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    基于瞬態(tài)電流影響的汽車線束選取分析

    2017-05-30 04:52:41金保永孫仁云張瀟劉濤
    科技風(fēng) 2017年6期

    金保永 孫仁云 張瀟 劉濤

    摘 要:本文以某自卸車為例,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車線束設(shè)計(jì)過程中極易忽略的瞬態(tài)電流、線束溫度等問題,提出了汽車電路中導(dǎo)線截面積、接插件等線束部件的選取原則和注意事項(xiàng),為整車運(yùn)行的可靠性提供參考。

    關(guān)鍵詞:汽車線束;瞬態(tài)電流;導(dǎo)線截面積

    隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,電子產(chǎn)品在汽車上得到大量應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)平均每輛汽車上的電子產(chǎn)品占整車成本的20%-30%,某些高檔車上的電子產(chǎn)品占整車成本的50%以上[ 1 ]。汽車線束作為整車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了滿足整車的需求,其數(shù)量、質(zhì)量和規(guī)格的選取在整車設(shè)計(jì)過程中顯得越來越重要。

    1 汽車線束選取

    汽車線束電阻通常很小,整車設(shè)計(jì)過程中很容易忽略線束本身的影響。隨著各種電子類產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用,線束特別是一些帶發(fā)熱類阻性負(fù)載的回路,其靜態(tài)電阻和工作電阻對(duì)整車線束回路影響相差很大。汽車線束的設(shè)計(jì)主要包括導(dǎo)線的選取、端子和連接件的選取、包扎固定設(shè)計(jì)以及合理的布線等。其中導(dǎo)線的選取是其中的重點(diǎn)。

    1.1 導(dǎo)線類型選取

    汽車整車線束通常采用銅質(zhì)多芯線,絕緣皮通常使用薄壁PVC 絕緣材料,其類型的正確選用要考慮線束的工作環(huán)境和功能。目前國內(nèi)外汽車線束常用的導(dǎo)線種類有AVSS、QVR、FLRY、美標(biāo)等幾大系列[ 2 ],這幾種線束各有特點(diǎn)。線束設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,合理選用導(dǎo)線類型,避免選取類型不符造成整車運(yùn)行過程中出現(xiàn)安全隱患。

    1.2 導(dǎo)線截面積的選擇

    線束設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是保證整車運(yùn)行的可靠性,其次是降低成本。導(dǎo)線橫截面積的確定,首先根據(jù)回路中電氣設(shè)備的工作電流、工作時(shí)間選擇實(shí)際載流量60%-100%的導(dǎo)線;其次,根據(jù)線束回路中連接器數(shù)量、導(dǎo)線長(zhǎng)度、電壓降的大小和導(dǎo)線實(shí)際工作環(huán)境適當(dāng)改變導(dǎo)線截面積,這樣確定的導(dǎo)線截面積才能在滿足整車運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)上降低成本。導(dǎo)線的橫截面積確定相關(guān)公式:

    1)用電設(shè)備電流計(jì)算公式:

    式中:I-用電設(shè)備電流;P-負(fù)載功率;U-額定電壓。

    2)導(dǎo)線橫截面積計(jì)算公式:

    式中:A-導(dǎo)線截面積,單位 mm2;I-額定電流,單位 A;ρ-導(dǎo)線電阻率,銅芯導(dǎo)線一般取值為 0.0185Ω*mm2/m;L-導(dǎo)線長(zhǎng)度,單位 m;UJ-導(dǎo)線允許的電壓降,單位 V。

    3)線束在工作過程中常伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象,設(shè)計(jì)線束時(shí)常通過控制電流密度的方法限制線束的發(fā)熱問題。

    由于計(jì)算時(shí)需要引入電壓降,因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中常常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

    導(dǎo)線截面積的選取和電流是有直接關(guān)系的,在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)通過精確的計(jì)算。

    2 發(fā)熱類阻性負(fù)載電流對(duì)線束影響

    由于汽車運(yùn)行的需要在許多線束回路中都含有發(fā)熱類阻性負(fù)載。對(duì)于帶發(fā)熱類阻性負(fù)載的線束回路,起動(dòng)瞬間電氣設(shè)備本身電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電阻值,那么起動(dòng)瞬間回路中的瞬時(shí)電流也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線束回路穩(wěn)定電流值。

    以某自卸車為例:整個(gè)車身近20個(gè)燈具,這些燈具均為本文所說發(fā)熱類阻性負(fù)載,在整車通電瞬間各線束回路由于啟動(dòng)電阻較小,回路中瞬態(tài)電流將會(huì)很大,對(duì)整個(gè)回路電氣設(shè)備(例如繼電器等)沖擊很大,特別是在選取線束是沒有考慮發(fā)熱類阻性負(fù)載的靜態(tài)特性,導(dǎo)致整個(gè)回路導(dǎo)線過細(xì),那么瞬時(shí)電流必定超出回路電器的標(biāo)稱可耐受電流,從而引起相關(guān)電器的故障,例如黏連現(xiàn)象、短路、迅速老化等,從而造成安全事故。

