下，短路電流會遠高于熔斷絲額定電流2倍，所以我們只要保證5s內熔斷絲所配導線的發煙電流大于熔斷絲額定電流的2倍，即可保證熔斷絲熔斷先于導線發煙，從而就保證了回路短路充分時的線路安全。導線的發煙電流曲線可由JASO D609標準查閱。對于緩熔熔斷絲，則選擇6倍電流進行計算，原理相同。圖3為片式熔斷絲分斷時間表。圖4為AVS導線80℃發煙曲線。

圖3 片式熔斷絲分斷時間表

圖4 AVS導線80℃發煙曲線

3） 引入熔斷絲與導線長時匹配概念

熔斷絲在額定工作電流下可長時工作。引入熔斷絲與導線長時匹配的概念，只要保證導線的長時發煙電流較熔斷絲的額定工作電流大，則可保證回路在長時負載的情況下，導線不會發煙。圖5為導線發煙曲線與熔斷絲分斷曲線。圖6為導線發煙曲線與熔斷絲分斷曲線的幾種關系。

圖5 導線發煙曲線與熔斷絲分斷曲線

圖6 導線發煙曲線與熔斷絲分斷曲線的幾種關系

4） 引入導線限長的概念

因為導線本身具有阻抗，導線越長阻抗越大，當導線過長后，即使回路短路，電壓由于被導線所分擔，會導致短路電流過小而不能快速熔斷，導線就會持續發熱產生風險。本方法引入導線限長的概念，確保回路短路電流不會低于熔斷絲額定電流的2倍，則可保證熔斷絲與導線短時匹配的安全性。

5） 整車線路安全測試 （CPT） 驗證

線路安全測試方法和設備，即CPT試驗。CPT試驗即為通過對整車線束回路在電器件各種運行工況下的電壓、電流測試，實踐校核整車線束、電器件的匹配合理性及安全性，避免因設計計算遺漏及特殊工況下電器件的性能偏差行為導致的線路故障、失火風險及電器功能失真。整車線束負載安全試驗主要包含：單負載試驗、全負載試驗、短路試驗、靜態電流測試。

6） 引入熔斷絲壽命計算方法

以往受困于沒有回路負載特性曲線，無法分析計算熔斷絲的可靠性壽命。利用CPT測試數據，我們可以根據測試的回路特性曲線計算熔斷絲壽命，由回路電流的特性沖擊曲線計算出發熱量I2t，求出其與熔斷絲設計I2t比值，則可算出熔斷絲耐沖擊次數。圖7為相對I2t的計算公式，圖8為脈沖電流I2t的計算方法，圖9為熔斷絲相對I2t曲線，圖10為熔斷絲熔斷I2t表。

圖7 相對I2t的計算公式

圖8 脈沖電流I2t的計算方法

圖9 熔斷絲相對I2t曲線

圖10 熔斷絲熔斷I2t表

3 技術方案

燒車隱患是車輛重大品質風險，一旦發生燒車將嚴重影響乘員生命、財產安全，同時對公司也將造成較大的經濟及聲譽損失。本方案要求計算選擇回路最適合的熔斷絲及導線，即保證線路和電器的安全，又能促成成本最優化。

計算方法依托熔斷絲熔斷特性曲線及導線發煙特性曲線，以電阻、電流及發熱量為計算依據，綜合考慮溫度及并線衰減等因素，形成一個綜合計算公式。最后，對基本型產品進行CPT測試，采集各瞬態、穩態、堵轉及短路等工況下回路的相關信息數據，驗證計算的符合性。計算流程如下。

1） 計算回路實際負荷電流：實際負荷電流（A）= ［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］。

2） 選擇適配熔斷絲：熔斷絲必要額定電流（A）= ［負荷電流（A）/負荷余量率（%）］×100；選擇大于且最接近計算結果的熔斷絲。

3） 選擇適配導線：查閱導線樣本，選擇導線。要求導線負荷電流能力大于回路實際負荷電流，且同樣大于熔斷絲適合負荷電流。熔斷絲適合負荷電流 （A）=熔斷絲額定電流（A）×環境溫度系數×0.7。

4） 計算熔斷絲與導線短時匹配性：熔斷絲短時間熔斷電流 （A）=熔斷絲額定電流 （A）×溫度系數×熔斷電流倍率；片式熔斷絲熔斷電流倍率選2倍，則熔斷絲熔斷時間為5s。可查閱導線在5s時的發煙電流。要求導線5s發煙電流大于熔斷絲短時熔斷電流。

5） 計算熔斷絲與導線長時匹配性：查閱導線樣本，要求導線長時發煙電流大于熔斷絲長時熔斷電流。熔斷絲長時熔斷電流（A）=熔斷絲額定電流（A）×環境溫度系數。

6） 計算導線限制長度：限制長度（m）=公稱電壓（V）/短時間熔斷電流（A）/［電線阻值（Ω/m）×溫度系數］。

7） 試驗驗證：CPT試驗驗證，單負載、全負載、短路、靜態驗證。

8） 結果分析及熔斷絲壽命計算：根據CPT試驗驗證結果，確認回路是否異常。根據測試電流波形，計算熔斷絲耐沖擊次數。其中計算公式如下。

負荷電流（A）=［額定功率（W）/公稱電壓（V）］×［電源電壓（V）/公稱電壓（V）］

熔斷絲必要額定電流 （A）=［負荷電流 （A）/負荷余量率（%）］×100

熔斷絲短時間熔斷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×熔斷電流倍率

電線容許電流（A）=周圍溫度容許電流（A）×電線線束減低系數

熔斷絲最適合負荷電流（A）=周圍溫度額定電流（A）×負荷余量率（%）/100

周圍溫度電線阻值（Ω/m）=電線阻值（Ω/m）×［1+0.00393×［周圍溫度（℃）-電線阻值測定溫度（℃）］］

容許回路阻值（Ω）=公稱電壓（V）/短時間熔斷電流（A）

電線長限度（m）= 回路允許阻值（Ω）/周圍溫度電線阻值（Ω/m）

根據以上計算方法，在EXCEL表格中編寫公式，形成計算模板。熔斷絲與導線匹配計算表模板及各項目應用情況如圖11所示。

圖11 計算表模板

4 總結

線束回路越來越多，線束系統也越來越復雜，一輛整車上面至少有幾百個回路。面對日益復雜的線束系統，對線束設計提出了很高的要求，在設計匹配整車線束時，不僅要充分計算校核各回路導線、熔斷絲、開關及電器件的匹配情況，還需詳細完備地通過試驗測試每個線束回路工作狀況，檢驗整車線束匹配的合理性及安全性。線束回路設計得不夠合理，輕則導致電器件功能失效或故障，影響功能使用甚至行車安全，重則因電器件或線路的燒蝕而引起整車失火。

該計算及驗證方法已經應用某皮卡、輕客車型，大大提升了車輛線路安全性。新計算方法通過CPT驗證，未發現理論計算與實物試驗有不一致的問題，計算方法科學、有效。同時，由于選擇適配了最優熔斷絲和導線方案，線束質量得到降低，成本得到了優化。