汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源導(dǎo)線選用研究

曹銘津，邱鐘明

（佛山市實(shí)達(dá)科技有限公司，廣東 佛山 528000）

汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源導(dǎo)線選用研究

曹銘津，邱鐘明

（佛山市實(shí)達(dá)科技有限公司，廣東 佛山 528000）

分別以10AWG和12AWG特軟硅膠線作為便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源導(dǎo)線材料，考察不同情況下放電時(shí)間及放電電流對(duì)導(dǎo)線表面溫度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定情況下，放電時(shí)間與導(dǎo)線表面溫度呈一次方程關(guān)系，放電電流與導(dǎo)線表面溫度符合二次方程模型。以80 ℃為溫度上限，10AWG和12AWG導(dǎo)線放電2～6 s的過(guò)流值分別為719.1～456.2 A和449.1 ～304.3 A。

汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源；導(dǎo)線；表面溫度；過(guò)流值

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車的保有量正迅速增長(zhǎng)，越來(lái)越多家庭都開始使用汽車作為代步工具。由于天氣多變或汽車故障，偶爾會(huì)出現(xiàn)車載電池并不能順利起動(dòng)汽車的情況。為了快速、方便地解決上述問(wèn)題，便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生，該電源主要由高倍率鋰離子電池、電路板、導(dǎo)線、接頭及外殼組成，通過(guò)簡(jiǎn)單地與汽車電源連接，提供足夠的啟動(dòng)電流用于汽車點(diǎn)火。汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源使用方便、價(jià)格合理，受到越來(lái)越多消費(fèi)者的青睞，市場(chǎng)前景一片光明。

眾多電池生產(chǎn)廠商看準(zhǔn)便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源市場(chǎng)，紛紛推出各自品牌的汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源產(chǎn)品，力求在這個(gè)電池產(chǎn)品細(xì)分市場(chǎng)有自己的一席之地。但在便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)導(dǎo)線的選擇一直是各個(gè)廠商頭疼的問(wèn)題——使用過(guò)大的導(dǎo)線會(huì)造成物料的浪費(fèi)，成本的增加；使用過(guò)小的導(dǎo)線會(huì)使得大電流通過(guò)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，造成安全隱患。一般導(dǎo)線生產(chǎn)廠家在檢測(cè)報(bào)告上僅給出導(dǎo)線持續(xù)放電的安全電流范圍供客戶參考，表1中給出了導(dǎo)線廠家提供的長(zhǎng)時(shí)間放電的安全電流值，即12AWG和10AWG線分別為44.2 A和70.38 A，而對(duì)于非持續(xù)放電的情況并沒(méi)有具體明確的指標(biāo)。針對(duì)便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源的大電流短時(shí)放電使用的特點(diǎn)，現(xiàn)有導(dǎo)線指標(biāo)并不能使廠家合理地選用合適的導(dǎo)線，生產(chǎn)廠家各自按照自家經(jīng)驗(yàn)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行選取，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)也存在安全隱患。現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)導(dǎo)線的過(guò)流情況大部分為模擬實(shí)驗(yàn)［1-2］，缺乏對(duì)實(shí)際情況的探索。本論文通過(guò)模擬便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源大電流短時(shí)放電的使用情況，測(cè)量導(dǎo)線表面溫度變化，綜合考慮便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源各組成部分溫度耐受情況，得出選用導(dǎo)線的一般方法。同時(shí)針對(duì)導(dǎo)線過(guò)流值與大電流短時(shí)放電的關(guān)系進(jìn)行討論，完善非持續(xù)放電情況導(dǎo)線過(guò)流值指標(biāo)，對(duì)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的安全性，具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。

表1 特軟硅膠線10 AWG線和12 AWG線相關(guān)參數(shù)

