汽车用保险丝的设计与选型原则

2018-12-18陈淳杨喜军

科技与创新 2018年23期

陈淳，杨喜军

汽车用保险丝的设计与选型原则

陈淳，杨喜军

（上海交通大学电气工程系，上海 200240）

随着现代汽车电气化程度不断提升，车载功能日益增强、电气设备不断更新，人们对整车安全性能的要求也在不断提升。在此过程中，保险丝（熔断器）所起到保护作用非常关键。近几年来，车用保险丝发生了日新月异的变化，其种类、功用、性能越来越多，应用也越来越广泛。主要围绕车载保险丝，分析其应用在汽车上的设计与选型原则。

汽车；保险丝；电流；选型原则

1 引言

保险丝，又名“熔断器”，是一个热能响应元件。汽车电路中的用电器被不同颜色的导线连接起来，在这些过电流保护手段中，采用保险丝是人们采用最多的保护手段。保险丝的作用主要是保护电源与导线，避免短路，保护用电器，防止过载。汽车保险丝的用途与家用保险丝的大同小异，当电路电流异常并超过其额定电流时熔断，从而起到电路保护屏障的作用。如若不然，升高的电流会损毁电路中的重要器件，甚至引起火灾。可见，保险丝的存在意义重大，如何根据电路的情况来选择保险丝，是汽车前期设计的一个关键因素。

2 保险丝的构造及工作原理

2.1 保险丝的构造及种类

保险丝一般由以下3个部分组成：①熔体部分。它是保险丝的核心，熔断时起到切断电流的作用。②电极部分。通常有2个，它必须有良好的导电性，不应产生明显的安装接触电阻。③支架部分。支架的作用是将熔体固定，它必须有良好的机械强度、绝缘性和阻燃性，在使用中不应产生断裂、变形及短路等现象。

电力电路及大功率设备所用到的保险丝，不仅具有一般保险丝的3个部分，而且还有灭弧装置。因为这类保险丝所保护的电路不仅工作电流较大，而且当熔体发生熔断时其两端的电压也很高，往往会出现熔体已熔化（熔断）甚至已汽化，但是电流并没有切断的现象，其原因就是在熔断一瞬间的电压及电流的作用下，保险丝的两电极之间发生拉弧现象。这个灭弧装置必须有很强的绝缘性和良好的导热性，且呈负电性。汽车上使用的保险丝按照容量和款式可分为如下几个类别：①ATO fuse，额定值为1～30 A，也称为插片式保险丝，适用温度在﹣40～105 ℃；②Mini fuse，额定值为2～15 A，体积小巧，目前市场上广泛使用，适用温度在﹣40～125 ℃；③Maxi fuse，额定值为30～60 A，也称为中等电流插片式保险丝，适用温度在﹣40～25 ℃；④J-case fuse，额定值从20～60 A，也称为中等电流盒式保险丝，适用温度在﹣40～125 ℃；⑤Midi fuse，额定值为30～200 A，使用M5或M6螺栓固定，适用温度在﹣40～125 ℃；⑥Mega fuse，额定值为40～500 A，使用M8螺栓固定，适用温度在﹣40～125 ℃，是目前市场上额定电流最高的产品。

2.2 保险丝的工作原理

当电流流过保险丝的导体时，由于导体存在一定的电阻，所以导体将会发热，且发热量遵循着公式=0.242.其中是发热量，0.24是一个常数，是流过导体的电流，是导体的电阻，是电流流过导体的时间。可见，保险丝的发热量正比于电流平方、电阻值、时间三者的乘积。

当电流经过保险丝时，保险丝会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小决定了其产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的周边环境决定了其热量耗散的速度。如果前者小于后者，保险丝不会熔断；如果前者等于后者，在相当长的时间内它也不会熔断；如果前者大于后者，那么产生的热量就会越来越多，又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。这就是保险丝的工作原理。因此，在设计保险丝时必须认真研究所选材料的物理特性和几何尺寸，这些因素对保险丝能否正常工作起了至关重要的作用。

2.3 保险丝的熔断及分断时间

保险丝的熔断过程可以分为以下几步：①保险丝接通过载电流；②过载电流使保险丝熔丝发热；③保险丝熔丝熔断；④保险丝熔断后，由于导体两端的电压而出现火花；⑤熔断距离加大后，电火花停止。保险丝分断时间如图1所示。

由图1可知，保险丝在其熔化时间内的电流值高于其在飞弧时间内的电流值。保险丝在通过110%以上的额定电流情况下，会在一定的时间内发生熔断，电流越大，熔断时间越短。保险丝分断时间与通过电流的关系如表1所示。

图1 保险丝分断时间

表1 保险丝分断时间与通过电流的关系

额定电流/（%）分断时间/s 110＞600 1350.75～600 2000.15～5 3500.08～0.25 6000.03～0.1

2.4 保险丝的时间/电流特性曲线

一般而言，同一种类型保险丝，经过相同电流，其熔值越大，熔断时间越长。图2以Maxi保险丝的TC曲线图为例，5条曲线对应的熔值从左至右依次为20 A、30 A、40 A、50 A、60 A。可见，不同容量的保险丝的TC曲线不同。

