word】 汽車線束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配

1、汽車線束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配第1期機(jī)電技術(shù)汽車線束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配趙國(guó)霖范家通王釗(東南(福建)汽車iql,福建福州350119)摘要:介紹了汽車線束線徑及保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)流程,對(duì)相關(guān)計(jì)算公式做了推導(dǎo)并利用matlab進(jìn)行仿真,并對(duì)這些計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)例說明.關(guān)鍵詞:汽車線束;線徑;保險(xiǎn)絲;匹配計(jì)算中圖分類號(hào):u463.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章編號(hào):汽車線束作為重要的保安零件,是車輛平安運(yùn)行的根本保證.隨著車輛電氣化程度的不斷提升,整車線束回路數(shù)量不斷增加,由于環(huán)保,經(jīng)濟(jì)性及裝配空間的需求,線束的輕量化設(shè)計(jì)顯得十分重要.為了能在滿足平安和功能的前提下,對(duì)線束進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì),就必須對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行定量的分

2、析及計(jì)算.本文從設(shè)計(jì)流程,導(dǎo)線傳熱模型及保險(xiǎn)絲的特性參數(shù)出發(fā),對(duì)線徑與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配方法作闡述,最后以實(shí)例予以說明.經(jīng)長(zhǎng)期的市場(chǎng)實(shí)績(jī)證明本文的方法在實(shí)際中的應(yīng)用是成功的.1線束線徑與保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)流程首先根據(jù)負(fù)載的電流特性,保險(xiǎn)絲的工作環(huán)境確定保險(xiǎn)絲的容量,再根據(jù)負(fù)載特性和線束的環(huán)境來計(jì)算所需線徑.對(duì)于有保險(xiǎn)絲保護(hù)的回路,需要進(jìn)行線束與保險(xiǎn)絲的匹配校核,進(jìn)一步確定線徑.保險(xiǎn)絲的計(jì)算一般指額定工作電流的計(jì)算,但如果負(fù)載含沖擊電流,還需進(jìn)行沖擊電流的計(jì)算,初步確定容量后,對(duì)沖擊電流進(jìn)行保險(xiǎn)絲的壽命校核,直至最終確定其容量.線徑計(jì)算首先是額定電流的計(jì)算,需要考慮負(fù)載特性,線束的環(huán)境溫度,同一分支線

3、束中電源回路的數(shù)量.對(duì)于特殊的回路(如起動(dòng)機(jī))進(jìn)行線束溫升的計(jì)算.對(duì)于受保險(xiǎn)絲保護(hù)的回路,需進(jìn)行匹配計(jì)算以確保導(dǎo)線開始發(fā)煙的時(shí)間大于保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間.最后對(duì)短路電流進(jìn)行校核,確保故障發(fā)生時(shí)短路電流足以使保險(xiǎn)絲及時(shí)熔斷.2導(dǎo)線的傳熱模型導(dǎo)線由線芯和絕緣層組成.其中,導(dǎo)體是發(fā)熱局部,絕緣層那么是散熱局部;單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的發(fā)熱功率:p=12(1)式中,為通過導(dǎo)線的電流,a;為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電阻,q/cm.導(dǎo)線的傳熱微分方程為:cdt+=(2)厶式中,為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的熱阻,?cm/w;c為熱容,j-cm/c;t為導(dǎo)線的溫度,.由上通過拉氏變換可知溫度對(duì)發(fā)熱功率的傳遞函數(shù):=麗r(3)p)+1,利用上式進(jìn)

4、行拉氏反變換可以算出導(dǎo)線在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)通電情況下的溫升情況:一=pp一面(4)式中,乃為導(dǎo)線的允許512作溫度,為環(huán)境溫度.+a-=1,并對(duì)其積分計(jì)算,上式為:一=p-at=par(一1口l):pr(1一e)=rr(1一e)(5)這與標(biāo)準(zhǔn)jasod6092001結(jié)果一致.對(duì)于導(dǎo)線而言,其絕緣層的最大允許溫度決定了導(dǎo)線承載電流的能力.常.的日本標(biāo)導(dǎo)線的容許t作者簡(jiǎn)介:趙國(guó)霖(1981-),男,工程師,研究方向:汽車線束及電器系統(tǒng)范家通(1982一),男,工程師,研究方向:汽車線束及電器系統(tǒng)t-ij(1983-),男,工程師,研究方向:汽車線束及電器系統(tǒng).l14機(jī)電技術(shù)2021年2月作溫度和發(fā)煙溫度

