关于汽车线路匹配安全技术的研究

王春芝

（安徽江淮汽车股份有限公司轻型营销公司， 安徽 合肥 230601）

1 技术背景

随着汽车数量的急速增加，车辆自燃现象也随之增加。汽车自燃，严重威胁着人们生命和财产的安全，分析和预防汽车起火十分重要。根据国外机构统计，由电线引起的汽车自燃约占高速公路自燃的30%，是车辆自燃的最大诱因。

熔断丝是电路设计时为保护线路和电器件而有意设计和制造的线路中最薄弱一部分，当电路出现短路或过载异常时，熔断丝会先于导线和元器件损坏前熔断，从而切断电源保障电路安全。电线失火，通常是由于线路缺乏熔断丝保护或熔断丝与线路匹配不当引起。熔断丝的每一电流值都对应一定范围的电阻，并由此定义其过载的特性。在线束设计中，如果没有合适的熔断丝与导线匹配计算方法，设计就会达不到我们的要求和目的。熔断丝选择过小，会影响熔断丝的使用寿命导致客户抱怨，而熔断丝选择过大，则无法保护电器件且引起导线成本上升。另外，当大电流熔断丝匹配了小线径导线时，熔断丝会无法保护线路，一旦回路发生短路或过载，导线就会先于熔断丝融化，引起车辆失火。而如果为了安全盲目提高导线线径，则会引起成本浪费，同时增加线束质量。探索熔断丝与导线的最优匹配方案，一直是线束设计的重点和核心工作。

国内商用车受环境和成本影响，前期较多使用易熔线作为线路熔断丝元件，而易熔线仅能提供短路保护且容易引起明火，存在隐患。同时由于商用车货箱和车架较长导致部分电源回路导线过长，因而此部分回路导线阻抗高，短路时的短路电流被拉低而无法快速熔断，存在导线先于熔断丝熔化而引起失火的隐患。早期我们选型时所用的熔断丝与导线匹配表是在导线长度特定范围内适用的，主要与乘用车契合，与商用车并不完全适合。

根据开发需要，结合熔断丝熔断特性及导线发烟曲线等因素，我们创新完善了熔断丝和导线的匹配方法和验证能力，对电气系统的负载状态、熔断丝容量、导线线径的匹配进行优化，消除隐患，控制成本，减小开发风险。

2 总体思路

早期的熔断丝与导线匹配计算方法，在计算出来熔断丝规格后，就直接对照图1所示的导线与熔断丝适配表选取导线规格。

图1 熔断丝与导线适配表

这样的计算方法简单方便，但是由于未考虑导线本身阻抗和过载短路电流冲击影响，匹配存在缺陷，一旦回路发生短路可能会导致导线发烟进而引发火灾风险。

为了更好地完成线束匹配设计安全，同时促进成本合理化，必须要建立科学的导线和熔断丝选型匹配方法。理论计算方法完成后，我们还必须进行充分的可靠性验证试验，通过借鉴国际先进的整车线路安全测试 （CPT，Circuit Protect Test） 台架经验，我们同时搭建电路安全测试 （CPT） 台架，形成一套完整的设计开发验证体系。

为更系统安全地达成匹配设计目标，新计算方法考虑从以下几个方面进行细化验证计算。

1） 引入连续通电电源线束衰减系数概念

早期计算方法中，并未考虑一根线束中几根电源线同时工作时对导线电流传输能力的影响 （即线路导电发热的影响），计算导线载流能力时，全部按规定载流能力计算。本次更新计算方法，引入日标《JASO D609低压电线电流容量》中对一根线束中同时工作的几根电源线电流传输能力衰减系数计算方法，防止一根线束中多根电源线同时工作发热而影响线束安全。图2为连续通电电源线束衰减系数表。

2） 引入熔断丝与导线短时匹配概念

熔断丝是用来保护电线以免过热，在造成热损坏之前熔断丝就应熔断。计算熔断丝在短时间内熔断所需的电流值，对小型和中型的片式熔断丝，取额定电流的2倍；对于大电流的熔断丝，取额定电流的6倍。根据《ISO 8820-2道路车辆熔断器-用户指南》的规定，速熔熔断丝在其额定工作电流的2倍电流下，将会在≤5s内熔断。我们考虑回路短路充分的情况下，短路电流会远高于熔断丝额定电流2倍，所以我们只要保证5s内熔断丝所配导线的发烟电流大于熔断丝额定电流的2倍，即可保证熔断丝熔断先于导线发烟，从而就保证了回路短路充分时的线路安全。导线的发烟电流曲线可由JASO D609标准查阅。对于缓熔熔断丝，则选择6倍电流进行计算，原理相同。图3为片式熔断丝分断时间表。图4为AVS导线80℃发烟曲线。

图3 片式熔断丝分断时间表

图4 AVS导线80℃发烟曲线

3） 引入熔断丝与导线长时匹配概念

熔断丝在额定工作电流下可长时工作。引入熔断丝与导线长时匹配的概念，只要保证导线的长时发烟电流较熔断丝的额定工作电流大，则可保证回路在长时负载的情况下，导线不会发烟。图5为导线发烟曲线与熔断丝分断曲线。图6为导线发烟曲线与熔断丝分断曲线的几种关系。

图5 导线发烟曲线与熔断丝分断曲线

图6 导线发烟曲线与熔断丝分断曲线的几种关系

4） 引入导线限长的概念

因为导线本身具有阻抗，导线越长阻抗越大，当导线过长后，即使回路短路，电压由于被导线所分担，会导致短路电流过小而不能快速熔断，导线就会持续发热产生风险。本方法引入导线限长的概念，确保回路短路电流不会低于熔断丝额定电流的2倍，则可保证熔断丝与导线短时匹配的安全性。

