汽车应急启动电源导线选用研究

曹铭津，邱钟明

（佛山市实达科技有限公司，广东 佛山 528000）

汽车应急启动电源导线选用研究

曹铭津，邱钟明

（佛山市实达科技有限公司，广东 佛山 528000）

分别以10AWG和12AWG特软硅胶线作为便携式汽车应急启动电源导线材料，考察不同情况下放电时间及放电电流对导线表面温度的影响。实验结果表明在一定情况下，放电时间与导线表面温度呈一次方程关系，放电电流与导线表面温度符合二次方程模型。以80 ℃为温度上限，10AWG和12AWG导线放电2～6 s的过流值分别为719.1～456.2 A和449.1 ～304.3 A。

汽车应急启动电源；导线；表面温度；过流值

随着我国汽车工业的蓬勃发展，汽车的保有量正迅速增长，越来越多家庭都开始使用汽车作为代步工具。由于天气多变或汽车故障，偶尔会出现车载电池并不能顺利起动汽车的情况。为了快速、方便地解决上述问题，便携式汽车应急启动电源应运而生，该电源主要由高倍率锂离子电池、电路板、导线、接头及外壳组成，通过简单地与汽车电源连接，提供足够的启动电流用于汽车点火。汽车应急启动电源使用方便、价格合理，受到越来越多消费者的青睐，市场前景一片光明。

众多电池生产厂商看准便携式汽车应急启动电源市场，纷纷推出各自品牌的汽车应急启动电源产品，力求在这个电池产品细分市场有自己的一席之地。但在便携式汽车应急启动电源产品设计的时候，对导线的选择一直是各个厂商头疼的问题——使用过大的导线会造成物料的浪费，成本的增加；使用过小的导线会使得大电流通过时发热严重，造成安全隐患。一般导线生产厂家在检测报告上仅给出导线持续放电的安全电流范围供客户参考，表1中给出了导线厂家提供的长时间放电的安全电流值，即12AWG和10AWG线分别为44.2 A和70.38 A，而对于非持续放电的情况并没有具体明确的指标。针对便携式汽车应急启动电源的大电流短时放电使用的特点，现有导线指标并不能使厂家合理地选用合适的导线，生产厂家各自按照自家经验对导线进行选取，缺乏严谨性，同时也存在安全隐患。现有文献中对导线的过流情况大部分为模拟实验［1-2］，缺乏对实际情况的探索。本论文通过模拟便携式汽车应急启动电源大电流短时放电的使用情况，测量导线表面温度变化，综合考虑便携式汽车应急启动电源各组成部分温度耐受情况，得出选用导线的一般方法。同时针对导线过流值与大电流短时放电的关系进行讨论，完善非持续放电情况导线过流值指标，对优化产品设计，提高产品的安全性，具有现实的参考意义。

表1 特软硅胶线10 AWG线和12 AWG线相关参数

1 实验

1.1 实验仪器

实验采用便携式汽车应急启动电源为1064145TP-8000（2S2P）型锂离子电池（佛山产），测量导线采用特软硅胶线10AWG线和12AWG线（东莞产），具体物理参数如表1所示，大电流检测设备为微电脑控制多功能检测机（惠州产），温度测量设备为34790A数据收集/转换单元（安捷伦公司），配合34901A二十通道多路转换器（J型电热偶）使用。测量环境温度为25±3 ℃。

1.2 实验步骤

实验方法：先将电池与导线进行焊接，并与微电脑控制多功能检测机连接，将温度记录仪上的电热偶端紧贴导线。然后在微电脑控制多功能检测机上，控制电池的放电时间及放电电流，在温度记录仪上记录温度的变化，得出不同放电时间及放电电流下导线达到的最高温度。实验装置如图1所示。

1.2.1 单次放电性能测试

模拟汽车单次点火情况，对导线通过短时（2～6 s）的大电流（100～700 A），通过电热偶将导线表面温度转化为电信号，利用数据收集/转换单元记录从放电开始到导线恢复室温的温度变化。每次放电前确保导线温度恢复到室温状态。所需测试数据如表2所示。

图1 实验装置结构图

表2 单次放电测试所需测试项目

1.2.2 多次间歇放电性能测试

模拟汽车多次间歇点火情况，对导线通过短时（2 s）的大电流（100～700 A），2次放电之间搁置5 s，连续重复3次，通过电热偶将导线表面温度转化为电信号，利用数据收集/转换单元记录从放电开始到导线恢复室温的温度变化。每次放电前确保导线温度恢复到室温状态。所需测试数据如表3所示。

