负载设计匹配探讨后风挡加热

2018-10-08白树立

汽车电器 2018年9期

关键词：风挡限值线束

白树立，刘俊

（1.北京车和家汽车研究院，北京 100103；2.浙江吉利新能源商用车有限公司，浙江杭州 311228）

1 除霜技术规范要求（表1）

表1 除霜技术规范要求

从表1可知：企业标准电压定义不一致；定义了电源端，但没约束负载端，造成试验结果可能不一致。

从JC-T 673—1997后加热试验方法，GB 9656—2003汽车安全玻璃标准、规范上总结以下几点：20 min，13V电源电压，≥80%化霜面积；加热丝覆盖范围内，任一点温度≤70℃。

1）为了实现化霜面积的目标，以下方式可以考虑采用：①减小加热区域面积；②增加发热区域的加热丝密度；③增加负载电压，减小负载电阻；④其他一切可以实现的方案。

2）为了实现温度控制的目标，以下方式可以考虑采用：①减小发热区域的加热丝密度；②减小负载电压，增加负载电阻；③其他一切可以实现的方案。

2 后风挡加热的常见问题

在车型新开发后风挡的时候经常会遇到以下几个问题。

1）熔断丝易熔断，导致功能失效。

2）加热性能不佳，无法达到预期的效果。

3）后风挡局部过热，温度超标较多。

4）线束易烧蚀或过热、线束软；布线出来的外观表现不佳，露线等；加热丝使用之耐久性差、易变色等。

3 问题排查方案准备的方向

1）先前的设计考虑不够周全，产品因为种种原因不能满足要求。下面列举某车型后除霜后风挡熔断丝与负载的匹配整改过程见图1整改方案分析，图2为整改过程图。BCM熔断丝直接更换成30A熔断丝：普通继电器为最高30A@1h@12V，85℃@13V下耐久性差；PCB可能损坏，如果不更改线束，需要调整。

2）取消外后视镜加热功能。配置有需求：北部地区需求（雪）；南部地区需求（雨）。

3）降低外后视镜加热功率。功率较小（3.5A），基本无视；稍微降低功率，性能降低很多，得不偿失。

4）外后视镜加热熔断丝独立出来。方案可行，需要时间，周期至少半年；需要改进PCB，模具变更，需要重新认可。

图1 整改方案分析

图2 整改过程流程图

5）降低后风挡加热丝功率。方案可行，需要时间，周期待定；BCM需要验证性实验；整车需要验证。

不论何种方案，负载电流必须控制在设定的限值内，并且需经实物测试通过。

4 熔断丝的理论分析计算

汽车电路设计过程中，为了防止用电器、导线和继电器过电流损坏，串入熔断丝进行保护。熔断丝熔断是在极短时间内产生的很大热量造成的，而热量的产生与电流的大小和环境温度有关（当环境温度升高时，熔断丝的载流能力会下降）。所以各熔断丝通过的电流不同（各用电器的功率不同），以及熔断丝所在位置工作温度不同，熔断丝规格也不同。

4.1 熔断丝的计算

一般情况下熔断丝的选择可以按照以下公式（图3）进行计算。

图3 熔断丝计算公式

1）方法A按照这个公式计算，熔断丝带载能力为：

注意：此计算结果并不是说电流略超过，熔断丝立即会熔断。

熔断丝熔断：熔丝上的热量累积超过了熔融界限，并且进入熔断界限。

选用规格合适的熔断丝，一般遵循在常温（25℃）下选择熔断丝容量的75%为电器负载的工作电流。当环境温度升高时，熔断丝的载流能力会下降，要求熔断丝应在过载或短路的情况下能有效地保护导线。一般情况下熔断丝的选择可以按照以下公式进行计算：

