2种常见车载熔断器选择方法分析

2017-11-07王恩栋

汽车电器 2017年10期

关键词：熔断器选型线圈

陈兴，王恩栋

（一汽技术中心乘用车电子电气开发部，吉林长春 130011）

2种常见车载熔断器选择方法分析

陈兴，王恩栋

（一汽技术中心乘用车电子电气开发部，吉林长春 130011）

介绍车用熔断器选型的基本理论依据；根据多年积累的经验和实车验证结果，介绍2种常见负载熔断器的选择方法。

熔断器；焦耳定律；线路保护

汽车熔断器是汽车电气线路中的重要保护器件，其作用是保护汽车电气线路及用电器不因过流、短路故障而发生损坏，并防止电气线路过热起火。本文不介绍以往文献所经常描述的电阻型负载、脉冲型负载和浪涌型负载等熔断器的选择方法，因前人已对其进行了充分说明。结合笔者多年汽车熔断器的选型经验及实车验证结果，本文介绍2种典型汽车熔断器的选型技巧。会降低（熔断器熔断能量=环境提供能量+回路电流产生的能量，而使熔断器熔断的能量值是一定的），即熔断器更容易熔断，反之温度降低能量值会增大，熔断器更难熔断。这就是为什么熔断器会有温度衰减系数图，图1描述了不同环境温度与使熔断器熔断的回路电流的线性关系。

1 熔断器选型的理论依据

熔断器的工作原理是让一小段导电材料在必要时熔断，而使其熔断的最基本理论依据就是物理学上的焦耳定律，即电流通过导体产生的热量跟电流的二次方、导体的电阻、通电的时间成正比，公式如下

Q=I2Rt

式中：Q——导体的发热量，J；I——流过导体的电流，A；R——导体的电阻，Ω；t——电流流过导体的持续时间，s。

通常各车用熔断器供应商会提供一项熔断器的技术参数即I2t，该数值乘以熔断器自身的电阻值即为使该熔断器熔断所需的能量值。以美国力特熔断器为例，其MINI熔断器的技术参数表见表1。选择10A熔断器，若想使其熔断所需的回路累积能量为93A2s×7.42mΩ=0.69 J，这一能量值是在常温23℃时使其熔断的能量值，如果环境温度升高，则这一能量值

表1 MINI熔断器的技术参数表

图1 不同环境温度与使熔断器熔断的回路电流的线性关系

以上是车用熔断器选择的核心理论依据。在选择某一回路的熔断器时，需保证当回路负载（不论是电阻型负载、脉冲型负载还是浪涌型负载）正常工作时，其回路电流在熔断器处所产生的累积能量应小于熔断器熔断的能量。当有异常电流产生时（如回路短路、过载），回路电流在熔断器处累积的能量可使熔断器在规定时间内熔断。这就是车用熔断器选择的基本原则，下面介绍几个典型例子。

2 点火线圈熔断器选择

一汽某自主车型，其发动机采用4缸机型，4个点火线圈交替工作，供应商提供的其工作时的测试波形如图2所示。

图2 点火线圈工作时的测试波形

然后，确认熔断器安装位置，通常点火线圈的熔断器都安装在前机舱发动机附近的配电盒内，周边环境温度较高，根据经验最大可达105℃左右。

接下来着重介绍熔断器容量的选择。

1）初选熔断器容量。比脉冲峰值电流11A大一级，选15A的熔断器。

2）计算回路电流不同时间内在熔断器位置所产生的累积能量值。由于后续我们要看该能量值相比于该时间内熔断器熔断能量的占比，故不再乘以熔断器的电阻值，只根据焦耳定律计算电流的平方与时间相乘的数值即I2t。而要得到这一数值，需要对图2的脉冲波进行微积分处理，如图3所示。这一过程不仅繁琐而且所得数值并不一定准确。

图3 微积分处理

根据波形图，单个点火线圈工作时产生脉冲电流，最大的脉冲峰值电流可达11A，脉冲持续时间约3.5 ms，2个脉冲的间隔时间约为6.5 ms。按传统熔断器选择方法即将车上各类电器件分为3类负载：电阻型负载如后风窗加热电阻丝，脉冲型负载如喇叭和浪涌型负载如举窗电机，然后根据不同负载类型选择熔断器。而对于像点火线圈这种脉冲间隔时间非常短的负载，我们却不好将其进行归类，因为归到哪一类里都会有选择的局限性。如果将其归为脉冲型负载，这种频繁工作的脉冲负载，如何规定其熔断器能承受的次数，一般负载熔断器的几万次或几千次耐冲击寿命显然无法满足点火线圈的工作要求，既然无法满足，我们需要定义点火线圈熔断器的耐久次数为多少呢？而如果我们将其归为电阻型负载，那么我们如何定义点火线圈工作时的额定电流呢，取脉冲电流峰值？还是峰值电流和不工作时电流的平均值？显然这2个电流值都不合适。