表3 多次间歇放电测试所需测试项目

2 结果与讨论

2.1 单次放电时间对导线温度的影响

在不同电流下考察放电时间对10AWG导线表面温度的影响，结果如图2所示。

图2 不同电流下放电时间与10 AWG导线表面温度的关系图

从图2中可以看出，在较低电流（100～200 A）通过导线时，延长放电时间对导线温度影响不大，导线温度对放电时间的改变并不敏感，尽管放电时间达到6 s之多，其导线表面温度仅在40 ℃以下。增大放电电流至300～400 A范围时，每增加1 s的放电时间，导线温度增长较为明显，300 A放电6 s时导线表面温度超过50 ℃，而400 A放电6 s时温度超过70 ℃。当放电电流为500 A时，放电时间为4 s的情况下，导线表面温度达到85 ℃以上，而使用700 A放电仅放电2 s温度竟然接近100 ℃。从汽车应急启动电源整体考虑，内部导线温度过高会使得相邻的电路板、电子元件等部分热负荷过高，影响性能及寿命；而且汽车应急启动电源内部相对密闭，大量热量难以短时间散去，会使得锂离子电池处于高温当中，加剧电池自放电［3-5］，缩短单次充电后的使用时间，同时会缩短电池的循环寿命。基于上述考虑，导线表面温度以80 ℃为温度上限［6］，以此来衡量导线能否达到汽车应急启动电源短时大电流放电的使用标准。

从整体上分析，相同电流下改变放电时间，得出的曲线近似于放电时间与导线温度的一次方程模型，通过拟合得到表4数据。其中拟合方程中的截距范围为23～28，即当放电时间为0时的导线表面温度，与测试环境室温相符；而特征值中的R2则代表采集的数据与拟合曲线的拟合程度，数值上越接近1表明真实数据与拟合曲线拟合度高，证明拟合曲线能较好地反映变量之间相互关系。不同放电电流下的拟合曲线的R2都接近1，表明该模型能很好地反映出放电时间与导线表面温度之间的关系。从拟合曲线的斜率中可以看出，较低放电电流下曲线斜率较小，而逐渐增大放电电流，曲线的斜率迅速增大，表观上表现为导线温度对通电时间的变化越来越敏感，与实测数据情况相符。

表4 不同放电电流下放电时间与导线表面温度关系的模型特征值

综上所述，在恒定放电电流下，延长放电时间会使导线表面温度持续上升，且放电时间与导线表面温度呈一次线性关系。

本次临床研究，回顾性统计分析我院在2017年12月—2018年6月期间收治确诊为甲状腺结节性病变患者70例。本组70例甲状腺结节性病变患者均行B超检查、实验室检查。结合病理诊断及类型分析，与实际确诊结果做进一步对比评估。本组70例甲状腺结节性病变患者，包括男性患者19例、女性患者51例；患者年龄23～74岁之间，平均年龄为40.2岁。本研究完全通过了伦理委员会的批准，所选取的70例病患者均属于同意签署研究同意书的患者。

2.2 单次放电电流对导线温度的影响

对上述数据作进一步处理，得出不同放电时间下，放电电流与导线表面温度的关系，如图3所示。由图3可知，在相同放电时间下，随着放电电流的增加，导线表面温度明显增加。而且放电时间越长，导线表面温度对通电电流越敏感，每增加100 A所提升的导线温度越大。相同放电时间下改变放电电流，得出的曲线近似于放电时间与导线温度的二次方程模型，通过拟合得到表5数据。其中，模型的数学表达式为：y=ax2+bx+c，其中y（℃）为导线表面温度，x（A）为放电电流强度。

图3 不同放电时间下放电电流与10 AWG导线表面温度的关系图

从表5中可知，二次方程模型的R2都接近1，表明该模型能很好反映放电电流与导线表面温度的关系，即在放电时间一定的情况下，增大放电电流能使得导线表面温度呈急速上升。利用得到的二次方程模型，将导线温度y=80导入到方程中，得到不同放电时间下10AWG导线的过流值，其结果如表6所示。使用相同的方法算得80 ℃为上限的12AWG线过流值。

表5 不同放电时间下放电电流与10AWG导线表面温度关系的模型特征值

表6 不同通电时间下的导线过流值（温度上限为80 ℃） A

综上所述，在恒定放电时间的情况下，增大放电电流会使导线表面温度明显上升，且两者之间呈二次方程关系。通过模型计算得出不同通电时间下导线的过流值。

2.3 多次间歇放电对导线温度的影响

导线在多次间歇放电中的表面温度与放电电流关系见图4。

图4 不同放电情况下的10 AWG导线表面温度与放电电流关系图

从图4可知，多次间歇放电情况中，导线表面温度随放电电流的增加而迅速增加。与持续放电6 s的情况对比可知，2种不同放电情况结果相近，即导线表面温度与放电电流的关系同为二次方程模型。从结果分析可知，虽然间歇放电2 s在2次放电之间搁置了5 s，但在该时间段内因放电而产生的热量并没有充分散失，从而3次放电的热量不断累积，其总体效果与持续放电6 s的结果相同。

