汽車熔斷絲設計選用影響因素研究

任江華

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430000）

熔斷絲是車輛開發(fā)的傳統(tǒng)零件，規(guī)格系列已經標準化，技術成熟。在設計開發(fā)車型時，需要按照車輛電器架構和電器負載的要求選用合適的規(guī)格，以滿足安全和可靠性的要求。然而近年來，知名國際主機廠仍然出現(xiàn)了熔斷絲召回的案例，幾乎各主機廠都遇到過熔斷絲失效的問題，其中涉及因素眾多，各因素之間的綜合作用使得設計選用變得復雜，對于設計經驗不足的工程設計人員來說挑戰(zhàn)很大。

1 傳統(tǒng)分析研究

關于熔斷絲設計的文獻很多，大部分都提到了負載的分類，一般把負載簡單分成感性負載和阻性負載，這是以電器設備典型阻抗來區(qū)分的。實際上，電器設備的阻抗比較復雜，以燈泡為例，近光燈穩(wěn)定工作后，可以看成一個阻性負載，電流比較穩(wěn)定。轉向燈燈泡工作的時候，通斷是交替進行的，這時，不宜視為阻性負載。

車輛上的刮水電機、冷卻風扇電機、空調電機可以視為感性負載。隨著電機轉速的不同，電流是有變化的。以空調電機為例，正常工作情況下，風速越大，電機的電流越大。對于冷卻系統(tǒng)的電機，電流跟電機的負載相關，供電不變的情況下，阻力越大，電流越大，極端堵轉情況下，電流最大。

比較常見的指導性設計原則是，按UL熔斷絲的特性，需要采用折減率0.75，即：熔斷絲額定值=穩(wěn)態(tài)電流/0.75，在此基礎上圓整。

2 故障分析

熔斷絲熔斷和局部過熱是常見的失效模式，熔斷絲熔斷故障處理思路比較明確，在排除線路短路的情況下，需要思考熔斷絲的額定值和實際負載的關系，特別需要考慮感性負載的啟動電流。

2.1 案例一

圖1 12 V起動機控制回路吸合電流

某車型起動機熔斷絲熔斷，客戶無法起動車輛，該故障率約為千分之五（5 000 ppm）。圖1是實車起動機控制線圈工作電流，可以看出，起動階段沖擊電流比較大，達到了39.1 A，持續(xù)時間在15 ms左右。而該車的起動機熔斷絲額定值為25 A，負載電流為熔斷絲額定電流的1.56倍左右。按熔斷絲的熔斷特性，如表1所示［1］，理想情況下理論上不會有熔斷問題。結合實際售后表現(xiàn)，需要考慮綜合因素的影響，比如環(huán)境溫度，熔斷絲特性的偏差，電機電流的波動偏差，多次起動后對熔斷絲的沖擊導致的特性的影響。在綜合分析后，將熔斷絲的額定值調整為30 A，此故障消除， 此時負載電流為熔斷絲額定電流的1.3倍。

表1 常見的熔斷絲特性

2.2 案例二

某車出現(xiàn)水溫過高的現(xiàn)象，發(fā)動機水溫報警，經查發(fā)現(xiàn)熔斷絲底座和塑料殼熔融，少部分熔斷絲熔斷，都為長里程故障，如圖2所示。該車熔斷絲盒采用了阻燃設計，阻燃等級為V0 ，在沒有明火的情況下，不會出現(xiàn)嚴重的過熱或者起火故障。

圖2 熔斷絲底座熔融

該車風扇熔斷絲在發(fā)動機艙，額定值為30 A，AUTO規(guī)格，扁平直插式設計，綠色。根據售后的信息，發(fā)現(xiàn)故障在出租車上高于私家車，出租車在很多城市24 h連續(xù)工作，工況比較惡劣。故障發(fā)生日期集中在夏季，跟環(huán)境溫度和空調的使用相關，空調壓縮機負荷會增加發(fā)動機的負荷，電子風扇需要高速運轉以滿足冷卻系統(tǒng)的要求。冷卻風扇為雙風扇設計，總的負載如圖3所示，高速總電流約為38 A，單風扇為19 A左右，熔斷絲額定值為實際負載穩(wěn)態(tài)工作電流的1.58倍。

圖3 雙風扇高低速啟動電流

根據熔斷絲的設計特性，30 A的熔斷絲可保證25 A以下長期工作，不能出現(xiàn)過度發(fā)熱的情況，18～20 A的負載在30 A熔斷絲的合理工作區(qū)間。夏季高溫屬于環(huán)境溫度的影響，內部因素聚焦到熔斷絲與熔斷絲盒的接觸上，熔斷絲盒下部端子為沖壓結構，音叉式，與熔斷絲插片為3段式接觸，在最理想的情況下，接觸面可視為跟端子寬度相當的一條直線，如圖4所示。

而相同規(guī)格的跟熔斷絲接觸的線束端子，采用雙面卡夾，接觸面可視為2條與寬度相等的直線，在理論上，接觸電阻小一半，見圖5。AUTO規(guī)格熔斷絲，連接標準要求接觸電阻低于2 mΩ［2］。

