浅析汽车线束设计对汽车安全性的影响

引言

随着科学技术的飞速发展，汽车装备日趋完善，越来越多的电器、电子产品应用在汽车上。电子系统的使用不可避免的使汽车电路越来越复杂，使用的线路和元器件越来越多。提高了线路的设计、维修的难度和线束的复杂程度，降低了整个电气电子系统的可靠性。因为整车电路系统设计不合理或可靠性不能满足客户使用要求，导致整车电路系统损坏故障问题，甚至出现车辆自燃、起火等严重后果。根据消防部门统计，在机动车火灾中，近90%是汽车自燃。汽车自燃给人和车带来巨大的安全隐患。而线路故障，是引发车辆火灾的主要原因之一。因此整车电路系统设计工作显得尤为重要，本文就汽车电路线束自燃原因进行分析，并对整车电路系统设计过程中熔断丝及导线匹配设计要点进行论述。

1 线束烧蚀原因分析

1.1 过载

过载是指线路或者部件工作的负荷超过额定值,导致电器电流过大，用电设备发热。线路长期过载会降低线路绝缘水平，出现短路甚至烧毁设备或线路。

1.2 短路

短路是指电流不流经用电器直接由导线接通（称闭合回路），相当于直接连接电源两极。电源短路时电路上的电流非常大，使导线的温度升高，严重时有可能造成自燃。

1.3 熔断器与线路匹配影响

熔断丝的选用需与导线线径匹配，位置应合理布置，否则会失去应有的电路保护作用。

2 熔断器在车辆线束设计中的作用

2.1 熔断器作用

熔断器是汽车线路中的重要保护器件，俗称保险丝，其作用是保护汽车线路及用电器，防止大电流（过载）及短路时，将电线或者电气设备烧毁，并防止电气过热起火。

2.2 熔断器工作原理

汽车熔断器是一种当电路电流超过规定值和规定时间时，能及时使电路断开的熔断式电路保护元件。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成，或用截面积甚小的良导体制成。线路在正常工作情况下，熔断器中的熔丝或熔片不会熔断，一旦发生短路或严重过载、电流超过规定值和规定的时间时，熔断器中的熔丝或熔片应立即熔断，起保护电路和电器设备之用。

因此如何合理的匹配熔断器及导线，对保证安全行车，快速诊断汽车电路故障具有重要作用。

3 熔断丝及导线匹配原则

3.1 保险线径匹配流程

用电器保险与导线的选择过程是：首先根据负载的额定功率计算出负荷电流，除以一定的负荷余量率后选择保险容量大小，然后根据保险大小及环境温度选择导线。

1）负载电流计算

负载电流If，计算公式如下：

（1）

式中：If—负载电流；Pe—负载额定功率；Ve—负载额定电压；

Vd—电源电压。乘用车一般为14.5V，商用车一般为27V。

2）保险的额定电流计算

保险的额定电流Ie （A）为保险的环境温度额定电流（Ihe）

在保险的负载电流（Ibf）基础上大于等于一个等级。

（2）

式中：Ibf—保险的负载电流，If—负载电流公式（1）R—保险的负载余量率如表1 所示：

表1

High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V : 引用Littelfuse 商品说明书的值以及JASO 610-1993）

环境温度保险额定电流：

（3）

式中：Ihe—环境温度保险额定电流

Ie -保险额定电流。根据保险厂家规定而选型

RR-保险的温度折减系数，发动机仓内温度为80℃时的值，驾驶室内温度为40℃时的值，具体数值需要根据选择保险厂家的特性曲线值而选定，如图1。

图1

High Current Fuse (JCASE Cartridge Fuse Rated 32V：引用Littelfuse 商品说明书的值以及JASO 610-1993）。

环境温度保险额定电流（Ihe）≧保险的负载电流（Ibf）/温度折减系数。

根据公式1、公式2、公式3 及负载功率、负载电压选定了负载的保险值。

3）导线材质及线径选择

在确定保险丝的容量后，就可以进行线径的计算和选择了。首先根据表一确定环境温度，再根据导线的环境温度确定导线的材质，再根据图2 选择合适的线径。（以AVSS 线为例）。

表2

图2 周围温度对 AVSS 线额定电流影响

电线电流容量：

（4）

式中：Id—电线电流，I—电线环境温度电流(A)（图二），

N—电线线束衰减系数。

选择的导线，应当满足导线电流（Id）≧负载电流（If）。

表3

电线电流容量线束减低系数 (引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001）。

4）导线与保险丝的匹配校核

理论上车辆的车身、发动机都是接蓄电池负极的，在车身上布置的电线导体与车身本体，中间是电线绝缘层、线束外敷物（胶带、波纹管等）、车身漆组成的绝缘电阻。汽车是复杂不规律的环境下使用的，随着绝缘老化或意外故障它们之间的电阻就可能处在（0，+∞）某一阻值，导致了电线中流过各种大小电流的情况成为可能。所以要求保险丝在各种电流的环境下都要先于电线发烟而熔断。

◆ 保险短时间熔断电流：

（5）

式中：Idr—保险短时间熔断电流；Ihe—环境温度保险额定电流；n—熔断电流倍率（由表4 中查得）。

◆ 保险长时间熔断电流

（6）

式中：Icr—保险长时间熔断电流；Ihe—环境温度保险额定电流；

保险短时间熔断电流Idr需要小于电线短时间发烟电流；保险长时间（1000S）熔断电流Icr 需要小于电线长时间发烟电流；电线的短时间冒烟电流及长时间冒烟电流均由图3 获得。

表4

( 引用JASO D611-2009 以及JASO 609-2001）

图3

5）计算导线长限度

导线最大长度L为：

（7）

式中：L—导线最大长度；rh—环境温度回路电阻；rT2—环境温度导线电阻。

环境温度回路电阻：

（8）

式中：V e—负载额定电压；Idr—保险短时间熔断电流；公式（5）。

（9）

式中：rT2—环境温度导线电阻；r20—r20是在20℃下的导体阻值

T2—导体最高使用温度

3.2 熔断丝与导线匹配实例

JAC 某车型，按照以上计算方法，得出部分负载熔断丝

及导线选型如下：

表5

4 总结

上述计算方法与结果已在实际使用，并得到验证．回路的工作安全可靠。通过本文可以看，汽车线束的被动保护一直是依靠保险丝，但保险丝有其局限性。随着 CAN 网络和电力电子技术在汽车上的应用与发展，利用监测电路电流、电压、绝缘性等数据并对数据进行处理的智能配电模块将会成熟并普及。线束故障报警与故障诊断功能系统将实现，使排查故障变的简单而准确并提高了汽车安全性。