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源為1064145TP-8000（2S2P）型鋰離子電池（佛山產(chǎn)），測(cè)量導(dǎo)線采用特軟硅膠線10AWG線和12AWG線（東莞產(chǎn)），具體物理參數(shù)如表1所示，大電流檢測(cè)設(shè)備為微電腦控制多功能檢測(cè)機(jī)（惠州產(chǎn)），溫度測(cè)量設(shè)備為34790A數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元（安捷倫公司），配合34901A二十通道多路轉(zhuǎn)換器（J型電熱偶）使用。測(cè)量環(huán)境溫度為25±3 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)方法：先將電池與導(dǎo)線進(jìn)行焊接，并與微電腦控制多功能檢測(cè)機(jī)連接，將溫度記錄儀上的電熱偶端緊貼導(dǎo)線。然后在微電腦控制多功能檢測(cè)機(jī)上，控制電池的放電時(shí)間及放電電流，在溫度記錄儀上記錄溫度的變化，得出不同放電時(shí)間及放電電流下導(dǎo)線達(dá)到的最高溫度。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2.1 單次放電性能測(cè)試

模擬汽車單次點(diǎn)火情況，對(duì)導(dǎo)線通過(guò)短時(shí)（2～6 s）的大電流（100～700 A），通過(guò)電熱偶將導(dǎo)線表面溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元記錄從放電開始到導(dǎo)線恢復(fù)室溫的溫度變化。每次放電前確保導(dǎo)線溫度恢復(fù)到室溫狀態(tài)。所需測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

表2 單次放電測(cè)試所需測(cè)試項(xiàng)目

1.2.2 多次間歇放電性能測(cè)試

模擬汽車多次間歇點(diǎn)火情況，對(duì)導(dǎo)線通過(guò)短時(shí)（2 s）的大電流（100～700 A），2次放電之間擱置5 s，連續(xù)重復(fù)3次，通過(guò)電熱偶將導(dǎo)線表面溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用數(shù)據(jù)收集/轉(zhuǎn)換單元記錄從放電開始到導(dǎo)線恢復(fù)室溫的溫度變化。每次放電前確保導(dǎo)線溫度恢復(fù)到室溫狀態(tài)。所需測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 多次間歇放電測(cè)試所需測(cè)試項(xiàng)目

2 結(jié)果與討論

2.1 單次放電時(shí)間對(duì)導(dǎo)線溫度的影響

在不同電流下考察放電時(shí)間對(duì)10AWG導(dǎo)線表面溫度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同電流下放電時(shí)間與10 AWG導(dǎo)線表面溫度的關(guān)系圖

從圖2中可以看出，在較低電流（100～200 A）通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，延長(zhǎng)放電時(shí)間對(duì)導(dǎo)線溫度影響不大，導(dǎo)線溫度對(duì)放電時(shí)間的改變并不敏感，盡管放電時(shí)間達(dá)到6 s之多，其導(dǎo)線表面溫度僅在40 ℃以下。增大放電電流至300～400 A范圍時(shí)，每增加1 s的放電時(shí)間，導(dǎo)線溫度增長(zhǎng)較為明顯，300 A放電6 s時(shí)導(dǎo)線表面溫度超過(guò)50 ℃，而400 A放電6 s時(shí)溫度超過(guò)70 ℃。當(dāng)放電電流為500 A時(shí)，放電時(shí)間為4 s的情況下，導(dǎo)線表面溫度達(dá)到85 ℃以上，而使用700 A放電僅放電2 s溫度竟然接近100 ℃。從汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源整體考慮，內(nèi)部導(dǎo)線溫度過(guò)高會(huì)使得相鄰的電路板、電子元件等部分熱負(fù)荷過(guò)高，影響性能及壽命；而且汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源內(nèi)部相對(duì)密閉，大量熱量難以短時(shí)間散去，會(huì)使得鋰離子電池處于高溫當(dāng)中，加劇電池自放電［3-5］，縮短單次充電后的使用時(shí)間，同時(shí)會(huì)縮短電池的循環(huán)壽命。基于上述考慮，導(dǎo)線表面溫度以80 ℃為溫度上限［6］，以此來(lái)衡量導(dǎo)線能否達(dá)到汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源短時(shí)大電流放電的使用標(biāo)準(zhǔn)。