5） 整车线路安全测试 （CPT） 验证

线路安全测试方法和设备，即CPT试验。CPT试验即为通过对整车线束回路在电器件各种运行工况下的电压、电流测试，实践校核整车线束、电器件的匹配合理性及安全性，避免因设计计算遗漏及特殊工况下电器件的性能偏差行为导致的线路故障、失火风险及电器功能失真。整车线束负载安全试验主要包含：单负载试验、全负载试验、短路试验、静态电流测试。

6） 引入熔断丝寿命计算方法

以往受困于没有回路负载特性曲线，无法分析计算熔断丝的可靠性寿命。利用CPT测试数据，我们可以根据测试的回路特性曲线计算熔断丝寿命，由回路电流的特性冲击曲线计算出发热量I2t，求出其与熔断丝设计I2t比值，则可算出熔断丝耐冲击次数。图7为相对I2t的计算公式，图8为脉冲电流I2t的计算方法，图9为熔断丝相对I2t曲线，图10为熔断丝熔断I2t表。

图7 相对I2t的计算公式

图8 脉冲电流I2t的计算方法

图9 熔断丝相对I2t曲线

图10 熔断丝熔断I2t表

3 技术方案

烧车隐患是车辆重大品质风险，一旦发生烧车将严重影响乘员生命、财产安全，同时对公司也将造成较大的经济及声誉损失。本方案要求计算选择回路最适合的熔断丝及导线，即保证线路和电器的安全，又能促成成本最优化。

计算方法依托熔断丝熔断特性曲线及导线发烟特性曲线，以电阻、电流及发热量为计算依据，综合考虑温度及并线衰减等因素，形成一个综合计算公式。最后，对基本型产品进行CPT测试，采集各瞬态、稳态、堵转及短路等工况下回路的相关信息数据，验证计算的符合性。计算流程如下。

1） 计算回路实际负荷电流：实际负荷电流（A）= ［额定功率（W）/公称电压（V）］×［电源电压（V）/公称电压（V）］。

2） 选择适配熔断丝：熔断丝必要额定电流（A）= ［负荷电流（A）/负荷余量率（%）］×100；选择大于且最接近计算结果的熔断丝。

3） 选择适配导线：查阅导线样本，选择导线。要求导线负荷电流能力大于回路实际负荷电流，且同样大于熔断丝适合负荷电流。熔断丝适合负荷电流 （A）=熔断丝额定电流（A）×环境温度系数×0.7。

4） 计算熔断丝与导线短时匹配性：熔断丝短时间熔断电流 （A）=熔断丝额定电流 （A）×温度系数×熔断电流倍率；片式熔断丝熔断电流倍率选2倍，则熔断丝熔断时间为5s。可查阅导线在5s时的发烟电流。要求导线5s发烟电流大于熔断丝短时熔断电流。

5） 计算熔断丝与导线长时匹配性：查阅导线样本，要求导线长时发烟电流大于熔断丝长时熔断电流。熔断丝长时熔断电流（A）=熔断丝额定电流（A）×环境温度系数。

6） 计算导线限制长度：限制长度（m）=公称电压（V）/短时间熔断电流（A）/［电线阻值（Ω/m）×温度系数］。

7） 试验验证：CPT试验验证，单负载、全负载、短路、静态验证。

8） 结果分析及熔断丝寿命计算：根据CPT试验验证结果，确认回路是否异常。根据测试电流波形，计算熔断丝耐冲击次数。其中计算公式如下。

负荷电流（A）=［额定功率（W）/公称电压（V）］×［电源电压（V）/公称电压（V）］

熔断丝必要额定电流 （A）=［负荷电流 （A）/负荷余量率（%）］×100

熔断丝短时间熔断电流（A）=周围温度额定电流（A）×熔断电流倍率

电线容许电流（A）=周围温度容许电流（A）×电线线束减低系数

熔断丝最适合负荷电流（A）=周围温度额定电流（A）×负荷余量率（%）/100

周围温度电线阻值（Ω/m）=电线阻值（Ω/m）×［1+0.00393×［周围温度（℃）-电线阻值测定温度（℃）］］

容许回路阻值（Ω）=公称电压（V）/短时间熔断电流（A）

电线长限度（m）= 回路允许阻值（Ω）/周围温度电线阻值（Ω/m）

根据以上计算方法，在EXCEL表格中编写公式，形成计算模板。熔断丝与导线匹配计算表模板及各项目应用情况如图11所示。

图11 计算表模板

4 总结

线束回路越来越多，线束系统也越来越复杂，一辆整车上面至少有几百个回路。面对日益复杂的线束系统，对线束设计提出了很高的要求，在设计匹配整车线束时，不仅要充分计算校核各回路导线、熔断丝、开关及电器件的匹配情况，还需详细完备地通过试验测试每个线束回路工作状况，检验整车线束匹配的合理性及安全性。线束回路设计得不够合理，轻则导致电器件功能失效或故障，影响功能使用甚至行车安全，重则因电器件或线路的烧蚀而引起整车失火。

该计算及验证方法已经应用某皮卡、轻客车型，大大提升了车辆线路安全性。新计算方法通过CPT验证，未发现理论计算与实物试验有不一致的问题，计算方法科学、有效。同时，由于选择适配了最优熔断丝和导线方案，线束质量得到降低，成本得到了优化。