汽车线束导线和保险丝的选型

詹鸿洁 胡军 易琨

（1.神龙汽车有限公司；2.武汉友德汽车电器有限公司）

导线和保险丝是汽车线束的重要组成部分，两者都起到连接电路的作用。在电路非正常的情况下，保险丝需要熔断，从而起到保护导线的作用。若导线线径和保险丝容量选择过小，则会频繁出现线路或保险丝烧蚀的问题；若导线选择过大，则会存在过余设计，不利于成本控制；若保险丝选择过大，则失去了保护用电设备及导线的作用。故而在汽车线束设计时，除了要考虑到设备端的用电特性，也需要考虑到保险丝和导线的匹配关系[1-3]。文章通过介绍导线和保险丝的选型方法及导线与保险丝的匹配计算，从设计角度提升线束的可靠性。

1 汽车线束导线的选型

1.1 耐温性

汽车上最常使用的普通导线由线芯和绝缘皮构成，线芯发热，绝缘皮散热。同系列同线径的导线，其耐温性主要与绝缘皮的壁厚和使用材料有关。PSA（法国标致雪铁龙集团企业内部标准）导线和ISO 6722 国标导线的温度对应关系，如表1所示。

表1 PSA 标准与ISO 标准对应下的导线耐高温表 ℃

一般在发动机舱区域，默认环境温度区间为100～200 ℃，导线一般选择 T3（C）类；大线径（＞10 mm2）的导线选择T7（G）类。为避免过余设计，在选择导线类型时，会参考整车的温度场数据选择导线的耐温等级。

1.2 载流能力

载流能力是指导线能够长时间承载最大电流的能力。不同导线能够承载的电流峰值是不同的。同线径的导线耐温等级越高，载流的能力越强；同耐温等级的导线线径越大，载流能力越强。导线的载流能力一般与导线内芯的材料、线芯的股数和绝缘皮的等级有关。

内芯的材料一般为铜或铝，铜的载流能力比铝强，一般铜为5 A/mm2、铝为3 A/mm2。同等条件下，线芯的股数越多，承载电流的能力越强；绝缘皮耐温等级越高，承载电流的能力越强。

1.3 降额能力

降额能力是指导线随环境温度的变化，载流能力跟着改变的一种能力。常温时导线的载流能力处于较高的水平，但随着周围环境温度的升高会逐渐降低，直到达到某一温度临界值时导线断开，完全失去承载电流的能力。

导线的降额曲线是线束布置的重要依据，靠近热源的区域，需要根据环境温度选取适合的耐温导线。降额能力主要与导线绝缘皮厚度有关，和线芯使用的材料关系不大。T3（C）类导线为厚壁导线，T2（B）为薄壁导线，T1（A）为超薄壁导线，相同的线径（线芯股数相同）条件下，绝缘皮的厚度越厚（但不得超出ISO 6722的要求），其散热能力越强。例如：对照表1，在温度大于100 ℃的区域，不建议选用T2（B）类型的导线，因为此时，即使选用的导线比额定所需线径更粗，导线的绝缘层材料承受能力依然为T2（B），仍会受到高温影响，使绝缘皮加速老化，缩短导线的使用寿命。

1.4 导线温升

通电的导线自身会产生热量（Q），可根据焦耳定律Q=I2Rt 计算。但一般情况下，是不考虑导线的自身发热的，因为环境温度一般相对较低，而热量一般从高温区域向低温区域扩散，导线产生的热量能够及时散出。

所以，考虑导线的温升一般是在外界高温的环境下，导线发热大于散热时，导线容易烧蚀，这是线束设计重点关注的风险项，通常可以采取加大导线线径的方式来提高导线的散热能力。为了定量计算导线自身的发热，需要算出某温度下的导线电阻：

式中：Rt——导线电阻，mΩ；

R20——20 ℃常温条件下单位长度阻值，mΩ/m；

t——实际环境温度，℃；

L——导线长度，m。

由式（1）可求出确定长度导线的发热量，通过查询导线的热熔边界，可判断导线在温度t下是否会烧蚀。

1.5 电压降

电压降[4]即连接电源到设备端的导线在传输过程中造成的电压损失。通过式（1），可以看出，环境温度越高、导线的长度越长，导线的电阻就越大。因此，在长距离、高温的条件下传输，需要考虑导线的电压降。线束总的电压降应包含从发电机/蓄电池端开始，线束中每根导线上的电压降，直到设备的接地。导线电阻测量的理想试验温度是20 ℃，但是实际的测试环境温度会存在偏差，需要根据温度修正系数折合成20 ℃的状态。修正系数由导线厂家提供，不同品牌的修正系数各异。

每根导线的电压降=导线长度×电阻率×温度系数，除此之外，电压降还需要考虑端子压接的电压降，和与连接器对接时的电压降。

所以，线路上总电压降=∑（每根导线电压降+每个压接电压降+每个连接器对接电压降）。

线束电压降仿真在整车上进行，包括了线束到某元器件的所有电压降，一般只对部分敏感元器件做电压降测试，比如行车喇叭，要求阻抗小于29.10 mΩ。在大多数情况下，线路的电压降是忽略不计的，但是导线的电压降必须控制，要求不得高于电器件所需电能的10%。