下面笔者依照本文第1章介绍的理论依据及实车测试验证情况，介绍一种选择方法。

首先，确定熔断器类型。这里没有需要特别说明的，市场上几乎所有车型的点火线圈熔断器均为快熔型熔断器，如力特品牌的MINI系列，太平洋品牌的BFMN系列。

根据笔者多个车型的熔断器选型经验，可采用一种更加简便的计算方法。将点火线圈的脉冲波看成一个三角形，将其转化为电流的平方与时间的关系曲线，如图4所示，可将转化后的图形也看成是三角形，这样就可以得到单个脉冲的近似能量值：单个脉冲近似能量值=（11A）2×（3.5 ms）/2=0.21A2s。

图4 电流的平方与时间的关系曲线

按上述方法，根据经验，需计算9个时间段内负载电流累积能量值，见表2。

表2 9个时间段内负载电流累积能量值

3）计算9个时间段内熔断器熔断所需的能量值。不同类型不同容量的熔断器都有其对应的熔断特性曲线，其描述的是不同时间下，熔断器熔断所需的电流值。力特MINI熔断器的熔断特性曲线如图5所示，根据这一曲线可在这9个时间点找到对应的熔断电流，进而可得到I2t数值。

图5 力特MINI熔断器的熔断特性曲线

计算初选的MINI 15A熔断器在9个时间段内105℃时的熔断I2t，见表3。电流需乘以温度衰减系数，根据图1，105℃时衰减系数为0.88。

表3 105℃时的熔断I2t值

将同一时间段内负载电流能量与熔断器熔断能量相比，得到表4。

表4 负载电流能量与熔断器熔断能量相比

根据表4可以看到，点火线圈工作2 s之后，负载电流在熔断器处的累积能量与熔断器的熔断能量占比达到最大。根据图6，在占比13%时，可满足20万次左右的工作周期，按一天平均起动发动机20次，一年365天，20万次，可保证点火线圈熔断器在28年内不会熔断，这还是在机舱温度始终保持105℃时的情况，实际机舱不可能长时间保持这一温度，实际使用寿命会更长。这一寿命可满足大多数车辆的耐久要求，故可以最终锁定点火线圈的熔断器为15A快熔熔断器。

图6 负载电流在熔断器处的累积能量与熔断器的熔断能量占比

3 座椅熔断器选择

目前越来越多的车辆都配备电动调节座椅，根据调整方向的多少，座椅内部会配置2至4个不等的电机，这些电机可能会单独工作，也可能多个电机同时工作，这样的特殊负载该如何选择相应的熔断器呢？下面介绍一种方法。

一汽某自主车型，其副驾驶员座椅有3个电机，可进行6个方向的电动调节，单个电机的参数见表5。

表5 电机参数

由于人只有2只手，所以正常情况下只能最多同时调整2个电机，其实多数人只调整一个电机。考虑2个电机同时工作的情况见表6。

表6 2个电机同时工作的电流数值

首先，确认熔断器类型。通常电机类负载需选择慢熔型熔断器，如力特品牌的JCASE系列，太平洋品牌的SBFC系列。

之后，确认熔断器容量。这里就需考虑座椅调节的实际工作情况。绝大多数情况，用户只会进行一个电机的调节，2个电机同时工作的情况很少，而出现2个电机同时工作且有一个甚至2个堵转的情况就会更少，一年当中仅会发生有限的几次，我们需保证电机在堵转保护起作用之前熔断器不被熔断。故初选熔断器时，按2个电机同时正常工作的电流考虑，根据表6最大电流为18.4 A，初选20 A的熔断器，那么在电机进入堵转保护之前，20 A的慢熔熔断器是否会提前熔断呢？根据熔断器的国际标准ISO 8820的规定要求，各类熔断器在不同过载电流下有熔断时间要求，以力特JCASE慢熔熔断器为例，其在不同过载电流的熔断时间如图7所示。按表6，一个电机堵转，另一个电机正常工作的最大电流为27.3 A，相当于20 A熔断器过载137%，按图7，至少需60 s的时间才能熔断，而电机的堵转保护时间才2 s，远远小于熔断器熔断时间，即使堵转熔断器也不会熔断。同理，2个电机同时堵转，熔断器也不会熔断。而发生电机堵转的情况极少，可以不考虑堵转对熔断器寿命的影响，按本文第2章介绍的能量占比方法计算，20 A JCASE熔断器完全可满足电机正常工作时的周期寿命要求。