汽車用保險絲的設計與選型原則

陳淳，楊喜軍

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汽車用保險絲的設計與選型原則

陳淳，楊喜軍

（上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

隨著現代汽車電氣化程度不斷提升，車載功能日益增強、電氣設備不斷更新，人們對整車安全性能的要求也在不斷提升。在此過程中，保險絲（熔斷器）所起到保護作用非常關鍵。近幾年來，車用保險絲發生了日新月異的變化，其種類、功用、性能越來越多，應用也越來越廣泛。主要圍繞車載保險絲，分析其應用在汽車上的設計與選型原則。

汽車；保險絲；電流；選型原則

1 引言

保險絲，又名“熔斷器”，是一個熱能響應元件。汽車電路中的用電器被不同顏色的導線連接起來，在這些過電流保護手段中，采用保險絲是人們采用最多的保護手段。保險絲的作用主要是保護電源與導線，避免短路，保護用電器，防止過載。汽車保險絲的用途與家用保險絲的大同小異，當電路電流異常并超過其額定電流時熔斷，從而起到電路保護屏障的作用。如若不然，升高的電流會損毀電路中的重要器件，甚至引起火災。可見，保險絲的存在意義重大，如何根據電路的情況來選擇保險絲，是汽車前期設計的一個關鍵因素。

2 保險絲的構造及工作原理

2.1 保險絲的構造及種類

保險絲一般由以下3個部分組成：①熔體部分。它是保險絲的核心，熔斷時起到切斷電流的作用。②電極部分。通常有2個，它必須有良好的導電性，不應產生明顯的安裝接觸電阻。③支架部分。支架的作用是將熔體固定，它必須有良好的機械強度、絕緣性和阻燃性，在使用中不應產生斷裂、變形及短路等現象。

電力電路及大功率設備所用到的保險絲，不僅具有一般保險絲的3個部分，而且還有滅弧裝置。因為這類保險絲所保護的電路不僅工作電流較大，而且當熔體發生熔斷時其兩端的電壓也很高，往往會出現熔體已熔化（熔斷）甚至已汽化，但是電流并沒有切斷的現象，其原因就是在熔斷一瞬間的電壓及電流的作用下，保險絲的兩電極之間發生拉弧現象。這個滅弧裝置必須有很強的絕緣性和良好的導熱性，且呈負電性。汽車上使用的保險絲按照容量和款式可分為如下幾個類別：①ATO fuse，額定值為1～30 A，也稱為插片式保險絲，適用溫度在﹣40～105 ℃；②Mini fuse，額定值為2～15 A，體積小巧，目前市場上廣泛使用，適用溫度在﹣40～125 ℃；③Maxi fuse，額定值為30～60 A，也稱為中等電流插片式保險絲，適用溫度在﹣40～25 ℃；④J-case fuse，額定值從20～60 A，也稱為中等電流盒式保險絲，適用溫度在﹣40～125 ℃；⑤Midi fuse，額定值為30～200 A，使用M5或M6螺栓固定，適用溫度在﹣40～125 ℃；⑥Mega fuse，額定值為40～500 A，使用M8螺栓固定，適用溫度在﹣40～125 ℃，是目前市場上額定電流最高的產品。

2.2 保險絲的工作原理

當電流流過保險絲的導體時，由于導體存在一定的電阻，所以導體將會發熱，且發熱量遵循著公式=0.242.其中是發熱量，0.24是一個常數，是流過導體的電流，是導體的電阻，是電流流過導體的時間。可見，保險絲的發熱量正比于電流平方、電阻值、時間三者的乘積。

當電流經過保險絲時，保險絲會發熱，隨著時間的增加其發熱量也在增加。電流與電阻的大小決定了其產生熱量的速度，保險絲的構造與其安裝的周邊環境決定了其熱量耗散的速度。如果前者小于后者，保險絲不會熔斷；如果前者等于后者，在相當長的時間內它也不會熔斷；如果前者大于后者，那么產生的熱量就會越來越多，又因為它有一定比熱及質量，其熱量的增加就表現在溫度的升高上，當溫度升高到保險絲的熔點以上時保險絲就發生了熔斷。這就是保險絲的工作原理。因此，在設計保險絲時必須認真研究所選材料的物理特性和幾何尺寸，這些因素對保險絲能否正常工作起了至關重要的作用。