5、如表1.表1導(dǎo)線的容許工作溫度和發(fā)煙溫度【】綜上可得出如下結(jié)果:1)對(duì)于通電電流變化的情況可以用式(3)計(jì)算導(dǎo)線的溫升情況;2)對(duì)于通電電流可視為恒定值的情況,可以利用式(51計(jì)算導(dǎo)線的溫升情況;31根據(jù)式5,取+,可以計(jì)算出在允許工作溫度下能長(zhǎng)時(shí)間通過的最大電流:一一,=(6)3保險(xiǎn)絲的特性參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí),重要的保險(xiǎn)絲參數(shù)如下:額定工作電壓,額定工作電流厶,環(huán)境溫度,熔斷熱能,f,相對(duì)i2t,最小/最大斷開時(shí)間,保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線.1)額定工作電壓:指過載發(fā)生時(shí),保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)上能使電路平安運(yùn)行的最大電壓.2)額定工作電流:指保險(xiǎn)絲的最高工作電流.3)環(huán)境溫度:對(duì)保險(xiǎn)絲額定容量的選取需要進(jìn)行

6、環(huán)境溫度的折算;曲線如圖1所示.at0fusetemperaturereratingcurve圖1ato保險(xiǎn)絲的溫度折算曲線141熔斷熱能,f:電流平方對(duì)時(shí)間的積分,對(duì)保險(xiǎn)絲而言代表了熔體熔斷所需的能量;如圖2所示,對(duì)電路而言那么是指出現(xiàn)脈沖電流時(shí)所釋放出的能量,rf._w玎矗:r:霄訂r訂訂_一li一1a04azs.|曩|(zhì)l.舫3a7.4azs譬|_一簪4蕊5a26nsi謄iz鮒|參i|勵(lì)10a1i5azsm.|誓g街%20a520a2stj-il劂罅30a1510azs_|j鮒.|2捌舾40a3310a2s圖2ato保險(xiǎn)絲的3151相對(duì)i2t:電流脈沖的i2t除以保險(xiǎn)絲的i2t.相對(duì)i2t

7、與保險(xiǎn)絲的沖擊壽命有密切的關(guān)系,如圖3所示,為確保保險(xiǎn)絲的使用壽命,一般建議相對(duì)i2t需小于30%;圖3相對(duì)12t與沖擊壽命的關(guān)系6)最小/最大熔斷時(shí)間:指相對(duì)于額定電流一定比值的情況下,其允許的最小及最大熔斷時(shí)間(如圖4所示);timecurrentcharebiristics/;r1口_1111_幣t珂踴踴t翮日i雨n曩ltg|月翻1t0100hrs/一腰il|.夠卿釃0.疊0.腳m稿酗100ms/5020015dms/5os.一梢硝聊|%齠瓣$撕麟-一一,100ms60o一/150ms圖4ato保險(xiǎn)絲的最小/最大熔斷時(shí)間啪mm惜塒砷菇再一ii歪p.差一善|6.一琶墨第1期趙國(guó)霖等:汽車線

8、束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配ll571保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線:指保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間隨熔斷電流變化的曲線(如圖5所示).圖5maxi保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線l34保險(xiǎn)絲的選取保險(xiǎn)絲的選取需要考慮負(fù)載的類型,電流范圍及保險(xiǎn)絲的環(huán)境溫度,首先確定選用快熔還是慢熔保險(xiǎn)絲,然后再進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算時(shí)需要考慮連續(xù)額定工作,堵轉(zhuǎn)電流的情況,然后看負(fù)載的類型,決定是否進(jìn)行瞬時(shí)脈沖和過渡電流的校核.4.1連續(xù)額定工作的情況保險(xiǎn)絲的選取可用如下公式:,=一4】(7)x0.75式中:,理想保險(xiǎn)絲的工作電流;電路的額定工作電流;rr環(huán)境溫度折減系數(shù);0.75負(fù)載特性系數(shù),一般取0.75.4.2堵轉(zhuǎn)電流的情況對(duì)于電機(jī)類負(fù)載,存在啟動(dòng)時(shí)的