    以實(shí)車測(cè)試左近光燈為例:在初始環(huán)境溫度26.4℃,電池組供電電壓實(shí)測(cè)24V的條件下,對(duì)左近光燈線束進(jìn)行了測(cè)量(導(dǎo)線實(shí)際采用截面積1mm2), 圖1為起動(dòng)瞬間該線束回路瞬態(tài)電流測(cè)試結(jié)果,圖2為左近光燈線束穩(wěn)定電流測(cè)試結(jié)果。由圖1、圖2可知通電瞬間瞬態(tài)電流最大值可以達(dá)到14.72A,回路工作穩(wěn)定后通過電氣設(shè)備的電流僅為2.64A,通過對(duì)比兩值相差較大,如此高的瞬態(tài)電流長(zhǎng)期使用定會(huì)對(duì)該回路線束、電器等部件造成損害,實(shí)驗(yàn)過程中通過整車線束進(jìn)行熱成像測(cè)試發(fā)現(xiàn)該回路繼電器溫度較高(如圖3所示),圖4是FLUKE紅外熱像儀對(duì)燈光控制繼電器測(cè)試的溫度變化趨勢(shì)(測(cè)試前5分鐘測(cè)試間隔為0.5分鐘,5~10分鐘測(cè)試間隔為1分鐘,之后測(cè)試30和60分鐘),測(cè)試溫度整體呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。那么在回路瞬態(tài)電流多次沖擊和關(guān)鍵部件溫度過高的工作環(huán)境下,很容易造成回路中相關(guān)部件的黏連短路,進(jìn)而使該回路長(zhǎng)通,出現(xiàn)故障,整車的安全性、可靠性也都會(huì)受到影響。

    3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)汽車線束在設(shè)計(jì)過程中常常會(huì)忽略線束回路本身的電阻影響。通過對(duì)整車線束的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)線束中存在瞬時(shí)電流過大、某些部件溫度過高等現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)熱類阻性負(fù)載回路導(dǎo)線截面積絕大多數(shù)選取0.5-0.75mm2,通過圖1、圖2實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)和QC/T29106-2002汽車低壓電線束條件進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)圖1起動(dòng)瞬態(tài)電流大于標(biāo)準(zhǔn)要求,瞬態(tài)電流雖然在整車運(yùn)行過程中持續(xù)時(shí)間很短,但多次起動(dòng)情況下仍對(duì)線束回路有較大沖擊,在汽車運(yùn)行過程中將很容易出現(xiàn)故障。

    以左近光燈為例,由圖1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知左近光燈線束通電后瞬態(tài)電流可達(dá)14.72A,由公式(4)計(jì)算可得A為1.072mm2,由于線束在整車運(yùn)行工程中伴隨持續(xù)的發(fā)熱考慮運(yùn)行的安全性線束截面積應(yīng)留有一定的余量,故A取1.5為好。

    實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)汽車近光燈;危險(xiǎn)報(bào)警燈等回路線束進(jìn)行測(cè)試,瞬態(tài)電流均比回路穩(wěn)定電流大。由此可見瞬態(tài)電流過大是發(fā)熱類阻性負(fù)載回路的共性,因此為保證整車運(yùn)行的安全性,在設(shè)計(jì)選取汽車此類線束時(shí)要充分考慮線束的這種現(xiàn)象。

    4 線束設(shè)計(jì)的選取方法

    線束作為整車運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)線的選取一定要通過精確計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的截面積。起動(dòng)瞬態(tài)電流、回路運(yùn)行時(shí)的溫度這些容易被忽視的細(xì)小因素在設(shè)計(jì)過程中也要引起設(shè)計(jì)者的重視。汽車起動(dòng)瞬間電流必定很大,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行線束溫度也一定會(huì)升高,所以在設(shè)計(jì)之初導(dǎo)線截面積可適當(dāng)取大些,以滿足線束回路運(yùn)行的需要。

    線束回路不僅包括導(dǎo)線還有端子、接插件等保護(hù)附件,以及繼電器、熔斷器等電器部件,對(duì)于這些部件除了精確的計(jì)算還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行合理選取。

    例如發(fā)動(dòng)機(jī)部位溫度高、腐蝕性大、長(zhǎng)期振動(dòng),處于這種部位的導(dǎo)線、端子以及接插件極易與其他部件發(fā)生摩擦、碰撞,因此發(fā)動(dòng)機(jī)部位的線束部件就要有耐高溫、耐腐蝕、密封好的特點(diǎn)。

    5 結(jié)語

    本文主要介紹了汽車線束的選取,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明起動(dòng)瞬態(tài)電流、線束溫度對(duì)整車運(yùn)行安全也至關(guān)重要,提出了線束選取遵循的原則和注意事項(xiàng)。同時(shí)瞬態(tài)電流、線束溫度等極易忽略的汽車安全因素在汽車設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)進(jìn)行綜合考慮并滿足相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 孫仁云,付百學(xué),等.汽車電器與電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

    [2] 梁磊.汽車線束設(shè)計(jì)及可靠性研究[D].中北大學(xué),2015.

    基金項(xiàng)目:

    西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ygj2016088),

    西華大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(15208561-3)

    作者簡(jiǎn)介:金保永(1989-),男,河南開封人,碩士,主要從事汽車電控技術(shù)的研究。

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