基于PREEvision的汽车保险丝与导线匹配系统开发*

2019-03-06张泽仲卞学良周涛张磊

汽车实用技术 2019年2期

张泽仲，卞学良，周涛，张磊

（1.河北工业大学，天津 300132；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

前言

线束作为汽车电子系统的基础，为车载电器提供连接电源、传输信号、负极接地。保险丝会为电气系统提供过载保护，在电流超过许用范围后熔断电路。为了降低汽车生产成本、实现轻量化，需要对用电器、保险丝、导线进行合理的匹配。由于整车电气系统复杂，传统人工匹配保险丝与导线时流程固定、内容繁杂。为解决此类问题，节约时间成本，开发了保险丝与导线匹配系统，将匹配流程固化，实现保险丝与导线自动匹配并更新图纸。

PREEvision软件是一款汽车电子电器架构集成化设计工具，基于类型-实例（Type-Instance）的设计理念，实现库中类型的调用。同时通过内置的JAVA语言环境自定义程序，实现数据分析管理。保险丝与线束匹配系统基于PREEvision线束层、库及二次开发平台，通过调用模型属性、库中模型类型及匹配算法完成自动匹配及模型变更。

1 负载电流特性

由于负载类型不同，电回路中的电流波形也不恒定。对于电阻类负载，波形相对比较稳定，正常状态下在稳态电流上下小范围波动，电流变化范围超过一定比值即可视为用电器故障。而对于电机类感性负载，电机启动短时间内由于转子转速低，启动电流高出稳态电流数倍，也是正常现象，当电机出现堵转情况时堵转电流会长时间保持在稳态电流3至10倍，此时判断为用电器故障，目前控制电机的ECU一般具有堵转保护功能，即在检测到堵转电流时关停电机，与保险丝保护并存。电机类电流波形如图1所示。

图1 电机类电流波形

2 保险丝设计

保险丝与用电器串联，在回路电流超出许用范围后要求保险丝在一定时间内熔断，以达到保护电回路零部件及线束的作用。

2.1 保险丝分类

车用保险丝主要分为两类：快融型（MINI）、慢融型（JCASE）。保险丝容量是保险丝的基础属性。对于恒流负载，可根据选取的保险丝容量直接判断保险丝类型，即以30A作为快融型和慢融型临界容量。对于电机类负载，一般建议在大电流时（电机额定电流＞20A）串联慢融式保险丝，以防止启动电流熔断电路。保险丝熔断电流与熔断时间的关系[3]由表1给出。

表1 保险丝熔断电流与熔断时间的关系

2.2 保险丝容量设计

保险丝容量是指在室温（23℃）状态下保险丝的额定电流，快融型保险丝可选容量为：1、2、3、4、5、7.5、10、15、20、25、30（A）。慢融型保险丝容量为：30、40、50、60、70、80（A）。

保险丝安装位置的环境温度也影响着保险丝额定电流。在环境温度变化时，保险丝的额定电流IR会随温度的升高而降低，引入保险丝额定电流温度折减系数K，在不考虑保险丝过电流发热的情况下，按照式1计算温度折减系数：

式中，kt为温度折减率，慢融型保险丝的温度折减率kt=-0.15%，快融型保险丝的温度折减率kt=-0.18%；T1为保险丝安装位置环境温度。

40A JCASE保险丝与25A MINI保险丝额定电流与温度的关系。车厢内部按照温度等级区分为高温区（80℃，靠近发动机热源）、常温区（40℃，驾驶员舱、后备箱），在计算保险丝额定电流时可以将这两个温度等级带入环境温度进行计算。

图2 保险丝额定电流与温度的关系

在实际应用中应保证保险丝的额定电流大于负载电流，同时考虑设计余量，快融式保险丝的负载电流推荐小于额定电流的70%，慢融式保险丝的负载电流推荐小于额定电流的50%。

同时，还应考虑特定工况的影响，比如连续负载、脉冲负载等等，并依此考虑安全系数，具体情况各主机厂定义不同，故在保险丝与线束匹配系统中未体现。

2.3 保险丝库建立

PREEvision提供了硬件库存储自定义的保险丝类型，由于软件方面的限制，保险丝类型、容量仅以枚举类型数据类型属性作区分，而不在库中以硬件类型存储。建立保险丝库如图3所示。

