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文檔簡介
1、汽車線束與保險絲的計算及匹配第1期機電技術汽車線束與保險絲的計算及匹配趙國霖范家通王釗(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絲的設計流程,對相關計算公式做了推導并利用matlab進行仿真,并對這些計算方法進行實例說明.關鍵詞:汽車線束;線徑;保險絲;匹配計算中圖分類號:u463.6文獻標識碼:a文章編號:汽車線束作為重要的保安零件,是車輛平安運行的根本保證.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)濟性及裝配空間的需求,線束的輕量化設計顯得十分重要.為了能在滿足平安和功能的前提下,對線束進行輕量化的設計,就必須對導線進行定量的分
2、析及計算.本文從設計流程,導線傳熱模型及保險絲的特性參數(shù)出發(fā),對線徑與保險絲的計算及匹配方法作闡述,最后以實例予以說明.經(jīng)長期的市場實績證明本文的方法在實際中的應用是成功的.1線束線徑與保險絲的設計流程首先根據(jù)負載的電流特性,保險絲的工作環(huán)境確定保險絲的容量,再根據(jù)負載特性和線束的環(huán)境來計算所需線徑.對于有保險絲保護的回路,需要進行線束與保險絲的匹配校核,進一步確定線徑.保險絲的計算一般指額定工作電流的計算,但如果負載含沖擊電流,還需進行沖擊電流的計算,初步確定容量后,對沖擊電流進行保險絲的壽命校核,直至最終確定其容量.線徑計算首先是額定電流的計算,需要考慮負載特性,線束的環(huán)境溫度,同一分支線
3、束中電源回路的數(shù)量.對于特殊的回路(如起動機)進行線束溫升的計算.對于受保險絲保護的回路,需進行匹配計算以確保導線開始發(fā)煙的時間大于保險絲的熔斷時間.最后對短路電流進行校核,確保故障發(fā)生時短路電流足以使保險絲及時熔斷.2導線的傳熱模型導線由線芯和絕緣層組成.其中,導體是發(fā)熱局部,絕緣層那么是散熱局部;單位長度導線的發(fā)熱功率:p=12(1)式中,為通過導線的電流,a;為單位長度導線的電阻,q/cm.導線的傳熱微分方程為:cdt+=(2)厶式中,為單位長度導線的熱阻,?cm/w;c為熱容,j-cm/c;t為導線的溫度,.由上通過拉氏變換可知溫度對發(fā)熱功率的傳遞函數(shù):=麗r(3)p)+1,利用上式進
4、行拉氏反變換可以算出導線在長時間連續(xù)通電情況下的溫升情況:一=pp一面(4)式中,乃為導線的允許512作溫度,為環(huán)境溫度.+a-=1,并對其積分計算,上式為:一=p-at=par(一1口l):pr(1一e)=rr(1一e)(5)這與標準jasod6092001結果一致.對于導線而言,其絕緣層的最大允許溫度決定了導線承載電流的能力.常.的日本標導線的容許t作者簡介:趙國霖(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機電技術2021年2月作溫度和發(fā)煙溫度
5、如表1.表1導線的容許工作溫度和發(fā)煙溫度【】綜上可得出如下結果:1)對于通電電流變化的情況可以用式(3)計算導線的溫升情況;2)對于通電電流可視為恒定值的情況,可以利用式(51計算導線的溫升情況;31根據(jù)式5,取+,可以計算出在允許工作溫度下能長時間通過的最大電流:一一,=(6)3保險絲的特性參數(shù)在實際應用時,重要的保險絲參數(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i2t,最小/最大斷開時間,保險絲的熔斷特性曲線.1)額定工作電壓:指過載發(fā)生時,保險絲設計上能使電路平安運行的最大電壓.2)額定工作電流:指保險絲的最高工作電流.3)環(huán)境溫度:對保險絲額定容量的選取需要進行
6、環(huán)境溫度的折算;曲線如圖1所示.at0fusetemperaturereratingcurve圖1ato保險絲的溫度折算曲線141熔斷熱能,f:電流平方對時間的積分,對保險絲而言代表了熔體熔斷所需的能量;如圖2所示,對電路而言那么是指出現(xiàn)脈沖電流時所釋放出的能量,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10a1i5azsm.|誓g街%20a520a2stj-il劂罅30a1510azs_|j鮒.|2捌舾40a3310a2s圖2ato保險絲的3151相對i2t:電流脈沖的i2t除以保險絲的i2t.相對i2t
7、與保險絲的沖擊壽命有密切的關系,如圖3所示,為確保保險絲的使用壽命,一般建議相對i2t需小于30%;圖3相對12t與沖擊壽命的關系6)最小/最大熔斷時間:指相對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保險絲的最小/最大熔斷時間啪mm惜塒砷菇再一ii歪p.差一善|6.一琶墨第1期趙國霖等:汽車線