從整體上分析，相同電流下改變放電時(shí)間，得出的曲線近似于放電時(shí)間與導(dǎo)線溫度的一次方程模型，通過(guò)擬合得到表4數(shù)據(jù)。其中擬合方程中的截距范圍為23～28，即當(dāng)放電時(shí)間為0時(shí)的導(dǎo)線表面溫度，與測(cè)試環(huán)境室溫相符；而特征值中的R2則代表采集的數(shù)據(jù)與擬合曲線的擬合程度，數(shù)值上越接近1表明真實(shí)數(shù)據(jù)與擬合曲線擬合度高，證明擬合曲線能較好地反映變量之間相互關(guān)系。不同放電電流下的擬合曲線的R2都接近1，表明該模型能很好地反映出放電時(shí)間與導(dǎo)線表面溫度之間的關(guān)系。從擬合曲線的斜率中可以看出，較低放電電流下曲線斜率較小，而逐漸增大放電電流，曲線的斜率迅速增大，表觀上表現(xiàn)為導(dǎo)線溫度對(duì)通電時(shí)間的變化越來(lái)越敏感，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況相符。

表4 不同放電電流下放電時(shí)間與導(dǎo)線表面溫度關(guān)系的模型特征值

綜上所述，在恒定放電電流下，延長(zhǎng)放電時(shí)間會(huì)使導(dǎo)線表面溫度持續(xù)上升，且放電時(shí)間與導(dǎo)線表面溫度呈一次線性關(guān)系。

本次臨床研究，回顧性統(tǒng)計(jì)分析我院在2017年12月—2018年6月期間收治確診為甲狀腺結(jié)節(jié)性病變患者70例。本組70例甲狀腺結(jié)節(jié)性病變患者均行B超檢查、實(shí)驗(yàn)室檢查。結(jié)合病理診斷及類型分析，與實(shí)際確診結(jié)果做進(jìn)一步對(duì)比評(píng)估。本組70例甲狀腺結(jié)節(jié)性病變患者，包括男性患者19例、女性患者51例；患者年齡23～74歲之間，平均年齡為40.2歲。本研究完全通過(guò)了倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，所選取的70例病患者均屬于同意簽署研究同意書的患者。

2.2 單次放電電流對(duì)導(dǎo)線溫度的影響

對(duì)上述數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，得出不同放電時(shí)間下，放電電流與導(dǎo)線表面溫度的關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知，在相同放電時(shí)間下，隨著放電電流的增加，導(dǎo)線表面溫度明顯增加。而且放電時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)線表面溫度對(duì)通電電流越敏感，每增加100 A所提升的導(dǎo)線溫度越大。相同放電時(shí)間下改變放電電流，得出的曲線近似于放電時(shí)間與導(dǎo)線溫度的二次方程模型，通過(guò)擬合得到表5數(shù)據(jù)。其中，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y=ax2+bx+c，其中y（℃）為導(dǎo)線表面溫度，x（A）為放電電流強(qiáng)度。

圖3 不同放電時(shí)間下放電電流與10 AWG導(dǎo)線表面溫度的關(guān)系圖

從表5中可知，二次方程模型的R2都接近1，表明該模型能很好反映放電電流與導(dǎo)線表面溫度的關(guān)系，即在放電時(shí)間一定的情況下，增大放電電流能使得導(dǎo)線表面溫度呈急速上升。利用得到的二次方程模型，將導(dǎo)線溫度y=80導(dǎo)入到方程中，得到不同放電時(shí)間下10AWG導(dǎo)線的過(guò)流值，其結(jié)果如表6所示。使用相同的方法算得80 ℃為上限的12AWG線過(guò)流值。