2 保险丝概述

在电路正常时，保险丝起到电路连接的作用；在电路非正常时，保险丝起到保护作用。需要根据用电设备的需求匹配具有某种特性的保险丝。保险丝按外形可以分为插片式和打紧式，按熔断时间可以分为快熔式和慢熔式，按额定电压可以分为高压保险丝和低压保险丝，按照保护形式可以分为过电保护和过热保护。

保险丝能够同时提供短路保护和低过载情况的保护，其熔断特性，如表2所示。

表2 常用保险丝的熔断特性

当保险丝老化，保险丝的额定电流会变小，更易熔断。影响保险丝使用寿命的主要因素有：

1）环境温度。保险丝是一个热能响应元件，它被设计成电路中最脆弱的部分。当环境温度过高，保险丝难以对外进行散热，当达到熔断热量时，保险丝就会熔断，所以环境温度过高会缩短保险丝的使用寿命。

2）脉冲电流。脉冲电流通过保险丝时，保险丝会产生热量（Q=I2Rt），当脉冲电流的峰值电流过高，热量达到保险丝的熔断热量时，保险丝失效。需要注意的是，单次的脉冲电流不一定致使保险丝熔断，但是多次高电流冲击会造成保险丝寿命的缩短，可根据“脉冲次数－相对I2t 曲线表”查询保险丝耐受脉冲电流的次数。常见的插片式保险丝正常的使用寿命可承载1 万次脉冲电流。

3）保险丝的接触电阻。保险丝与管夹的接触电阻过大，也会造成保险丝发热增加，可能达到保险丝熔断热量，缩短保险丝的寿命。

3 导线和保险丝的匹配设计

在实车上给用电器选配导线和保险丝时，要收集用电器信息，须确定用电器工作电流的类型[5-9]与时长、是否存在大电流的浪涌、负载类型是属于感性还是阻性。

3.1 保险丝规格的计算

3.1.1 稳态的工作电流

用电器工作电流为稳态，建议持续工作的负载电流为保险丝额定工作电流的75%。当环境温度和试验温度差别很大时，必须考虑温度修正，温度修正系数的图表在产品报告中可查。

式中：If——理想的保险丝额定值，A；

In——额定工作电流，A；

rr——环境温度修正系数，%。

例如：某用电器的额定工作电流为5 A，环境温度为105 ℃，首先根据环境温度，查询出保险丝的温度修正系数为88%。由式（2）可得，此保险丝额定工作电流为5/（0.75×88%）≈7.58 A，选择最接近且大于计算结果的保险丝规格，即10 A的保险丝。

3.1.2 脉冲的工作电流

某典型插片式保险丝承受脉冲周期曲线，如图1所示。相对I2t=脉冲电流的I2t/保险丝熔断的I2t，t为脉冲电流持续时间，本质为热量比。一般建议相对I2t 不超过37%。

图1 某典型插片式保险丝承受脉冲周期曲线

例如：某ATO 5 A 插片式保险丝，要承受的脉冲电流为10 A，持续时间为0.2 s，其脉冲电流的I2t=10×10×0.2=20 A2·s，从产品目录中查询可得5 A 规格对应的保险丝的熔断I2t为26 A2·s。相对I2t=20/26≈0.77 A2·s，由图1 可以看出，选用5 A ATO 保险丝能承受的冲击次数不足10 次，可预判此保险丝会快速烧蚀。

3.1.3 浪涌的工作电流

浪涌电流可视为由稳态电流和脉冲电流叠加产生。计算方法与脉冲电流一致，求浪涌电流相对保险丝熔断的I2t 后，再查询“脉冲次数－相对I2t 表”即可。

3.2 导线的规格计算

保险丝应保护导线，在造成导线热损坏前保险丝就应该熔断。根据经验，插片式保险丝的熔断电流应该是其额定工作电流的2 倍。例如：某用电器工作电流为10 A，工作环境温度为80 ℃，环境修正系数为91.8%，由式（2）计算可得，其保险丝的额定工作电流为10/（0.75×0.918）=14.524 A，应选用 15 A 规格保险片，其熔断电流为14.524×2=29.049 A。假设该导线长度为10 m，将已知条件 t=80 ℃，Rt=12 V/29.049 A=0.413 Ω代入式（1）得 R20=0.413/ [10（1+0.003 93（80-20））]=0.033 4 Ω/m=33.4 mΩ/m。根据导体截面积与导体直流电阻的对照表[10-12]，可知此10 A的用电设备应该配以电阻小于33.4 mΩ/m 且与之最接近的导线规格，查表得知应选用线径为0.75 mm2的导线。

4 结论

汽车导线和保险丝的选型与实车环境和用电设备密不可分，需要综合考虑温度场和用电设备的特性才能合理选型。文章介绍的选型方法已经在实际应用中得到验证，通过对每条回路进行计算检查，可以在线束设计初期预判风险并加以改正，提升线束的可靠性。另外，在遇到疑似线束烧蚀问题时，也可以通过此方法进行快速计算，判断烧蚀是否由于线束选型不当造成。