8、束與保險絲的計算及匹配ll571保險絲的熔斷特性曲線:指保險絲的熔斷時間隨熔斷電流變化的曲線(如圖5所示).圖5maxi保險絲的熔斷特性曲線l34保險絲的選取保險絲的選取需要考慮負載的類型,電流范圍及保險絲的環(huán)境溫度,首先確定選用快熔還是慢熔保險絲,然后再進行計算.計算時需要考慮連續(xù)額定工作,堵轉電流的情況,然后看負載的類型,決定是否進行瞬時脈沖和過渡電流的校核.4.1連續(xù)額定工作的情況保險絲的選取可用如下公式:,=一4】(7)x0.75式中:,理想保險絲的工作電流;電路的額定工作電流;rr環(huán)境溫度折減系數(shù);0.75負載特性系數(shù),一般取0.75.4.2堵轉電流的情況對于電機類負載,存在啟動時的
9、堵轉.對其初步選擇,本文建議堵轉電流應處于保險絲額定電流的110%至135%之間,可通過過渡電流的校核來作最終確認.4_3瞬時脈沖的校核需先根據(jù)電路中脈沖電流的波形,計算脈沖電流的i2t,再除以保險絲的izt得到相對izt,一般需確保相對i2t<30%;常見沖擊電流波形的izt可由圖6求出.4.4過渡電流的校核對風扇電機的啟動電流,其沖擊電流的時間往往大于0.1s,用上述計算相對i2t的方法就不再適合了,因為i2t的值隨熔斷時間的變化將會不斷改變,這時需要做出相對i2t的變化曲線進行計算.對于保險絲,要做出i2t隨時間變化的曲線,一般可以選取幾個特定時間點,根據(jù)熔斷特性曲線積分算出此點的
10、i2t,將其連接起來即可.對于沖擊電流,那么需根據(jù)沖擊電流的情況對其作電流平方隨時間的積分曲線.然后求出這兩條i2t曲線的比值的曲線,即相對i2t曲線,確保其最大值小于30%.通過上述計算即可確定保險絲額定容量的最小值,然后根據(jù)情況選取不小于計算值的實際的保險絲.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線徑的計算在確定了保險絲的容量后就可以進行線徑的計算和選擇了.首先根據(jù)線束的環(huán)境溫度根本確定導線的材質(zhì),再計算所需的線徑.一般分為無
11、保險絲保護和有保險絲保護兩種情況.5.1無保險絲保護的回路無保險絲保護的回路一般是信號連線等非電源供應回路,在設計時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)線束的設計,如果是電源回路(不包括電一一h一一habcd116機電技術2021年2月流很弱的控制信號回路),需確定成捆線束里電源回路的數(shù)量,并對其進行系數(shù)折算,公式如下:lin21一式中,ih線束的計算電流;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)計算出來的和相應的環(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、回路的長度,所選線材線徑的電阻率r和回路的額定電流厶,可以計算出回路的壓降:=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溫升計算如果回路中有電流較大且持續(xù)時間較長的電流脈沖,有必要對此過程的溫升進行計算,可以通過前面的式3,利用matlab計算整個過程的溫升情況,需確保溫升的最大值不超過線束的額定工作溫度.5.2有保險絲保護的回路在有保險絲保護的線路中,除了需進行上述的計算以外,還需要進行線束與保險絲的匹配校核和短路電流的校核,做法如下.5.2.1導線與保險絲的匹配校核一般的做法是根據(jù)式5,做出導線發(fā)煙特性曲線,再做出保險絲的熔
13、斷特性曲線,如橫坐標為電流,縱坐標為時間,那么導線的發(fā)煙特性曲線應位于保險絲的熔斷特性曲線上方并且無交叉,即導線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時間需大于保險絲的熔斷時間.實際上對于普通車用低壓保險絲和線束而言,要滿足上述條件只需確保導線不發(fā)煙的最大電流大于保險絲的最低熔斷電流即可.導線不發(fā)煙的最大電流可用式(6)計算,代入環(huán)境溫度和線束的發(fā)煙溫度即可.也可以直接查導線的發(fā)煙特性曲線得出.保險絲的最低熔斷電流一般按保險絲額定電流的135%來計算.5.2.2短路電流的校核根據(jù)導線的長度計算導線的阻抗,再加上節(jié)點的阻抗即為回路總阻抗,再由此計算短路電流.為確保保險絲在短路情況下可以完全斷開,一般短路電流的值
14、應大于保險絲額定電流的350%,低于此值需做試驗驗證或重新選取導線.6設計實例本文以東南汽車某車型的啟動回路與冷凝器風扇回路為例,利用上述計算方法進行實際設計說明.首先進行啟動回路的計算.在發(fā)動機啟動時,啟動回路需要通過大電流.啟動回路沒有保險絲,通過啟動機的電磁開關進行電源的切換.設計應考慮回路允許的阻抗及導線的耐電流這兩個方面.啟動機特性:額定功率:1.2kw,空載電流<90a,負載時300a,堵轉<650a.6.1額定電流的計算由于一般建議單次啟動時間不得超過35s,兩次啟動間隔1015s,故額定電流需要進行折算,折算比例取:工作時間5,工作時間+間歇時間5+l0u_z_=.