另一方面，為了保證音叉的間隙，音叉式端子采用沖壓成型，對工藝要求極高，必須保證非常好的產品一致性。同時，為了保證長期的耐久性，要求材料彈性好，長期使用不變形，保證接觸點的壓力，工藝難度大。

此項目在開發(fā)周期和安裝體積的約束下，選擇了慢熔熔斷絲，慢熔熔斷絲為螺釘緊固，接觸處為一個面，如圖6所示，此種接觸方式接觸電阻非常小，小于1 mΩ［2］。在設計改進后，此故障消除。

圖4 音叉式沖壓結構

圖5 同規(guī)格線束端子結構

圖6 螺釘擰緊面接觸

3 熔斷絲設計選型影響因素

3.1 負載類型及大小

結合實際工作經驗，參考上述故障案例，電器負載的電流大小是核心考慮因素，除了考慮穩(wěn)定負載電流，必須考慮啟動沖擊電流和時長的因素，同時需盡量兼顧堵轉電流。參考建議如下。

1）長期阻性負載：熔斷絲額定值選取1.25～2倍穩(wěn)定負載，比如鹵素位置燈、近光燈。

2）長期感性負載：熔斷絲額定值選取1.5～2倍穩(wěn)定最大負載，比如空調風扇。

3）部分短時感性負載：熔斷絲額定值選取0.75～1倍最大負載，比如起動機。

3.2 環(huán)境溫度影響

如果熔斷絲盒布置在發(fā)動機艙，必須考慮環(huán)境溫度的影響。若采用直插式AUTO熔斷絲，長期負載大于15 A，接觸電阻自發(fā)熱量比較大，溫度升高比較明顯，可考慮把額定值30A以上的部分大負載熔斷絲放到乘客艙。

無論從成本角度還是品質角度，建議避免熔斷絲盒內部溫度升高到110 ℃以上，從而可規(guī)避對相鄰的部件提過高的耐熱要求。

3.3 接觸電阻和端子設計

如果穩(wěn)定負載大于20 A，優(yōu)先推薦采用慢熔型、MAXI型熔斷絲，這2類熔斷絲的連接方式接觸電阻非常小、發(fā)熱量低，而且體積較大、散熱更優(yōu)。 額定值為30 A以上的AUTO熔斷絲不推薦使用3段式音叉結構端子，盡量采用圖5線束類端子，或者采用結構可靠的三點接觸結構（需使用雙排，6個接觸點）， 如圖7所示，滿足接觸電阻的規(guī)范要求。

3.4 鍍層處理

非常廣泛使用的鍍層是鍍錫，這是汽車和線束行業(yè)用量最廣的鍍層。同時，部分規(guī)格的熔斷絲也有采用銀鍍層。根據金屬的特性，銀的導電性非常好，因此其接觸電阻理論上要優(yōu)于鍍錫。在電流比較大的場合，可考慮銀鍍層。

3.5 散熱設計

如果系統(tǒng)結構允許，推薦采用通風散熱設計，車輛行駛時，結合發(fā)動機艙的氣體流場，使冷風能流通到熔斷絲盒內，帶走部分自發(fā)熱的熱量，降低工作時的整體溫度。

圖7 三點接觸端子

3.6 生產一致性因素

熔斷絲、接觸端子和熔斷絲盒等產品都有生產一致性問題，當某幾個公差因子疊加到一起后，可能造成一定概率的故障，正如前述案例一。此時，需要考慮多留一些設計上的余量，簡化品質控制環(huán)節(jié)的難度。

4 仿真和驗證

計算機技術發(fā)展迅速，現(xiàn)在有許多軟件可實現(xiàn)仿真模擬，在初步設計選型后，可采用仿真軟件進行模擬驗證。其中相關許多參數的設置非常重要，實際上參數設置需要結合實際的實物實驗情況不斷修正，才能達到比較準確的模擬。

在實際車輛樣車生產出來后，需要開展實車短路實驗，以驗證熔斷絲的安全保護作用，熔斷絲要在技術規(guī)范規(guī)定的時間內及時熔斷，達到保護線束的目的。必須注意的是，短路實驗須在供電線的末端進行，這樣才能串聯(lián)所有回路的阻抗，該實驗在一定程度上也可驗證線束截面設計的合理性。

5 結論和展望

由上文的實際故障分析和解決過程看，影響熔斷絲設計選型的因素很多，包含負載類型、負載工況、負載穩(wěn)定電流大小、啟動沖擊電流的大小和時長、環(huán)境溫度、熔斷絲盒插座的結構、散熱條件等等。

在實際設計實踐中，根據參考建議和影響因素分析，選擇最恰當的熔斷絲類型和額定值，并通過完整的實物及試驗驗證，才能實現(xiàn)安全保護和高可靠性。

［1］ PSA.熔斷絲技術規(guī)范［Z］.2005.

［2］ PSA.連接器技術規(guī)范［Z］.2010.