图3 PREEvision中的保险丝库

3 导线设计

导线作为传输电流的载体，影响着汽车电气系统的优劣，要根据导线各种物理特性进行综合设计，合理的选择线束的类型、导体截面积。目前市场上广泛应用的线束标准有德系标准、日系标准、国标线束，针对线束的不同使用场景做出标准化区分。

3.1 导线的热平衡

导线结构为绝缘体包裹金属线芯，线芯传导电流，绝缘体保护电路不短路的同时还要向外界环境散发通电后线芯产生的热量[1]。由于汽车导线存在内阻r，根据焦耳定律，电流I通过时金属线芯会产生发热功率q=I2r的热量，导线绝缘体散热功率由式（2）计算：

其中，T1为导线通电后温度；T2为环境温度；R为散热阻抗。R=（R1+R2），其中R1为绝缘体热阻；R2为表面换热热阻，R1、R2按照下式计算：

其中，P1为绝缘体热阻抗，聚氯乙烯混合物材料P1=600℃·cm／W，聚乙烯材料P1=450℃·cm／W；d2为导线绝缘体外径；d1为金属导体外径。

其中，P2为导线固有表面换热热阻， ℃·cm/W；且P2=300+32d2， d2≤12.5mm 时 P2=300+32d2； d2＞12.5mm时P2=700。

导线通过电流时应满足热平衡条件I2r=（T1-T2）/R，导线的额定电流Ie由式（5）计算：

其中， Tmax为导线容许最高温度； rTmax为导线最高容许温度时的导线内阻。

导体内阻r随温度T变化的关系为：

其中，rT1为T温度下导体单位长度内阻；r20为20℃时导体单位长度内阻。

同时，在多根供电导线捆扎时，导线散热不充分，此时考虑成束供电导线电流缩减系数，如表2所示。

表2 额定电流缩减系数与导线捆扎根数关系

3.2 导线发烟电流

如果发热量超出绝缘层散热的能力将会造成加速导线绝缘层老化，同时绝缘体中的易挥发物质在线芯电流过大，发热达到一定温度后挥发形成烟雾，造成安全隐患。导线发烟时间与电流关系由式（7）计算：

其中，Iy为导线发烟电流； Ty为发烟时导线温度；rTy为Ty温度下导线内阻；a为时间热量系数。

日标线束的导线发烟温度由表3给出：

表3 日标线束的发烟温度

时间热量系数由式（8）计算：

其中，C=∑W·H，W为单位长度材料质量；H为每种材料热容（J/℃·g）铜取0.39，聚氯乙烯取1.43，聚乙烯取2.3。

3.3 PREEvision中导线编辑

3.3.1 建立导线库

以日标JASO D611中定义的汽车用薄壁低压电线AVS线束为例，在PREEvision软件中的库中建立用于匹配的线束类型库并添加相关的属性，如图4所示。

图4 PREEvision中的AVS线束库

3.3.2 建立导线电流计算程序

根据式（5）、式（7）建立编辑线束库电流计算二次开发程序如图5所示，程序将根据原始输入属性计算导线在高温区、常温区的额定电流、发烟电流。选择已有的导线库作为输入，相关属性数据由程序调取。

图5 导线电流计算程序

选择AVS_0.5导线作为输入验证导线电流计算程序，AVS_0.5导线部分原始属性如表4所示。运行导线电流计算程序，运行结果如表5所示。

表5 AVS_0.5导线输入后程序运行结果

AVS_0.5运行结果额定电流、发烟电流与JASO D609中数据基本保持一致，据此判断电流计算程序准确。（注：成束额定电流缩减系数的计算需调用PREEvision拓扑层模型导出成束导线根数）

4 保险丝与导线的匹配

4.1 保险丝与导线电流匹配

保险丝在保护用电器不过大电流的同时，还应保证在保险丝熔断之前导线不发烟，即应满足以下条件：

（1）保险丝额定电流小于导线额定电流。

（2）保险丝短时熔断电流小于导线短时发烟电流。

（3）保险丝长时熔断电流小于导线长时发烟电流。

由表1推演出保险丝的熔断条件如表6所示。

表6 保险丝熔断条件

4.2 保险丝熔断条件校核

由于发电机、电池电源电压值恒定（14V、12V），还应确保在用电器故障时导线中的电流最高可以达到保险丝的熔断电流值，对于大型商用车来说，要防止导线过长，线阻过大导致的负载电流始终达不到保险丝熔断电流的情况出现，还需要对回路线束的总电阻值进行约束，忽略端子接触电阻对总阻值的影响，即导线单位长度线阻rd应小于保险丝允许的导线单位长度电阻：