表5 不同放電時(shí)間下放電電流與10AWG導(dǎo)線表面溫度關(guān)系的模型特征值

表6 不同通電時(shí)間下的導(dǎo)線過(guò)流值（溫度上限為80 ℃） A

綜上所述，在恒定放電時(shí)間的情況下，增大放電電流會(huì)使導(dǎo)線表面溫度明顯上升，且兩者之間呈二次方程關(guān)系。通過(guò)模型計(jì)算得出不同通電時(shí)間下導(dǎo)線的過(guò)流值。

2.3 多次間歇放電對(duì)導(dǎo)線溫度的影響

導(dǎo)線在多次間歇放電中的表面溫度與放電電流關(guān)系見圖4。

圖4 不同放電情況下的10 AWG導(dǎo)線表面溫度與放電電流關(guān)系圖

從圖4可知，多次間歇放電情況中，導(dǎo)線表面溫度隨放電電流的增加而迅速增加。與持續(xù)放電6 s的情況對(duì)比可知，2種不同放電情況結(jié)果相近，即導(dǎo)線表面溫度與放電電流的關(guān)系同為二次方程模型。從結(jié)果分析可知，雖然間歇放電2 s在2次放電之間擱置了5 s，但在該時(shí)間段內(nèi)因放電而產(chǎn)生的熱量并沒(méi)有充分散失，從而3次放電的熱量不斷累積，其總體效果與持續(xù)放電6 s的結(jié)果相同。

由此可以得出，在汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源的使用上，在沒(méi)有足夠時(shí)間冷卻的情況下，多次間歇點(diǎn)火所導(dǎo)致的導(dǎo)線表面升溫與總點(diǎn)火時(shí)間有密切關(guān)系。

2.4 導(dǎo)體截面積對(duì)導(dǎo)線溫度的影響

2種導(dǎo)線在相同放電時(shí)間下與放電電流的關(guān)系如圖5所示。從表1中可以看出10AWG線與12AWG線的導(dǎo)體截面積分別為5.275 mm2和3.416 mm2，2種線材在截面積上有明顯的差別。而根據(jù)導(dǎo)體電阻與其通電橫截面積關(guān)系可知，通電截面積越大，其電阻越小。從圖5中可以看出，在較低電流范圍內(nèi)（100～200 A），2種線材所測(cè)得的表面溫度相差不大，而當(dāng)放電電流逐漸加大時(shí)，12AWG線比10AWG線的表面溫度增加更明顯，在500 A放電2 s的情況下，10AWG導(dǎo)線表面溫度僅為57.2 ℃，而12AWG線表面溫度達(dá)到了101.3 ℃。從上述結(jié)果可知，在低電流環(huán)境中，導(dǎo)體截面積對(duì)導(dǎo)線表面溫度影響不大，而當(dāng)放電電流增加到一定程度時(shí)，導(dǎo)體截面積較小的導(dǎo)線所產(chǎn)生的熱量更多，對(duì)汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源危害越大。

圖5 相同放電情況下不同線號(hào)對(duì)導(dǎo)線表面溫度的關(guān)系圖

2.5 導(dǎo)線表面溫度隨時(shí)間的變化情況

圖6 500 A放電4 s 10AWG線表面溫度隨時(shí)間變化曲線

圖6為在500 A放電4 s 10AWG線表面溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖6中可以看出，從放電開始溫度急速上升，到達(dá)最高溫度86.2 ℃，所需時(shí)間為20 s，即放電時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線溫度并沒(méi)有達(dá)到最高，而是有一個(gè)滯后的過(guò)程。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)闊崃繌膶?dǎo)體到絕緣層再到導(dǎo)線表面的傳導(dǎo)過(guò)程中，受到熱量堆積、材料導(dǎo)熱系數(shù)較小的影響。而從最高溫度降溫到40 ℃這個(gè)“安全溫度”所需時(shí)間為2.5 min。從便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源的使用角度分析，在通電后的20 s內(nèi)，溫度飆升明顯，這時(shí)候便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源安全風(fēng)險(xiǎn)較大；而在便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源使用完畢后，需足夠的冷卻時(shí)間，否則會(huì)發(fā)生因卸下啟動(dòng)電源時(shí)接觸高溫導(dǎo)線而發(fā)生的燙傷事故。