图2 保险丝的时间/电流特性曲线

2.5 环境温度修正系数

保险丝的动作直接由热量引起，所以环境温度对保险丝的性能有影响。这里的环境温度除了指电子电气设备所在的环境温度外，更重要的是指在设备工作时，保险丝在机器内部所处小环境的温度，因为那将更加直接影响到保险丝的性能。因此，对于同一个保险丝，经过相同电流，所处环境的温度越高，熔断时间越短，不同温度下保险丝的时间/电流特性如图3所示。在设计保险丝设计过程中，可以根据其实际的工作环境温度来确定其修正系数，作为熔值选择的参数。环境温度修正系数与环境温度的关系如图4所示。由图4可知，保险丝的环境温度修正系数随着环境温度的变高而变小，呈现出递减的趋势。

图3 不同温度下保险丝的时间/电流特性曲线

图4 环境温度修正系数与环境温度的关系

3 三种电流模型

3.1 稳态工作电流

稳态工作电流如图5所示，其电流值不会随着时间的变化而变化，持续且不间断，一直保持稳定。汽车上的用电器触发后，其后一段时间内的电流就是稳态工作电流。

图5 稳态工作电流

3.2 脉冲电流

脉冲电流如图6所示，其是一种间断输出的高频电流，有干扰脉冲和信号脉冲。脉冲信号的特点是瞬间突然变化，作用时间极短，多数出现在用电器启动或关断的瞬间。

图6 脉冲电流

3.3 浪涌电流

浪涌电流指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。当汽车电子器件出现故障，发生误操作或者出现短路现象，很容易产生浪涌电流。一般可以认为浪涌电流是由脉冲电流和稳态电流叠加而成的。浪涌电流如图7所示。

图7 浪涌电流

4 保险丝在实际工作状态中的设计与选型

在串联电路中，每个用电器都严格配置一个保险丝，这种配置系统可使保险丝保护装置和材料使用达到一种最佳状态。由于汽车线束串联用电器的数量受周围环境的安装空间和保险丝盒位置及孔位数量的限制，因此会采用电器并联的方式，各回路的导线横截面不是按照回路里产生的电流设计，而是与共同的保险丝数值相匹配。例如，一个10 A保险丝，用来保护远光灯和一个雨量传感器，根据远光灯工作电流，选用了0.75 mm2的导线，但是传感器的工作电流一般非常小，可能会选用0.35 mm2的导线，这样的话，10 A的保险丝就保护不了这根0.35 mm2的导线，所以这种情况下，会把传感器的线径提升为0.5 mm2或0.75 mm2，至少要达到保险丝保护导线的目的。对于每个用电器来说，必须算出其最大出现的持续电流和峰值电流，以数值和时间的形式呈现，并与保险丝的特性曲线进行对比，如果这个工作点正好处于保险丝的特性曲线散布范围或者触发范围，则必须把保险丝熔值提高一个档位。接着再与保险丝特性曲线进行对比，在前提条件为短路的情况下，在导线过载之前必须出现大到可以熔化保险丝的电流。

4.1 稳态电流情况

保险丝的额定电流取决于标称工作电流，即为能通过的最大安全电流。在选取保险丝的时候，一般建议持续工作负载为保险丝额定电流的75%.计算公式如下：

式（1）中：f为理想的保险丝额定值；n为额定工作电流；为环境温度修正系数。

例如，为了得到理想的保险丝熔值，假使在额定工作电流为15 A，环境温度为105 ℃，选择的是Mini fuse。根据Mini fuse的环境温度修正系数表格，可以得到其在105 ℃时修正系数为88%.这样便可以代入上述公式求得：f=15/（0.88×0.75）=22.7 A。选择最接近且大于计算结果，此例为25 A。

4.2 脉冲电流情况

选取的保险丝必须承受足够的脉冲次数和一定时间持续的稳态电流。通过脉冲电流2和保险丝熔断2两个参数的比值得到相对2，以此确定保险丝所能够承受的脉冲次数。

第一步，先计算脉冲电流的2.首先可以得出电流对时间的函数关系（），由此可以进一步推出2（）的函数关系，再由以下公式推算出脉冲电流的2，为：

式（2）中：1和2分别为脉冲电流作用的起始和终止时间。

第二步，计算保险丝熔断的2.保险丝熔断2是保险丝在熔化过程中电流转换的热能。同样的，在熔化时间内，得出电流2（）与时间的函数关系，对此进行积分，便可得到熔断2，计算公式为：

式（3）中：1和2分别为保险丝在熔化过程中的起始和终止时间。

最后一步，再由脉冲电流的2（2）和保险丝熔断的2（3）的比值来确定相对2.