2.3 保險絲的熔斷及分斷時間

保險絲的熔斷過程可以分為以下幾步：①保險絲接通過載電流；②過載電流使保險絲熔絲發熱；③保險絲熔絲熔斷；④保險絲熔斷后，由于導體兩端的電壓而出現火花；⑤熔斷距離加大后，電火花停止。保險絲分斷時間如圖1所示。

由圖1可知，保險絲在其熔化時間內的電流值高于其在飛弧時間內的電流值。保險絲在通過110%以上的額定電流情況下，會在一定的時間內發生熔斷，電流越大，熔斷時間越短。保險絲分斷時間與通過電流的關系如表1所示。

圖1 保險絲分斷時間

表1 保險絲分斷時間與通過電流的關系

額定電流/（%）分斷時間/s 110＞600 1350.75～600 2000.15～5 3500.08～0.25 6000.03～0.1

2.4 保險絲的時間/電流特性曲線

一般而言，同一種類型保險絲，經過相同電流，其熔值越大，熔斷時間越長。圖2以Maxi保險絲的TC曲線圖為例，5條曲線對應的熔值從左至右依次為20 A、30 A、40 A、50 A、60 A。可見，不同容量的保險絲的TC曲線不同。

圖2 保險絲的時間/電流特性曲線

2.5 環境溫度修正系數

保險絲的動作直接由熱量引起，所以環境溫度對保險絲的性能有影響。這里的環境溫度除了指電子電氣設備所在的環境溫度外，更重要的是指在設備工作時，保險絲在機器內部所處小環境的溫度，因為那將更加直接影響到保險絲的性能。因此，對于同一個保險絲，經過相同電流，所處環境的溫度越高，熔斷時間越短，不同溫度下保險絲的時間/電流特性如圖3所示。在設計保險絲設計過程中，可以根據其實際的工作環境溫度來確定其修正系數，作為熔值選擇的參數。環境溫度修正系數與環境溫度的關系如圖4所示。由圖4可知，保險絲的環境溫度修正系數隨著環境溫度的變高而變小，呈現出遞減的趨勢。

圖3 不同溫度下保險絲的時間/電流特性曲線

圖4 環境溫度修正系數與環境溫度的關系

3 三種電流模型

3.1 穩態工作電流

穩態工作電流如圖5所示，其電流值不會隨著時間的變化而變化，持續且不間斷，一直保持穩定。汽車上的用電器觸發后，其后一段時間內的電流就是穩態工作電流。

圖5 穩態工作電流

3.2 脈沖電流

脈沖電流如圖6所示，其是一種間斷輸出的高頻電流，有干擾脈沖和信號脈沖。脈沖信號的特點是瞬間突然變化，作用時間極短，多數出現在用電器啟動或關斷的瞬間。

圖6 脈沖電流

3.3 浪涌電流

浪涌電流指電源接通瞬間或是在電路出現異常情況下產生的遠大于穩態電流的峰值電流或過載電流。當汽車電子器件出現故障，發生誤操作或者出現短路現象，很容易產生浪涌電流。一般可以認為浪涌電流是由脈沖電流和穩態電流疊加而成的。浪涌電流如圖7所示。

