陳淳,楊喜軍
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汽車用保險絲的設計與選型原則
陳淳,楊喜軍
(上海交通大學電氣工程系,上海 200240)
隨著現(xiàn)代汽車電氣化程度不斷提升,車載功能日益增強、電氣設備不斷更新,人們對整車安全性能的要求也在不斷提升。在此過程中,保險絲(熔斷器)所起到保護作用非常關鍵。近幾年來,車用保險絲發(fā)生了日新月異的變化,其種類、功用、性能越來越多,應用也越來越廣泛。主要圍繞車載保險絲,分析其應用在汽車上的設計與選型原則。
汽車;保險絲;電流;選型原則
保險絲,又名“熔斷器”,是一個熱能響應元件。汽車電路中的用電器被不同顏色的導線連接起來,在這些過電流保護手段中,采用保險絲是人們采用最多的保護手段。保險絲的作用主要是保護電源與導線,避免短路,保護用電器,防止過載。汽車保險絲的用途與家用保險絲的大同小異,當電路電流異常并超過其額定電流時熔斷,從而起到電路保護屏障的作用。如若不然,升高的電流會損毀電路中的重要器件,甚至引起火災??梢?,保險絲的存在意義重大,如何根據(jù)電路的情況來選擇保險絲,是汽車前期設計的一個關鍵因素。
保險絲一般由以下3個部分組成:①熔體部分。它是保險絲的核心,熔斷時起到切斷電流的作用。②電極部分。通常有2個,它必須有良好的導電性,不應產(chǎn)生明顯的安裝接觸電阻。③支架部分。支架的作用是將熔體固定,它必須有良好的機械強度、絕緣性和阻燃性,在使用中不應產(chǎn)生斷裂、變形及短路等現(xiàn)象。
電力電路及大功率設備所用到的保險絲,不僅具有一般保險絲的3個部分,而且還有滅弧裝置。因為這類保險絲所保護的電路不僅工作電流較大,而且當熔體發(fā)生熔斷時其兩端的電壓也很高,往往會出現(xiàn)熔體已熔化(熔斷)甚至已汽化,但是電流并沒有切斷的現(xiàn)象,其原因就是在熔斷一瞬間的電壓及電流的作用下,保險絲的兩電極之間發(fā)生拉弧現(xiàn)象。這個滅弧裝置必須有很強的絕緣性和良好的導熱性,且呈負電性。汽車上使用的保險絲按照容量和款式可分為如下幾個類別:①ATO fuse,額定值為1~30 A,也稱為插片式保險絲,適用溫度在﹣40~105 ℃;②Mini fuse,額定值為2~15 A,體積小巧,目前市場上廣泛使用,適用溫度在﹣40~125 ℃;③Maxi fuse,額定值為30~60 A,也稱為中等電流插片式保險絲,適用溫度在﹣40~25 ℃;④J-case fuse,額定值從20~60 A,也稱為中等電流盒式保險絲,適用溫度在﹣40~125 ℃;⑤Midi fuse,額定值為30~200 A,使用M5或M6螺栓固定,適用溫度在﹣40~125 ℃;⑥Mega fuse,額定值為40~500 A,使用M8螺栓固定,適用溫度在﹣40~125 ℃,是目前市場上額定電流最高的產(chǎn)品。
當電流流過保險絲的導體時,由于導體存在一定的電阻,所以導體將會發(fā)熱,且發(fā)熱量遵循著公式=0.242.其中是發(fā)熱量,0.24是一個常數(shù),是流過導體的電流,是導體的電阻,是電流流過導體的時間??梢姡kU絲的發(fā)熱量正比于電流平方、電阻值、時間三者的乘積。
當電流經(jīng)過保險絲時,保險絲會發(fā)熱,隨著時間的增加其發(fā)熱量也在增加。電流與電阻的大小決定了其產(chǎn)生熱量的速度,保險絲的構造與其安裝的周邊環(huán)境決定了其熱量耗散的速度。如果前者小于后者,保險絲不會熔斷;如果前者等于后者,在相當長的時間內它也不會熔斷;如果前者大于后者,那么產(chǎn)生的熱量就會越來越多,又因為它有一定比熱及質量,其熱量的增加就表現(xiàn)在溫度的升高上,當溫度升高到保險絲的熔點以上時保險絲就發(fā)生了熔斷。這就是保險絲的工作原理。因此,在設計保險絲時必須認真研究所選材料的物理特性和幾何尺寸,這些因素對保險絲能否正常工作起了至關重要的作用。