9、堵轉(zhuǎn).對(duì)其初步選擇,本文建議堵轉(zhuǎn)電流應(yīng)處于保險(xiǎn)絲額定電流的110%至135%之間,可通過過渡電流的校核來作最終確認(rèn).4_3瞬時(shí)脈沖的校核需先根據(jù)電路中脈沖電流的波形,計(jì)算脈沖電流的i2t,再除以保險(xiǎn)絲的izt得到相對(duì)izt,一般需確保相對(duì)i2t<30%;常見沖擊電流波形的izt可由圖6求出.4.4過渡電流的校核對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)電流,其沖擊電流的時(shí)間往往大于0.1s,用上述計(jì)算相對(duì)i2t的方法就不再適合了,因?yàn)閕2t的值隨熔斷時(shí)間的變化將會(huì)不斷改變,這時(shí)需要做出相對(duì)i2t的變化曲線進(jìn)行計(jì)算.對(duì)于保險(xiǎn)絲,要做出i2t隨時(shí)間變化的曲線,一般可以選取幾個(gè)特定時(shí)間點(diǎn),根據(jù)熔斷特性曲線積分算出此點(diǎn)的

10、i2t,將其連接起來即可.對(duì)于沖擊電流,那么需根據(jù)沖擊電流的情況對(duì)其作電流平方隨時(shí)間的積分曲線.然后求出這兩條i2t曲線的比值的曲線,即相對(duì)i2t曲線,確保其最大值小于30%.通過上述計(jì)算即可確定保險(xiǎn)絲額定容量的最小值,然后根據(jù)情況選取不小于計(jì)算值的實(shí)際的保險(xiǎn)絲.formulasi=klt=ti=ip-kti2t=c1/3)?ip-k;pib+ib2)ti=ipsinti2t=c1/2)i口2te一llt=ip婀一刊一一j?-1一圖6常見沖擊電流波形的izt【】5線徑的計(jì)算在確定了保險(xiǎn)絲的容量后就可以進(jìn)行線徑的計(jì)算和選擇了.首先根據(jù)線束的環(huán)境溫度根本確定導(dǎo)線的材質(zhì),再計(jì)算所需的線徑.一般分為無

11、保險(xiǎn)絲保護(hù)和有保險(xiǎn)絲保護(hù)兩種情況.5.1無保險(xiǎn)絲保護(hù)的回路無保險(xiǎn)絲保護(hù)的回路一般是信號(hào)連線等非電源供應(yīng)回路,在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮額定工作電流,因線路阻抗產(chǎn)生的壓降,脈沖電流的溫升情況.5.1.1額定工作電流根據(jù)線束的設(shè)計(jì),如果是電源回路(不包括電一一h一一habcd116機(jī)電技術(shù)2021年2月流很弱的控制信號(hào)回路),需確定成捆線束里電源回路的數(shù)量,并對(duì)其進(jìn)行系數(shù)折算,公式如下:lin21一式中,ih線束的計(jì)算電流;回路的額定電流;成捆電源回路的折減系數(shù)(如表2(8)所示1.表2成捆電源回路的折減系數(shù)21根據(jù)計(jì)算出來的和相應(yīng)的環(huán)境溫度,選擇適宜的線徑.5.1.2線路阻抗產(chǎn)生的壓降根據(jù)線束工程圖紙確定

12、回路的長(zhǎng)度,所選線材線徑的電阻率r和回路的額定電流厶,可以計(jì)算出回路的壓降:=lri(9)需確定是否滿足系統(tǒng)要求,不滿足那么應(yīng)通過調(diào)整回路的線徑來改變電阻率,直至滿足系統(tǒng)要求.5.1.3溫升計(jì)算如果回路中有電流較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流脈沖,有必要對(duì)此過程的溫升進(jìn)行計(jì)算,可以通過前面的式3,利用matlab計(jì)算整個(gè)過程的溫升情況,需確保溫升的最大值不超過線束的額定工作溫度.5.2有保險(xiǎn)絲保護(hù)的回路在有保險(xiǎn)絲保護(hù)的線路中,除了需進(jìn)行上述的計(jì)算以外,還需要進(jìn)行線束與保險(xiǎn)絲的匹配校核和短路電流的校核,做法如下.5.2.1導(dǎo)線與保險(xiǎn)絲的匹配校核一般的做法是根據(jù)式5,做出導(dǎo)線發(fā)煙特性曲線,再做出保險(xiǎn)絲的熔