式中：If——熔断丝理想值；In——正常工作电流值；RR——温度折减系数。

2）方法B按照这个公式计算，熔断丝带载能力为：

4.2 继电器的带载能力限制

由于以下限制，通过BCM上同一个端子的电流有上限，并不能无限增加。继电器的带载能力限制：普通继电器为25A；耐温继电器为30A，成本提升。

1）端子片宽对电流的限制。2.2mm端子带载允许持续20A；6.3mm端子带载允许持续50A；2.8mm端子带载允许持续22.2～25.5A（否决计算值）。

2）3端子压接线束的能力有限制。

3）电路板上覆铜所允许的电流密度有限制。

4）电路板上同一个接插件的端子所占空间对覆铜面积有限制。

5）大电流引起的温升有限制（接触电阻一定的时候），大电流引起高温会对接插件以及BCM外壳造成损坏甚至接插件被热熔（否决项计算值），热熔如图4所示。

图4 热熔状态

即使经过PCB优化等措施，负载电流仍然不可以突破30A，端子承受电流也决定了电流有限制，所以持续电流必须保持在端子、熔断丝的限值内，按照前述2种方案，持续电流必须限值在以下2种情况内：25A熔断丝限值18.0A；30A熔断丝限值21.5A，要求负载电流必须在18A以下。由于以下原因，上述电流限值应是玻璃冷态、初上电时的最高值：正温度系数（温度越高，电阻越大）；长时间、连续；电流变化率小，如图5所示。

图5 温度系数变化

5 后风挡加热丝理论分析计算

后风挡主要考虑的有以下内容：①负载功率不超标（与整车线束、熔断丝相适应）；②最优的舌片位置（符合造型，尤其是两厢车）；③最低的成本付出（加热丝尽量少，母线尽量窄）；④最高温度不超标（任何一点不允许超过70℃）；⑤加热区域符合要求（面积，中间优先）；⑥最简的工艺要求（成品率高、加工难度低、无特殊要求）。

5.1 负载功率不超标

为了满足功率上限不超标，必须想办法将能量集中到需要的地方。如图6所示，应将能量尽可能集中到加热所在区域。能量不应该在以下区域耗费过多：端子（接插件），导线，母线，非重点加热区。

选用合适的端子，减少回路上接插次数；综合考虑成本因素，尽量线径足够粗；合理设计母线形状对加热区进行分块分类，关照重点。

1）电阻基本公式：

电阻=电阻率×长度/横截面积（即：R=ρ×L / S）（6）

2）串联电阻（图7）所承受电压公式：

图6 负载功率

图7 串联电阻

式中：Us——电源电压；UDef——除霜部分的电压；R线——线束上的电阻；R接——接插件上的电阻，包括线束插件和风挡插件；RX——R线+R接。

3）功率公式

4）负载测试

确定参数范围合理性，对负载进行数轮多项测试，等效电路如图8所示，测试结果对比见表3。

5.2 舌片位置布置

三厢车或者类似有护板的，居中布置较好，有利于电流分配，降低局部过热风险；两厢车或者类似无护板的，出于造型、外观的需要，经常要求舌片位置居于底部，由此存在局部过热、远端发热量偏低造成加热效果差的风险。当舌片布置在端部的时候，同样情况下，回路长度差异（最短的和最长的）最大。

图8 等效电路示意图

表3 测试结果对比

5.3 容易出现的问题

当近端的最高温度达到峰值时，远端的温度还在较低的程度（通过的电流差异大），假定舌片在11～12根的位置。从降低电流密度出发，至少需保留加热丝的宽度，同时加上必要的工艺宽度；从成本、减少发热出发，母线在舌片处加宽，其余部分顺着电流减小的方向变窄。母线不能过窄，避免成为电流通过的瓶颈，导致热阻过大，流经加热丝的电流过小。

由于加热丝发散热量是从中间累计往外发散的，加热丝间距总有极限，推荐25～30mm。

5.4 局部过热发生的原因

局部过热发生的原因往往是电流的局部集中，常见以下情况：①加热丝局部变薄，则由于截面积变小，两端电压变化不大，S变小处发热会增加；②两条加热丝汇合成一条加热丝，如果截面积不变，则同上；③母线局部宽度或者厚度变窄处或者变薄处局部发热会增加；④舌片位置调整，使电流流出/汇入的母线宽度减少，则局部发热会增加。通过调整线宽、母线局部宽度以及加热丝方案可以针对性地降低最高点温度。