負載設計匹配探討后風擋加熱

白樹立，劉 俊

（1.北京車和家汽車研究院，北京 100103；2.浙江吉利新能源商用車有限公司，浙江 杭州 311228）

1 除霜技術規范要求（表1）

表1 除霜技術規范要求

從表1可知：企業標準電壓定義不一致；定義了電源端，但沒約束負載端，造成試驗結果可能不一致。

從JC-T 673—1997后加熱試驗方法，GB 9656—2003汽車安全玻璃標準、規范上總結以下幾點：20 min，13V電源電壓，≥80%化霜面積；加熱絲覆蓋范圍內，任一點溫度≤70℃。

1）為了實現化霜面積的目標，以下方式可以考慮采用：①減小加熱區域面積；②增加發熱區域的加熱絲密度；③增加負載電壓，減小負載電阻；④其他一切可以實現的方案。

2）為了實現溫度控制的目標，以下方式可以考慮采用：①減小發熱區域的加熱絲密度；②減小負載電壓，增加負載電阻；③其他一切可以實現的方案。

2 后風擋加熱的常見問題

在車型新開發后風擋的時候經常會遇到以下幾個問題。

1）熔斷絲易熔斷，導致功能失效。

2）加熱性能不佳，無法達到預期的效果。

3）后風擋局部過熱，溫度超標較多。

4）線束易燒蝕或過熱、線束軟；布線出來的外觀表現不佳，露線等；加熱絲使用之耐久性差、易變色等。

3 問題排查方案準備的方向

1）先前的設計考慮不夠周全，產品因為種種原因不能滿足要求。下面列舉某車型后除霜后風擋熔斷絲與負載的匹配整改過程見圖1整改方案分析，圖2為整改過程圖。BCM熔斷絲直接更換成30A熔斷絲：普通繼電器為最高30A@1h@12V，85℃@13V下耐久性差；PCB可能損壞，如果不更改線束，需要調整。

2）取消外后視鏡加熱功能。配置有需求：北部地區需求（雪）；南部地區需求（雨）。

3）降低外后視鏡加熱功率。功率較小（3.5A），基本無視；稍微降低功率，性能降低很多，得不償失。

4）外后視鏡加熱熔斷絲獨立出來。方案可行，需要時間，周期至少半年；需要改進PCB，模具變更，需要重新認可。

圖1 整改方案分析

圖2 整改過程流程圖

5）降低后風擋加熱絲功率。方案可行，需要時間，周期待定；BCM需要驗證性實驗；整車需要驗證。

不論何種方案，負載電流必須控制在設定的限值內，并且需經實物測試通過。

4 熔斷絲的理論分析計算

汽車電路設計過程中，為了防止用電器、導線和繼電器過電流損壞，串入熔斷絲進行保護。熔斷絲熔斷是在極短時間內產生的很大熱量造成的，而熱量的產生與電流的大小和環境溫度有關（當環境溫度升高時，熔斷絲的載流能力會下降 ）。所以各熔斷絲通過的電流不同（各用電器的功率不同），以及熔斷絲所在位置工作溫度不同，熔斷絲規格也不同。

4.1 熔斷絲的計算

一般情況下熔斷絲的選擇可以按照以下公式（圖3）進行計算。

圖3 熔斷絲計算公式

1）方法A按照這個公式計算，熔斷絲帶載能力為：

注意：此計算結果并不是說電流略超過，熔斷絲立即會熔斷。

熔斷絲熔斷：熔絲上的熱量累積超過了熔融界限，并且進入熔斷界限。

選用規格合適的熔斷絲，一般遵循在常溫（25℃）下選擇熔斷絲容量的75%為電器負載的工作電流。當環境溫度升高時，熔斷絲的載流能力會下降，要求熔斷絲應在過載或短路的情況下能有效地保護導線。一般情況下熔斷絲的選擇可以按照以下公式進行計算：