13、斷特性曲線,如橫坐標(biāo)為電流,縱坐標(biāo)為時(shí)間,那么導(dǎo)線的發(fā)煙特性曲線應(yīng)位于保險(xiǎn)絲的熔斷特性曲線上方并且無交叉,即導(dǎo)線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時(shí)間需大于保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間.實(shí)際上對(duì)于普通車用低壓保險(xiǎn)絲和線束而言,要滿足上述條件只需確保導(dǎo)線不發(fā)煙的最大電流大于保險(xiǎn)絲的最低熔斷電流即可.導(dǎo)線不發(fā)煙的最大電流可用式(6)計(jì)算,代入環(huán)境溫度和線束的發(fā)煙溫度即可.也可以直接查導(dǎo)線的發(fā)煙特性曲線得出.保險(xiǎn)絲的最低熔斷電流一般按保險(xiǎn)絲額定電流的135%來計(jì)算.5.2.2短路電流的校核根據(jù)導(dǎo)線的長(zhǎng)度計(jì)算導(dǎo)線的阻抗,再加上節(jié)點(diǎn)的阻抗即為回路總阻抗,再由此計(jì)算短路電流.為確保保險(xiǎn)絲在短路情況下可以完全斷開,一般短路電流的值

14、應(yīng)大于保險(xiǎn)絲額定電流的350%,低于此值需做試驗(yàn)驗(yàn)證或重新選取導(dǎo)線.6設(shè)計(jì)實(shí)例本文以東南汽車某車型的啟動(dòng)回路與冷凝器風(fēng)扇回路為例,利用上述計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)說明.首先進(jìn)行啟動(dòng)回路的計(jì)算.在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)回路需要通過大電流.啟動(dòng)回路沒有保險(xiǎn)絲,通過啟動(dòng)機(jī)的電磁開關(guān)進(jìn)行電源的切換.設(shè)計(jì)應(yīng)考慮回路允許的阻抗及導(dǎo)線的耐電流這兩個(gè)方面.啟動(dòng)機(jī)特性:額定功率:1.2kw,空載電流<90a,負(fù)載時(shí)300a,堵轉(zhuǎn)<650a.6.1額定電流的計(jì)算由于一般建議單次啟動(dòng)時(shí)間不得超過35s,兩次啟動(dòng)間隔1015s,故額定電流需要進(jìn)行折算,折算比例取:工作時(shí)間5,工作時(shí)間+間歇時(shí)間5+l0u_z_=.

15、jj于是導(dǎo)線的耐電流需求為:3000.33=100a.初步選20nun的heb線材,其容許電流為119a.6.2回路的壓降計(jì)算因該回路通過的電流較大,考慮到冷啟動(dòng)的特性,要求線路上的總阻抗要盡可能的小,推薦值為小于4mq,減去接觸處鎖附螺栓的阻抗1mq,導(dǎo)線上阻抗約3mq.回路的長(zhǎng)度(正極+負(fù)極)=930+920=1850mm,電阻率如下:1.62m.q/rn=1.1.85第1期趙國(guó)霖等:汽車線束與保險(xiǎn)絲的計(jì)算及匹配l1720舢的heb線的電阻率為0.946mfem<1.62rn.q/m,因此線徑適宜.6.3回路的溫升計(jì)算根據(jù)式(3),利用matlab建模對(duì)啟動(dòng)電流引起的回路溫升進(jìn)行校核

16、;matlab仿真模型如圖7所示.圖7線束溫升的仿真模型設(shè)環(huán)境溫度40c,正常啟動(dòng)的情況如圖8所示,整個(gè)過程約2s,從開始至發(fā)動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)的時(shí)間約ls.圖中上面的曲線代表啟動(dòng)電流,下面的曲線為導(dǎo)線的溫升.圖8正常啟動(dòng)的情況啟動(dòng)回路除了滿足正常啟動(dòng)外,還應(yīng)滿足連續(xù)屢次啟動(dòng)的情況,對(duì)其按啟動(dòng)5s,停止10s,連續(xù)啟動(dòng)3min,堵轉(zhuǎn)電流650a,啟動(dòng)狀態(tài)的電流按300a進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖9所示.圖9連續(xù)啟動(dòng)的情況heb耐溫性為容許工作溫度:80,發(fā)煙溫度150c,從圖8,圖9看出,線材的選取可滿足實(shí)際需求.7冷凝器風(fēng)扇回路設(shè)計(jì)冷凝器風(fēng)扇的電源回路有保險(xiǎn)絲,按照本文第4節(jié)的方法,需先確定保險(xiǎn)絲,再確定

