基于瞬態(tài)電流影響的汽車線束選取分析

金保永 孫仁云 張瀟 劉濤

摘 要：本文以某自卸車為例，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車線束設(shè)計(jì)過程中極易忽略的瞬態(tài)電流、線束溫度等問題，提出了汽車電路中導(dǎo)線截面積、接插件等線束部件的選取原則和注意事項(xiàng)，為整車運(yùn)行的可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車線束；瞬態(tài)電流；導(dǎo)線截面積

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品在汽車上得到大量應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)平均每輛汽車上的電子產(chǎn)品占整車成本的20%-30%，某些高檔車上的電子產(chǎn)品占整車成本的50%以上[ 1 ]。汽車線束作為整車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了滿足整車的需求，其數(shù)量、質(zhì)量和規(guī)格的選取在整車設(shè)計(jì)過程中顯得越來越重要。

1 汽車線束選取

汽車線束電阻通常很小，整車設(shè)計(jì)過程中很容易忽略線束本身的影響。隨著各種電子類產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用，線束特別是一些帶發(fā)熱類阻性負(fù)載的回路，其靜態(tài)電阻和工作電阻對(duì)整車線束回路影響相差很大。汽車線束的設(shè)計(jì)主要包括導(dǎo)線的選取、端子和連接件的選取、包扎固定設(shè)計(jì)以及合理的布線等。其中導(dǎo)線的選取是其中的重點(diǎn)。

1.1 導(dǎo)線類型選取

汽車整車線束通常采用銅質(zhì)多芯線，絕緣皮通常使用薄壁PVC 絕緣材料，其類型的正確選用要考慮線束的工作環(huán)境和功能。目前國內(nèi)外汽車線束常用的導(dǎo)線種類有AVSS、QVR、FLRY、美標(biāo)等幾大系列[ 2 ]，這幾種線束各有特點(diǎn)。線束設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理選用導(dǎo)線類型，避免選取類型不符造成整車運(yùn)行過程中出現(xiàn)安全隱患。

1.2 導(dǎo)線截面積的選擇

線束設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是保證整車運(yùn)行的可靠性，其次是降低成本。導(dǎo)線橫截面積的確定，首先根據(jù)回路中電氣設(shè)備的工作電流、工作時(shí)間選擇實(shí)際載流量60%-100%的導(dǎo)線；其次，根據(jù)線束回路中連接器數(shù)量、導(dǎo)線長度、電壓降的大小和導(dǎo)線實(shí)際工作環(huán)境適當(dāng)改變導(dǎo)線截面積，這樣確定的導(dǎo)線截面積才能在滿足整車運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)上降低成本。導(dǎo)線的橫截面積確定相關(guān)公式：

1）用電設(shè)備電流計(jì)算公式：

式中：I-用電設(shè)備電流；P-負(fù)載功率；U-額定電壓。

2）導(dǎo)線橫截面積計(jì)算公式：

式中：A-導(dǎo)線截面積，單位 mm2；I-額定電流，單位 A；ρ-導(dǎo)線電阻率，銅芯導(dǎo)線一般取值為 0.0185Ω*mm2/m；L-導(dǎo)線長度，單位 m；UJ-導(dǎo)線允許的電壓降，單位 V。

3）線束在工作過程中常伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象，設(shè)計(jì)線束時(shí)常通過控制電流密度的方法限制線束的發(fā)熱問題。

由于計(jì)算時(shí)需要引入電壓降，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中常常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

導(dǎo)線截面積的選取和電流是有直接關(guān)系的，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)通過精確的計(jì)算。

2 發(fā)熱類阻性負(fù)載電流對(duì)線束影響

由于汽車運(yùn)行的需要在許多線束回路中都含有發(fā)熱類阻性負(fù)載。對(duì)于帶發(fā)熱類阻性負(fù)載的線束回路，起動(dòng)瞬間電氣設(shè)備本身電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電阻值，那么起動(dòng)瞬間回路中的瞬時(shí)電流也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線束回路穩(wěn)定電流值。

以某自卸車為例：整個(gè)車身近20個(gè)燈具，這些燈具均為本文所說發(fā)熱類阻性負(fù)載，在整車通電瞬間各線束回路由于啟動(dòng)電阻較小，回路中瞬態(tài)電流將會(huì)很大，對(duì)整個(gè)回路電氣設(shè)備（例如繼電器等）沖擊很大，特別是在選取線束是沒有考慮發(fā)熱類阻性負(fù)載的靜態(tài)特性，導(dǎo)致整個(gè)回路導(dǎo)線過細(xì)，那么瞬時(shí)電流必定超出回路電器的標(biāo)稱可耐受電流，從而引起相關(guān)電器的故障，例如黏連現(xiàn)象、短路、迅速老化等，從而造成安全事故。