保險絲的熔斷過程可以分為以下幾步:①保險絲接通過載電流;②過載電流使保險絲熔絲發(fā)熱;③保險絲熔絲熔斷;④保險絲熔斷后,由于導體兩端的電壓而出現(xiàn)火花;⑤熔斷距離加大后,電火花停止。保險絲分斷時間如圖1所示。
由圖1可知,保險絲在其熔化時間內的電流值高于其在飛弧時間內的電流值。保險絲在通過110%以上的額定電流情況下,會在一定的時間內發(fā)生熔斷,電流越大,熔斷時間越短。保險絲分斷時間與通過電流的關系如表1所示。
圖1 保險絲分斷時間
表1 保險絲分斷時間與通過電流的關系
額定電流/(%)分斷時間/s 110>600 1350.75~600 2000.15~5 3500.08~0.25 6000.03~0.1
一般而言,同一種類型保險絲,經(jīng)過相同電流,其熔值越大,熔斷時間越長。圖2以Maxi保險絲的TC曲線圖為例,5條曲線對應的熔值從左至右依次為20 A、30 A、40 A、50 A、60 A??梢姡煌萘康谋kU絲的TC曲線不同。
圖2 保險絲的時間/電流特性曲線
保險絲的動作直接由熱量引起,所以環(huán)境溫度對保險絲的性能有影響。這里的環(huán)境溫度除了指電子電氣設備所在的環(huán)境溫度外,更重要的是指在設備工作時,保險絲在機器內部所處小環(huán)境的溫度,因為那將更加直接影響到保險絲的性能。因此,對于同一個保險絲,經(jīng)過相同電流,所處環(huán)境的溫度越高,熔斷時間越短,不同溫度下保險絲的時間/電流特性如圖3所示。在設計保險絲設計過程中,可以根據(jù)其實際的工作環(huán)境溫度來確定其修正系數(shù),作為熔值選擇的參數(shù)。環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度的關系如圖4所示。由圖4可知,保險絲的環(huán)境溫度修正系數(shù)隨著環(huán)境溫度的變高而變小,呈現(xiàn)出遞減的趨勢。
圖3 不同溫度下保險絲的時間/電流特性曲線
圖4 環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度的關系
穩(wěn)態(tài)工作電流如圖5所示,其電流值不會隨著時間的變化而變化,持續(xù)且不間斷,一直保持穩(wěn)定。汽車上的用電器觸發(fā)后,其后一段時間內的電流就是穩(wěn)態(tài)工作電流。
圖5 穩(wěn)態(tài)工作電流
脈沖電流如圖6所示,其是一種間斷輸出的高頻電流,有干擾脈沖和信號脈沖。脈沖信號的特點是瞬間突然變化,作用時間極短,多數(shù)出現(xiàn)在用電器啟動或關斷的瞬間。
圖6 脈沖電流
浪涌電流指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。當汽車電子器件出現(xiàn)故障,發(fā)生誤操作或者出現(xiàn)短路現(xiàn)象,很容易產(chǎn)生浪涌電流。一般可以認為浪涌電流是由脈沖電流和穩(wěn)態(tài)電流疊加而成的。浪涌電流如圖7所示。
圖7 浪涌電流
在串聯(lián)電路中,每個用電器都嚴格配置一個保險絲,這種配置系統(tǒng)可使保險絲保護裝置和材料使用達到一種最佳狀態(tài)。由于汽車線束串聯(lián)用電器的數(shù)量受周圍環(huán)境的安裝空間和保險絲盒位置及孔位數(shù)量的限制,因此會采用電器并聯(lián)的方式,各回路的導線橫截面不是按照回路里產(chǎn)生的電流設計,而是與共同的保險絲數(shù)值相匹配。例如,一個10 A保險絲,用來保護遠光燈和一個雨量傳感器,根據(jù)遠光燈工作電流,選用了0.75 mm2的導線,但是傳感器的工作電流一般非常小,可能會選用0.35 mm2的導線,這樣的話,10 A的保險絲就保護不了這根0.35 mm2的導線,所以這種情況下,會把傳感器的線徑提升為0.5 mm2或0.75 mm2,至少要達到保險絲保護導線的目的。對于每個用電器來說,必須算出其最大出現(xiàn)的持續(xù)電流和峰值電流,以數(shù)值和時間的形式呈現(xiàn),并與保險絲的特性曲線進行對比,如果這個工作點正好處于保險絲的特性曲線散布范圍或者觸發(fā)范圍,則必須把保險絲熔值提高一個檔位。接著再與保險絲特性曲線進行對比,在前提條件為短路的情況下,在導線過載之前必須出現(xiàn)大到可以熔化保險絲的電流。