17、線材線徑.7.1冷凝器風(fēng)扇回路保險(xiǎn)絲確實(shí)定冷凝器風(fēng)扇電機(jī)除了額定工作電流之外,在啟動(dòng)狀態(tài)有很大的電流沖擊,電機(jī)轉(zhuǎn)速由0加速至額定轉(zhuǎn)速用時(shí)約1.2s,回路的電流也是從堵轉(zhuǎn)電流降低至額定工作電流,對(duì)保險(xiǎn)絲而言,啟動(dòng)的沖擊電流對(duì)其壽命的影響是必須考慮的.冷凝器風(fēng)扇電機(jī)參數(shù):額定工作電壓12v,額定工作電流8.6a,堵轉(zhuǎn)電流31a.由于此負(fù)載的額定工作電流不大,無其他特殊要求,故考慮采用體積較小的刀片式快熔保險(xiǎn)絲,其位于引擎室保險(xiǎn)絲盒內(nèi),環(huán)境溫度約80,查表得到環(huán)境溫度的折減系數(shù)rr=0.92.1)額定工作電流的計(jì)算根據(jù)式(7)可算出:l|=in一9.6rr0.750.920.75=12.46a2)堵

18、轉(zhuǎn)電流的計(jì)算按135%的倍率來計(jì)算:,1,=._=22.96a1.35l-35綜上保險(xiǎn)絲容量初步選取25a.3)過渡電流的計(jì)算因?yàn)榛芈分袥]有瞬時(shí)的脈沖電壓但需進(jìn)行過渡電流的相對(duì),f的計(jì)算,利用matlab建模如圖l0所示,結(jié)果如圖11所示.圖10過渡電流相對(duì)的計(jì)算模型圖11從上至下的曲線依次為:過渡電流,保險(xiǎn)絲的i2t,過渡電流的i2t,相對(duì)i2t.由結(jié)果可知相對(duì)i2t的最大值為16%<30%,故保險(xiǎn)絲的容量選取25a.118機(jī)電技術(shù)2021年2月圖11過渡電流計(jì)算結(jié)7.2冷凝器風(fēng)扇回路線徑的計(jì)算對(duì)于從保險(xiǎn)絲至電機(jī)正極這一段回路(含繼電器局部)是需要短路保護(hù)的,需要進(jìn)行與保險(xiǎn)絲的匹配;而

19、從電機(jī)負(fù)極至接地局部的負(fù)極線回路因?yàn)榻?jīng)過了負(fù)載,不需要進(jìn)行短路保護(hù),也就不需要進(jìn)行與保險(xiǎn)絲的匹配,進(jìn)行額定工作電流的計(jì)算即可.因此先進(jìn)行負(fù)極線的計(jì)算.根據(jù)線束的布置,線束中含有2根電源回路,根據(jù)表2,折減系數(shù)取0.8,由式(8)知:in=慕a環(huán)境溫度按80計(jì),初步選定avx1.25的線材,在此環(huán)境溫度下,耐電流可達(dá)14a.7.3線徑與保險(xiǎn)絲的校核對(duì)于電機(jī)的正極線,需在此根底上還需進(jìn)行與保險(xiǎn)絲的匹配計(jì)算,由于取25a保險(xiǎn)絲,故導(dǎo)線的發(fā)煙電流需大于251.35=33.75a對(duì)于avx1.25的線材:發(fā)煙溫度=17o,環(huán)境溫度取80?cm/w,帶入式6計(jì)算導(dǎo)線發(fā)煙時(shí)的電流:=28.9<33.75不滿足實(shí)際需求,故改用avx2.0的導(dǎo)線校核,其r=0.12964796mf/cm,r=456.6c?cm/w=38.9>33.