3 結(jié)論

對(duì)便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源用導(dǎo)線進(jìn)行表面溫度測(cè)試可知：在恒定放電電流的情況下，導(dǎo)線表面溫度與放電時(shí)間呈一次方程線性關(guān)系；而在恒定放電時(shí)間的情況下，導(dǎo)線表面溫度與放電電流符合二次方程模型。這2個(gè)模型能有效評(píng)估便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源短時(shí)大電流放電時(shí)導(dǎo)線的表面溫度，計(jì)算出適用于短時(shí)大電流放電的導(dǎo)線過(guò)流值，對(duì)便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源導(dǎo)線的選用具有較好的參考價(jià)值。根據(jù)模型計(jì)算出以80 ℃為導(dǎo)線表面溫度上限，10AWG和12AWG導(dǎo)線放電2～6 s的過(guò)流值分別為719.1～456.2 A和449.1～304.3 A。對(duì)比單次放電情況和多次間歇放電情況可知：在冷卻時(shí)間不足的情況下，2種放電情況所導(dǎo)致的導(dǎo)線表面溫度接近。在使用不同導(dǎo)體橫截面積的導(dǎo)線時(shí)，在較低電流下導(dǎo)線表面溫度差距不明顯；當(dāng)放電電流升高到一定程度時(shí)，導(dǎo)體橫截面積較小的導(dǎo)線表面溫度更大，即對(duì)大電流放電不相容。在使用便攜式汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源時(shí)應(yīng)該注意，在使用結(jié)束后需有足夠的冷卻時(shí)間，讓導(dǎo)線恢復(fù)到安全的溫度之下，降低燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 王麗.導(dǎo)線過(guò)流情況下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬和特性測(cè)試研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

［2］ 魏治宇，蔡國(guó)宏.導(dǎo)線過(guò)負(fù)荷引燃能力的模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25（6）：25-27.

［3］ 桂長(zhǎng)清.溫度對(duì)LiFePO4鋰離子動(dòng)力電池的影響［J］.電池，2015，45（2）：99-102.

［4］ 賀狄龍，馬冬梅，段學(xué)琴，等.存儲(chǔ)條件對(duì)磷酸鐵鋰鋰離子電池性能的影響［J］.電池，2014，44（4）：226-228.

［5］ ILTEHEV N ，CHEN Y，OKADA S ，et al.LiFePO4 storage at room temperature and elevated temperature［J］.J Power Sources，2003，119-121：749-754.

［6］ 李慶先，唐自強(qiáng)，李廣福.導(dǎo)線短時(shí)過(guò)載電流計(jì)算的探討［J］.福建電力與電工，2006，26（1）：17-19.

（編輯 凌 波）

Research on Vehicle Jump Start Wire Selection

CAO Ming-jin，QIU Zhong-ming
（Foshan Shida Battery Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，China）

10AWG silicone wire and 12AWG silicone wire for jump start are studied by detecting the variation of wire surface temperature under different discharge time and current.The test results show that，in certain situations，discharge time and wire surface temperature is in a linear relationship，while current and wire surface temperature is in a quadratic relationship.When discharge time is 2 s～6 s，the overcurrent value of 10AWG wire and 12AWG wire were 719.1 A～456.2 A and 449.1 A～304.3 A，respectively （Temperature standard is 80 ℃）.

jump start；wire；surface temperature；overcurrent value

U463.6

A

1003-8639（2017）09-0055-04

2016-11-30

邱鐘明（1976-），男，江西人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)電源；曹銘津（1990-），男，廣東人，工程師，研究方向?yàn)殇囯x子電池。