圖7 浪涌電流

4 保險絲在實際工作狀態中的設計與選型

在串聯電路中，每個用電器都嚴格配置一個保險絲，這種配置系統可使保險絲保護裝置和材料使用達到一種最佳狀態。由于汽車線束串聯用電器的數量受周圍環境的安裝空間和保險絲盒位置及孔位數量的限制，因此會采用電器并聯的方式，各回路的導線橫截面不是按照回路里產生的電流設計，而是與共同的保險絲數值相匹配。例如，一個10 A保險絲，用來保護遠光燈和一個雨量傳感器，根據遠光燈工作電流，選用了0.75 mm2的導線，但是傳感器的工作電流一般非常小，可能會選用0.35 mm2的導線，這樣的話，10 A的保險絲就保護不了這根0.35 mm2的導線，所以這種情況下，會把傳感器的線徑提升為0.5 mm2或0.75 mm2，至少要達到保險絲保護導線的目的。對于每個用電器來說，必須算出其最大出現的持續電流和峰值電流，以數值和時間的形式呈現，并與保險絲的特性曲線進行對比，如果這個工作點正好處于保險絲的特性曲線散布范圍或者觸發范圍，則必須把保險絲熔值提高一個檔位。接著再與保險絲特性曲線進行對比，在前提條件為短路的情況下，在導線過載之前必須出現大到可以熔化保險絲的電流。

4.1 穩態電流情況

保險絲的額定電流取決于標稱工作電流，即為能通過的最大安全電流。在選取保險絲的時候，一般建議持續工作負載為保險絲額定電流的75%.計算公式如下：

式（1）中：f為理想的保險絲額定值；n為額定工作電流；為環境溫度修正系數。

例如，為了得到理想的保險絲熔值，假使在額定工作電流為15 A，環境溫度為105 ℃，選擇的是Mini fuse。根據Mini fuse的環境溫度修正系數表格，可以得到其在105 ℃時修正系數為88%.這樣便可以代入上述公式求得：f=15/（0.88×0.75）=22.7 A。選擇最接近且大于計算結果，此例為25 A。

4.2 脈沖電流情況

選取的保險絲必須承受足夠的脈沖次數和一定時間持續的穩態電流。通過脈沖電流2和保險絲熔斷2兩個參數的比值得到相對2，以此確定保險絲所能夠承受的脈沖次數。

第一步，先計算脈沖電流的2.首先可以得出電流對時間的函數關系（），由此可以進一步推出2（）的函數關系，再由以下公式推算出脈沖電流的2，為：

式（2）中：1和2分別為脈沖電流作用的起始和終止時間。

第二步，計算保險絲熔斷的2.保險絲熔斷2是保險絲在熔化過程中電流轉換的熱能。同樣的，在熔化時間內，得出電流2（）與時間的函數關系，對此進行積分，便可得到熔斷2，計算公式為：

式（3）中：1和2分別為保險絲在熔化過程中的起始和終止時間。

最后一步，再由脈沖電流的2（2）和保險絲熔斷的2（3）的比值來確定相對2.

例如，如果要計算一個5 A的ATO保險絲在承受脈沖電流為10 A、脈沖電流持續時間為100 ms、脈沖周期為30 s的環境下所能承受的脈沖次數。首先計算脈沖電流2=0.1 s×10 A×10 A=10 A2s，其次通過該保險絲的目錄可以查到其保險絲熔斷2為26 A2s，則相對2則是兩者的比值 10 A2s/26 A2s，即38%，根據插片式保險絲的承受脈沖周期曲線可以得出，38%所對應的承受次數為10 000次。

相對2和保險絲的壽命之間有著一定的關系，通過計算這個數值，可以利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命。例如，一個保險絲的相對2在給定脈沖的情況下為41%，則由圖8可以得出，約可以承受4 500次這樣的脈沖沖擊。

一般而言，建議相對2＜30%，否則，數值越高，能承受的電流沖擊次數則越少。

4.3 浪涌電流情況

在浪涌電流情況下，需要計算電流累積2，其是電流經過一段時間后累積的能量。通過電流累積2與保險絲熔斷2的比值得到相對2，且相對2是隨時間而變化的。

首先，根據（）對時間的函數，描繪出2（）的時間曲線，然后通過積分算法，求出每段時間內累積的2（），繪制出一條2的時間曲線。其次，根據保險絲的熔斷時間和電流的TC曲線，得出保險絲在不同熔斷時間的電流值，并根據此電流值，得出熔斷2，并繪制出保險絲熔斷2相對于時間的曲線。接著把浪涌電流累積2曲線和保險絲熔斷2曲線繪制在同一張圖表中，如圖9所示。