以實(shí)車測(cè)試左近光燈為例：在初始環(huán)境溫度26.4℃，電池組供電電壓實(shí)測(cè)24V的條件下，對(duì)左近光燈線束進(jìn)行了測(cè)量（導(dǎo)線實(shí)際采用截面積1mm2）， 圖1為起動(dòng)瞬間該線束回路瞬態(tài)電流測(cè)試結(jié)果，圖2為左近光燈線束穩(wěn)定電流測(cè)試結(jié)果。由圖1、圖2可知通電瞬間瞬態(tài)電流最大值可以達(dá)到14.72A，回路工作穩(wěn)定后通過電氣設(shè)備的電流僅為2.64A，通過對(duì)比兩值相差較大，如此高的瞬態(tài)電流長期使用定會(huì)對(duì)該回路線束、電器等部件造成損害，實(shí)驗(yàn)過程中通過整車線束進(jìn)行熱成像測(cè)試發(fā)現(xiàn)該回路繼電器溫度較高（如圖3所示），圖4是FLUKE紅外熱像儀對(duì)燈光控制繼電器測(cè)試的溫度變化趨勢(shì)（測(cè)試前5分鐘測(cè)試間隔為0.5分鐘，5～10分鐘測(cè)試間隔為1分鐘，之后測(cè)試30和60分鐘），測(cè)試溫度整體呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。那么在回路瞬態(tài)電流多次沖擊和關(guān)鍵部件溫度過高的工作環(huán)境下，很容易造成回路中相關(guān)部件的黏連短路，進(jìn)而使該回路長通，出現(xiàn)故障，整車的安全性、可靠性也都會(huì)受到影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)汽車線束在設(shè)計(jì)過程中常常會(huì)忽略線束回路本身的電阻影響。通過對(duì)整車線束的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)線束中存在瞬時(shí)電流過大、某些部件溫度過高等現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)熱類阻性負(fù)載回路導(dǎo)線截面積絕大多數(shù)選取0.5-0.75mm2，通過圖1、圖2實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)和QC/T29106-2002汽車低壓電線束條件進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)圖1起動(dòng)瞬態(tài)電流大于標(biāo)準(zhǔn)要求，瞬態(tài)電流雖然在整車運(yùn)行過程中持續(xù)時(shí)間很短，但多次起動(dòng)情況下仍對(duì)線束回路有較大沖擊，在汽車運(yùn)行過程中將很容易出現(xiàn)故障。

以左近光燈為例，由圖1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知左近光燈線束通電后瞬態(tài)電流可達(dá)14.72A，由公式（4）計(jì)算可得A為1.072mm2，由于線束在整車運(yùn)行工程中伴隨持續(xù)的發(fā)熱考慮運(yùn)行的安全性線束截面積應(yīng)留有一定的余量，故A取1.5為好。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)汽車近光燈；危險(xiǎn)報(bào)警燈等回路線束進(jìn)行測(cè)試，瞬態(tài)電流均比回路穩(wěn)定電流大。由此可見瞬態(tài)電流過大是發(fā)熱類阻性負(fù)載回路的共性，因此為保證整車運(yùn)行的安全性，在設(shè)計(jì)選取汽車此類線束時(shí)要充分考慮線束的這種現(xiàn)象。

4 線束設(shè)計(jì)的選取方法

線束作為整車運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)線的選取一定要通過精確計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的截面積。起動(dòng)瞬態(tài)電流、回路運(yùn)行時(shí)的溫度這些容易被忽視的細(xì)小因素在設(shè)計(jì)過程中也要引起設(shè)計(jì)者的重視。汽車起動(dòng)瞬間電流必定很大，長時(shí)間運(yùn)行線束溫度也一定會(huì)升高，所以在設(shè)計(jì)之初導(dǎo)線截面積可適當(dāng)取大些，以滿足線束回路運(yùn)行的需要。

線束回路不僅包括導(dǎo)線還有端子、接插件等保護(hù)附件，以及繼電器、熔斷器等電器部件，對(duì)于這些部件除了精確的計(jì)算還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行合理選取。

例如發(fā)動(dòng)機(jī)部位溫度高、腐蝕性大、長期振動(dòng)，處于這種部位的導(dǎo)線、端子以及接插件極易與其他部件發(fā)生摩擦、碰撞，因此發(fā)動(dòng)機(jī)部位的線束部件就要有耐高溫、耐腐蝕、密封好的特點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文主要介紹了汽車線束的選取，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明起動(dòng)瞬態(tài)電流、線束溫度對(duì)整車運(yùn)行安全也至關(guān)重要，提出了線束選取遵循的原則和注意事項(xiàng)。同時(shí)瞬態(tài)電流、線束溫度等極易忽略的汽車安全因素在汽車設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)進(jìn)行綜合考慮并滿足相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫仁云，付百學(xué)，等.汽車電器與電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 梁磊.汽車線束設(shè)計(jì)及可靠性研究[D].中北大學(xué)，2015.

基金項(xiàng)目：

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（ygj2016088），

西華大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（15208561-3）

作者簡(jiǎn)介：金保永（1989-），男，河南開封人，碩士，主要從事汽車電控技術(shù)的研究。