由此可以得出，在汽车应急启动电源的使用上，在没有足够时间冷却的情况下，多次间歇点火所导致的导线表面升温与总点火时间有密切关系。

2.4 导体截面积对导线温度的影响

2种导线在相同放电时间下与放电电流的关系如图5所示。从表1中可以看出10AWG线与12AWG线的导体截面积分别为5.275 mm2和3.416 mm2，2种线材在截面积上有明显的差别。而根据导体电阻与其通电横截面积关系可知，通电截面积越大，其电阻越小。从图5中可以看出，在较低电流范围内（100～200 A），2种线材所测得的表面温度相差不大，而当放电电流逐渐加大时，12AWG线比10AWG线的表面温度增加更明显，在500 A放电2 s的情况下，10AWG导线表面温度仅为57.2 ℃，而12AWG线表面温度达到了101.3 ℃。从上述结果可知，在低电流环境中，导体截面积对导线表面温度影响不大，而当放电电流增加到一定程度时，导体截面积较小的导线所产生的热量更多，对汽车应急启动电源危害越大。

图5 相同放电情况下不同线号对导线表面温度的关系图

2.5 导线表面温度随时间的变化情况

图6 500 A放电4 s 10AWG线表面温度随时间变化曲线

图6为在500 A放电4 s 10AWG线表面温度随时间变化曲线。从图6中可以看出，从放电开始温度急速上升，到达最高温度86.2 ℃，所需时间为20 s，即放电时间内导线温度并没有达到最高，而是有一个滞后的过程。出现这种情况是因为热量从导体到绝缘层再到导线表面的传导过程中，受到热量堆积、材料导热系数较小的影响。而从最高温度降温到40 ℃这个“安全温度”所需时间为2.5 min。从便携式汽车应急启动电源的使用角度分析，在通电后的20 s内，温度飙升明显，这时候便携式汽车应急启动电源安全风险较大；而在便携式汽车应急启动电源使用完毕后，需足够的冷却时间，否则会发生因卸下启动电源时接触高温导线而发生的烫伤事故。

3 结论

对便携式汽车应急启动电源用导线进行表面温度测试可知：在恒定放电电流的情况下，导线表面温度与放电时间呈一次方程线性关系；而在恒定放电时间的情况下，导线表面温度与放电电流符合二次方程模型。这2个模型能有效评估便携式汽车应急启动电源短时大电流放电时导线的表面温度，计算出适用于短时大电流放电的导线过流值，对便携式汽车应急启动电源导线的选用具有较好的参考价值。根据模型计算出以80 ℃为导线表面温度上限，10AWG和12AWG导线放电2～6 s的过流值分别为719.1～456.2 A和449.1～304.3 A。对比单次放电情况和多次间歇放电情况可知：在冷却时间不足的情况下，2种放电情况所导致的导线表面温度接近。在使用不同导体横截面积的导线时，在较低电流下导线表面温度差距不明显；当放电电流升高到一定程度时，导体横截面积较小的导线表面温度更大，即对大电流放电不相容。在使用便携式汽车应急启动电源时应该注意，在使用结束后需有足够的冷却时间，让导线恢复到安全的温度之下，降低烫伤的风险。

［1］ 王丽.导线过流情况下的温度场数值模拟和特性测试研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2014.

［2］ 魏治宇，蔡国宏.导线过负荷引燃能力的模拟实验研究［J］.武警学院学报，2009，25（6）：25-27.

［3］ 桂长清.温度对LiFePO4锂离子动力电池的影响［J］.电池，2015，45（2）：99-102.

［4］ 贺狄龙，马冬梅，段学琴，等.存储条件对磷酸铁锂锂离子电池性能的影响［J］.电池，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］ 李庆先，唐自强，李广福.导线短时过载电流计算的探讨［J］.福建电力与电工，2006，26（1）：17-19.

（编辑 凌 波）

Research on Vehicle Jump Start Wire Selection

CAO Ming-jin，QIU Zhong-ming
（Foshan Shida Battery Technology Co.，Ltd.，Foshan 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

邱钟明（1976-），男，江西人，高级工程师，研究方向为化学电源；曹铭津（1990-），男，广东人，工程师，研究方向为锂离子电池。