圖8 相對I2t與保險絲承受沖擊次數的關系

圖9 I2t與時間的關系

圖9中下方的曲線是浪涌電流累積2，上方的曲線是保險絲熔斷2。可以用兩者的比值計算出每個時間點的相對2.例如，在=1 s時，浪涌電流累積2為19 A2s，保險絲熔斷2為56 A2s，則在1 s時刻，相對2為19/56=34%.最后，再利用承受脈沖周期曲線來預測保險絲的壽命，得出可承受的電流沖擊次數大于20 000次。

5 保險絲和導線截面積的匹配

為使保險絲能夠起到線路保護作用，所選擇的保險絲應與連接的導線進行合理的匹配，不宜過大或過小。若選擇的保險絲過大，當線路發生短路或過載時，最先熔斷的不是保險絲，而是導線，這種情況下會引起安全問題；若選擇的保險絲過小，會導致其頻繁熔斷，用電器乃至整條線路將無法正常工作。因此，導線的線徑與保險絲的匹配在汽車線路的設計中也是非常重要的。可以根據導線與保險絲的熔斷時間與電流TC曲線進行匹配選擇。普通片式保險絲和低壓導線的TC曲線如圖10所示。

由圖10可以得出以下3點結論：①經過相同電流，保險絲熔值越大，熔斷時間越長；②經過相同電流，導線線徑越大，熔斷時間越長；③不論是保險絲還是導線，經過的電流越大，熔斷時間越短。

隨后，如何進行保險絲和線徑的匹配，也能以圖11為參考。保險絲要起到線路的保護作用，就要比導線先熔斷。滿足以下兩個條件，即可達到保險絲和導線匹配的目的：①對于任何一處電流值，導線所對應的熔斷時間大于保險絲的熔斷時間；②保險絲和導線的TC曲線距離不能太遠，否則意味著選用了過小的保險絲或者過大線徑的導線，選擇較為相近的兩者曲線才能達到匹配的目的。

圖10 保險絲和導線的TC曲線

6 設計舉例與分析

以冷卻風扇控制器回路的保險絲設計為例，選擇的是Mini fuse。具體步驟為：①先通過電流測試得出冷卻風扇控制器工作時回路的電流波形，如圖11所示。通過對該電流波形的分析，可以將其劃分為一段時間為1.5 s的脈沖電流以及25 A的穩態電流。②根據Mini fuse環境溫度修正系數與環境溫度曲線，可以得到Mini fuse在85 ℃時的修正系數為91%.將修正系數與穩態電流值代入公式（1），計算可得f=25/（0.91×0.75）=36.6 A。選擇最接近且大于計算結果，為40 A。③根據圖11電流對時間的波形，繪制其電流的平方對時間的波形，如圖12所示。隨后，對該波形進行公式（2）的積分運算，計算可得脈沖電流的2為3 595 A2s。④根據Mini fuse熔斷2與保險絲熔值的對應關系，可得40 A保險絲的熔斷2為10 000 A2s。⑤用脈沖電流2與保險絲熔斷2相比得到相對2.根據前兩步計算的結果，相對2為0.36.⑥根據承受脈沖周期曲線，可以得到Midi 40 A保險絲可承受的電流沖擊次數大于10 000次，符合用電器的工作要求。⑦根據Midi保險絲與導線的TC曲線，可以得出40 A保險絲所適配的導線線徑為6 mm2。由此可以將冷卻風扇控制器的回路保險絲值選定為40 A，回路導線線徑選定為6 mm2。

圖11 冷卻風扇控制器回路電流波形

7 結論

上述車用保險絲的設計方法與計算結果已經在廣泛的實際應用中得到驗證，車上線路的工作安全可靠。隨著車載電氣設備的增多，電源分配的復雜性變高，整車安全性能要求提高，選取合適的車載保險絲變得越來越重要。通過本文論述，在選取時，需要對每根導線的電流進行嚴格的計算，這樣才能實現保險絲和線徑的匹配，達到最優設計的目的。

圖12 電流平方波形的繪制

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2095－6835（2018）23－0021－05

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.021

陳淳（1990—），男，上海人，本科，畢業于上海海事大學，在讀于上海交通大學，研究方向為電氣工程及其自動化。

〔編輯：嚴麗琴〕