保險絲的額定電流取決于標稱工作電流,即為能通過的最大安全電流。在選取保險絲的時候,一般建議持續(xù)工作負載為保險絲額定電流的75%.計算公式如下:
式(1)中:f為理想的保險絲額定值;n為額定工作電流;為環(huán)境溫度修正系數(shù)。
例如,為了得到理想的保險絲熔值,假使在額定工作電流為15 A,環(huán)境溫度為105 ℃,選擇的是Mini fuse。根據(jù)Mini fuse的環(huán)境溫度修正系數(shù)表格,可以得到其在105 ℃時修正系數(shù)為88%.這樣便可以代入上述公式求得:f=15/(0.88×0.75)=22.7 A。選擇最接近且大于計算結果,此例為25 A。
選取的保險絲必須承受足夠的脈沖次數(shù)和一定時間持續(xù)的穩(wěn)態(tài)電流。通過脈沖電流2和保險絲熔斷2兩個參數(shù)的比值得到相對2,以此確定保險絲所能夠承受的脈沖次數(shù)。
第一步,先計算脈沖電流的2.首先可以得出電流對時間的函數(shù)關系(),由此可以進一步推出2()的函數(shù)關系,再由以下公式推算出脈沖電流的2,為:
式(2)中:1和2分別為脈沖電流作用的起始和終止時間。
第二步,計算保險絲熔斷的2.保險絲熔斷2是保險絲在熔化過程中電流轉換的熱能。同樣的,在熔化時間內,得出電流2()與時間的函數(shù)關系,對此進行積分,便可得到熔斷2,計算公式為:
式(3)中:1和2分別為保險絲在熔化過程中的起始和終止時間。
最后一步,再由脈沖電流的2(2)和保險絲熔斷的2(3)的比值來確定相對2.
例如,如果要計算一個5 A的ATO保險絲在承受脈沖電流為10 A、脈沖電流持續(xù)時間為100 ms、脈沖周期為30 s的環(huán)境下所能承受的脈沖次數(shù)。首先計算脈沖電流2=0.1 s×10 A×10 A=10 A2s,其次通過該保險絲的目錄可以查到其保險絲熔斷2為26 A2s,則相對2則是兩者的比值 10 A2s/26 A2s,即38%,根據(jù)插片式保險絲的承受脈沖周期曲線可以得出,38%所對應的承受次數(shù)為10 000次。
相對2和保險絲的壽命之間有著一定的關系,通過計算這個數(shù)值,可以利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命。例如,一個保險絲的相對2在給定脈沖的情況下為41%,則由圖8可以得出,約可以承受4 500次這樣的脈沖沖擊。
一般而言,建議相對2<30%,否則,數(shù)值越高,能承受的電流沖擊次數(shù)則越少。
在浪涌電流情況下,需要計算電流累積2,其是電流經(jīng)過一段時間后累積的能量。通過電流累積2與保險絲熔斷2的比值得到相對2,且相對2是隨時間而變化的。
首先,根據(jù)()對時間的函數(shù),描繪出2()的時間曲線,然后通過積分算法,求出每段時間內累積的2(),繪制出一條2的時間曲線。其次,根據(jù)保險絲的熔斷時間和電流的TC曲線,得出保險絲在不同熔斷時間的電流值,并根據(jù)此電流值,得出熔斷2,并繪制出保險絲熔斷2相對于時間的曲線。接著把浪涌電流累積2曲線和保險絲熔斷2曲線繪制在同一張圖表中,如圖9所示。
圖8 相對I2t與保險絲承受沖擊次數(shù)的關系
圖9 I2t與時間的關系
圖9中下方的曲線是浪涌電流累積2,上方的曲線是保險絲熔斷2。可以用兩者的比值計算出每個時間點的相對2.例如,在=1 s時,浪涌電流累積2為19 A2s,保險絲熔斷2為56 A2s,則在1 s時刻,相對2為19/56=34%.最后,再利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命,得出可承受的電流沖擊次數(shù)大于20 000次。