例如，如果要计算一个5 A的ATO保险丝在承受脉冲电流为10 A、脉冲电流持续时间为100 ms、脉冲周期为30 s的环境下所能承受的脉冲次数。首先计算脉冲电流2=0.1 s×10 A×10 A=10 A2s，其次通过该保险丝的目录可以查到其保险丝熔断2为26 A2s，则相对2则是两者的比值 10 A2s/26 A2s，即38%，根据插片式保险丝的承受脉冲周期曲线可以得出，38%所对应的承受次数为10 000次。

相对2和保险丝的寿命之间有着一定的关系，通过计算这个数值，可以利用承受脉冲周期曲线来预测保险丝的寿命。例如，一个保险丝的相对2在给定脉冲的情况下为41%，则由图8可以得出，约可以承受4 500次这样的脉冲冲击。

一般而言，建议相对2＜30%，否则，数值越高，能承受的电流冲击次数则越少。

4.3 浪涌电流情况

在浪涌电流情况下，需要计算电流累积2，其是电流经过一段时间后累积的能量。通过电流累积2与保险丝熔断2的比值得到相对2，且相对2是随时间而变化的。

首先，根据（）对时间的函数，描绘出2（）的时间曲线，然后通过积分算法，求出每段时间内累积的2（），绘制出一条2的时间曲线。其次，根据保险丝的熔断时间和电流的TC曲线，得出保险丝在不同熔断时间的电流值，并根据此电流值，得出熔断2，并绘制出保险丝熔断2相对于时间的曲线。接着把浪涌电流累积2曲线和保险丝熔断2曲线绘制在同一张图表中，如图9所示。

图8 相对I2t与保险丝承受冲击次数的关系

图9 I2t与时间的关系

图9中下方的曲线是浪涌电流累积2，上方的曲线是保险丝熔断2。可以用两者的比值计算出每个时间点的相对2.例如，在=1 s时，浪涌电流累积2为19 A2s，保险丝熔断2为56 A2s，则在1 s时刻，相对2为19/56=34%.最后，再利用承受脉冲周期曲线来预测保险丝的寿命，得出可承受的电流冲击次数大于20 000次。

5 保险丝和导线截面积的匹配

为使保险丝能够起到线路保护作用，所选择的保险丝应与连接的导线进行合理的匹配，不宜过大或过小。若选择的保险丝过大，当线路发生短路或过载时，最先熔断的不是保险丝，而是导线，这种情况下会引起安全问题；若选择的保险丝过小，会导致其频繁熔断，用电器乃至整条线路将无法正常工作。因此，导线的线径与保险丝的匹配在汽车线路的设计中也是非常重要的。可以根据导线与保险丝的熔断时间与电流TC曲线进行匹配选择。普通片式保险丝和低压导线的TC曲线如图10所示。

由图10可以得出以下3点结论：①经过相同电流，保险丝熔值越大，熔断时间越长；②经过相同电流，导线线径越大，熔断时间越长；③不论是保险丝还是导线，经过的电流越大，熔断时间越短。

随后，如何进行保险丝和线径的匹配，也能以图11为参考。保险丝要起到线路的保护作用，就要比导线先熔断。满足以下两个条件，即可达到保险丝和导线匹配的目的：①对于任何一处电流值，导线所对应的熔断时间大于保险丝的熔断时间；②保险丝和导线的TC曲线距离不能太远，否则意味着选用了过小的保险丝或者过大线径的导线，选择较为相近的两者曲线才能达到匹配的目的。

图10 保险丝和导线的TC曲线

6 设计举例与分析

以冷却风扇控制器回路的保险丝设计为例，选择的是Mini fuse。具体步骤为：①先通过电流测试得出冷却风扇控制器工作时回路的电流波形，如图11所示。通过对该电流波形的分析，可以将其划分为一段时间为1.5 s的脉冲电流以及25 A的稳态电流。②根据Mini fuse环境温度修正系数与环境温度曲线，可以得到Mini fuse在85 ℃时的修正系数为91%.将修正系数与稳态电流值代入公式（1），计算可得f=25/（0.91×0.75）=36.6 A。选择最接近且大于计算结果，为40 A。③根据图11电流对时间的波形，绘制其电流的平方对时间的波形，如图12所示。随后，对该波形进行公式（2）的积分运算，计算可得脉冲电流的2为3 595 A2s。④根据Mini fuse熔断2与保险丝熔值的对应关系，可得40 A保险丝的熔断2为10 000 A2s。⑤用脉冲电流2与保险丝熔断2相比得到相对2.根据前两步计算的结果，相对2为0.36.⑥根据承受脉冲周期曲线，可以得到Midi 40 A保险丝可承受的电流冲击次数大于10 000次，符合用电器的工作要求。⑦根据Midi保险丝与导线的TC曲线，可以得出40 A保险丝所适配的导线线径为6 mm2。由此可以将冷却风扇控制器的回路保险丝值选定为40 A，回路导线线径选定为6 mm2。

图11 冷却风扇控制器回路电流波形

7 结论

上述车用保险丝的设计方法与计算结果已经在广泛的实际应用中得到验证，车上线路的工作安全可靠。随着车载电气设备的增多，电源分配的复杂性变高，整车安全性能要求提高，选取合适的车载保险丝变得越来越重要。通过本文论述，在选取时，需要对每根导线的电流进行严格的计算，这样才能实现保险丝和线径的匹配，达到最优设计的目的。