15、jj于是導線的耐電流需求為:3000.33=100a.初步選20nun的heb線材,其容許電流為119a.6.2回路的壓降計算因該回路通過的電流較大,考慮到冷啟動的特性,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,導線上阻抗約3mq.回路的長度(正極+負極)=930+920=1850mm,電阻率如下:1.62m.q/rn=1.1.85第1期趙國霖等:汽車線束與保險絲的計算及匹配l1720舢的heb線的電阻率為0.946mfem<1.62rn.q/m,因此線徑適宜.6.3回路的溫升計算根據(jù)式(3),利用matlab建模對啟動電流引起的回路溫升進行校核
16、;matlab仿真模型如圖7所示.圖7線束溫升的仿真模型設環(huán)境溫度40c,正常啟動的情況如圖8所示,整個過程約2s,從開始至發(fā)動機成功啟動的時間約ls.圖中上面的曲線代表啟動電流,下面的曲線為導線的溫升.圖8正常啟動的情況啟動回路除了滿足正常啟動外,還應滿足連續(xù)屢次啟動的情況,對其按啟動5s,停止10s,連續(xù)啟動3min,堵轉電流650a,啟動狀態(tài)的電流按300a進行模擬,結果如圖9所示.圖9連續(xù)啟動的情況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際需求.7冷凝器風扇回路設計冷凝器風扇的電源回路有保險絲,按照本文第4節(jié)的方法,需先確定保險絲,再確定
17、線材線徑.7.1冷凝器風扇回路保險絲確實定冷凝器風扇電機除了額定工作電流之外,在啟動狀態(tài)有很大的電流沖擊,電機轉速由0加速至額定轉速用時約1.2s,回路的電流也是從堵轉電流降低至額定工作電流,對保險絲而言,啟動的沖擊電流對其壽命的影響是必須考慮的.冷凝器風扇電機參數(shù):額定工作電壓12v,額定工作電流8.6a,堵轉電流31a.由于此負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絲,其位于引擎室保險絲盒內(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)額定工作電流的計算根據(jù)式(7)可算出:l|=in一9.6rr0.750.920.75=12.46a2)堵
18、轉電流的計算按135%的倍率來計算:,1,=._=22.96a1.35l-35綜上保險絲容量初步選取25a.3)過渡電流的計算因為回路中沒有瞬時的脈沖電壓但需進行過渡電流的相對,f的計算,利用matlab建模如圖l0所示,結果如圖11所示.圖10過渡電流相對的計算模型圖11從上至下的曲線依次為:過渡電流,保險絲的i2t,過渡電流的i2t,相對i2t.由結果可知相對i2t的最大值為16%<30%,故保險絲的容量選取25a.118機電技術2021年2月圖11過渡電流計算結7.2冷凝器風扇回路線徑的計算對于從保險絲至電機正極這一段回路(含繼電器局部)是需要短路保護的,需要進行與保險絲的匹配;而
19、從電機負極至接地局部的負極線回路因為經(jīng)過了負載,不需要進行短路保護,也就不需要進行與保險絲的匹配,進行額定工作電流的計算即可.因此先進行負極線的計算.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,初步選定avx1.25的線材,在此環(huán)境溫度下,耐電流可達14a.7.3線徑與保險絲的校核對于電機的正極線,需在此根底上還需進行與保險絲的匹配計算,由于取25a保險絲,故導線的發(fā)煙電流需大于251.35=33.75a對于avx1.25的線材:發(fā)煙溫度=17o,環(huán)境溫度取80?cm/w,帶入式6計算導線發(fā)煙時的電流:=28.9<33.75不滿足實際需求,故改用avx2.0的導線校核,其r=0.12964796mf/cm,r=456.6c?cm/w=38.9>33.
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