式中：If——熔斷絲理想值；In——正常工作電流值；RR——溫度折減系數。

2）方法B按照這個公式計算，熔斷絲帶載能力為：

4.2 繼電器的帶載能力限制

由于以下限制，通過BCM上同一個端子的電流有上限，并不能無限增加。繼電器的帶載能力限制：普通繼電器為25A；耐溫繼電器為30A，成本提升。

1）端子片寬對電流的限制。2.2mm端子帶載允許持續20A；6.3mm端子帶載允許持續50A；2.8mm端子帶載允許持續22.2～25.5A（否決計算值）。

2）3端子壓接線束的能力有限制。

3）電路板上覆銅所允許的電流密度有限制。

4）電路板上同一個接插件的端子所占空間對覆銅面積有限制。

5）大電流引起的溫升有限制（接觸電阻一定的時候），大電流引起高溫會對接插件以及BCM外殼造成損壞甚至接插件被熱熔（否決項計算值），熱熔如圖4所示。

圖4 熱熔狀態

即使經過PCB優化等措施，負載電流仍然不可以突破30A，端子承受電流也決定了電流有限制，所以持續電流必須保持在端子、熔斷絲的限值內，按照前述2種方案，持續電流必須限值在以下2種情況內：25A熔斷絲限值18.0A；30A熔斷絲限值21.5A，要求負載電流必須在18A以下。由于以下原因，上述電流限值應是玻璃冷態、初上電時的最高值：正溫度系數（溫度越高，電阻越大）；長時間、連續；電流變化率小，如圖5所示。

圖5 溫度系數變化

5 后風擋加熱絲理論分析計算

后風擋主要考慮的有以下內容：①負載功率不超標（與整車線束、熔斷絲相適應）；②最優的舌片位置（符合造型，尤其是兩廂車）；③最低的成本付出（加熱絲盡量少，母線盡量窄）；④最高溫度不超標（任何一點不允許超過70℃）；⑤加熱區域符合要求（面積，中間優先）；⑥最簡的工藝要求（成品率高、加工難度低、無特殊要求）。

5.1 負載功率不超標

為了滿足功率上限不超標，必須想辦法將能量集中到需要的地方。如圖6所示，應將能量盡可能集中到加熱所在區域。能量不應該在以下區域耗費過多：端子（接插件），導線，母線，非重點加熱區。

選用合適的端子，減少回路上接插次數；綜合考慮成本因素，盡量線徑足夠粗；合理設計母線形狀對加熱區進行分塊分類，關照重點。

1）電阻基本公式：

電阻=電阻率×長度/橫截面積（即：R=ρ×L / S） （6）

2）串聯電阻（圖7）所承受電壓公式：

圖6 負載功率

圖7 串聯電阻

式中：Us——電源電壓；UDef——除霜部分的電壓；R線——線束上的電阻；R接——接插件上的電阻，包括線束插件和風擋插件；RX——R線+R接。

3）功率公式

4）負載測試

確定參數范圍合理性，對負載進行數輪多項測試，等效電路如圖8所示，測試結果對比見表3。

5.2 舌片位置布置

三廂車或者類似有護板的，居中布置較好，有利于電流分配，降低局部過熱風險；兩廂車或者類似無護板的，出于造型、外觀的需要，經常要求舌片位置居于底部，由此存在局部過熱、遠端發熱量偏低造成加熱效果差的風險。當舌片布置在端部的時候，同樣情況下，回路長度差異（最短的和最長的）最大。

圖8 等效電路示意圖

表3 測試結果對比

5.3 容易出現的問題

當近端的最高溫度達到峰值時，遠端的溫度還在較低的程度（通過的電流差異大），假定舌片在11～12根的位置。從降低電流密度出發，至少需保留加熱絲的寬度，同時加上必要的工藝寬度；從成本、減少發熱出發，母線在舌片處加寬，其余部分順著電流減小的方向變窄。母線不能過窄，避免成為電流通過的瓶頸，導致熱阻過大，流經加熱絲的電流過小。

由于加熱絲發散熱量是從中間累計往外發散的，加熱絲間距總有極限，推薦25～30mm。

5.4 局部過熱發生的原因

局部過熱發生的原因往往是電流的局部集中，常見以下情況：①加熱絲局部變薄，則由于截面積變小，兩端電壓變化不大，S變小處發熱會增加；②兩條加熱絲匯合成一條加熱絲，如果截面積不變，則同上；③母線局部寬度或者厚度變窄處或者變薄處局部發熱會增加；④舌片位置調整，使電流流出/匯入的母線寬度減少，則局部發熱會增加。通過調整線寬、母線局部寬度以及加熱絲方案可以針對性地降低最高點溫度。

6 小結

電器負載匹配設計需要通過理論計算和試驗數據在工作中逐漸摸索和總結，并在實際設計中不斷完善細節等，讓設計走向成熟才是最終的要求。