為使保險絲能夠起到線路保護作用,所選擇的保險絲應與連接的導線進行合理的匹配,不宜過大或過小。若選擇的保險絲過大,當線路發(fā)生短路或過載時,最先熔斷的不是保險絲,而是導線,這種情況下會引起安全問題;若選擇的保險絲過小,會導致其頻繁熔斷,用電器乃至整條線路將無法正常工作。因此,導線的線徑與保險絲的匹配在汽車線路的設計中也是非常重要的??梢愿鶕?jù)導線與保險絲的熔斷時間與電流TC曲線進行匹配選擇。普通片式保險絲和低壓導線的TC曲線如圖10所示。
由圖10可以得出以下3點結論:①經(jīng)過相同電流,保險絲熔值越大,熔斷時間越長;②經(jīng)過相同電流,導線線徑越大,熔斷時間越長;③不論是保險絲還是導線,經(jīng)過的電流越大,熔斷時間越短。
隨后,如何進行保險絲和線徑的匹配,也能以圖11為參考。保險絲要起到線路的保護作用,就要比導線先熔斷。滿足以下兩個條件,即可達到保險絲和導線匹配的目的:①對于任何一處電流值,導線所對應的熔斷時間大于保險絲的熔斷時間;②保險絲和導線的TC曲線距離不能太遠,否則意味著選用了過小的保險絲或者過大線徑的導線,選擇較為相近的兩者曲線才能達到匹配的目的。
圖10 保險絲和導線的TC曲線
以冷卻風扇控制器回路的保險絲設計為例,選擇的是Mini fuse。具體步驟為:①先通過電流測試得出冷卻風扇控制器工作時回路的電流波形,如圖11所示。通過對該電流波形的分析,可以將其劃分為一段時間為1.5 s的脈沖電流以及25 A的穩(wěn)態(tài)電流。②根據(jù)Mini fuse環(huán)境溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度曲線,可以得到Mini fuse在85 ℃時的修正系數(shù)為91%.將修正系數(shù)與穩(wěn)態(tài)電流值代入公式(1),計算可得f=25/(0.91×0.75)=36.6 A。選擇最接近且大于計算結果,為40 A。③根據(jù)圖11電流對時間的波形,繪制其電流的平方對時間的波形,如圖12所示。隨后,對該波形進行公式(2)的積分運算,計算可得脈沖電流的2為3 595 A2s。④根據(jù)Mini fuse熔斷2與保險絲熔值的對應關系,可得40 A保險絲的熔斷2為10 000 A2s。⑤用脈沖電流2與保險絲熔斷2相比得到相對2.根據(jù)前兩步計算的結果,相對2為0.36.⑥根據(jù)承受脈沖周期曲線,可以得到Midi 40 A保險絲可承受的電流沖擊次數(shù)大于10 000次,符合用電器的工作要求。⑦根據(jù)Midi保險絲與導線的TC曲線,可以得出40 A保險絲所適配的導線線徑為6 mm2。由此可以將冷卻風扇控制器的回路保險絲值選定為40 A,回路導線線徑選定為6 mm2。
圖11 冷卻風扇控制器回路電流波形
上述車用保險絲的設計方法與計算結果已經(jīng)在廣泛的實際應用中得到驗證,車上線路的工作安全可靠。隨著車載電氣設備的增多,電源分配的復雜性變高,整車安全性能要求提高,選取合適的車載保險絲變得越來越重要。通過本文論述,在選取時,需要對每根導線的電流進行嚴格的計算,這樣才能實現(xiàn)保險絲和線徑的匹配,達到最優(yōu)設計的目的。
圖12 電流平方波形的繪制
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2095-6835(2018)23-0021-05
U463
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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.021
陳淳(1990—),男,上海人,本科,畢業(yè)于上海海事大學,在讀于上海交通大學,研究方向為電氣工程及其自動化。
〔編輯:嚴麗琴〕