一種汽車用熔斷絲的選型方法

鄭阿東，王大麗，程 琳，賈鋒濤，鄭玉蘋

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006）

隨著汽車工業的發展，汽車上的電器功能愈加豐富，車上的用電設備越來越多。當用電器工作時，線束回路不作保護措施，會給車輛留下安全隱患。熔斷絲是一個熱響應元器件，是為了保護線束而設計和制造的，可以提供短路和低過載情況下的保護，合適的熔斷絲規格可以更好地保護線束回路，也可以降低因選用粗導線導致的高成本，從而降低整車成本。本文根據不同的負載類型和工作電流大小，選擇不同的計算方法計算出合適熔斷絲容量，然后根據負載的電氣特性選擇熔斷絲的類型。

1 熔斷絲簡介

1.1 熔斷絲定義

熔斷絲又稱熔斷器，將熔斷絲接于電路中，當有不允許的過電流時，使電路斷開的熔斷式電氣保護器件。熔斷絲是一個熱響應元器件，是為了保護線束而設計和制造的。本文所述的熔斷絲適用于低壓 （12 V）電路設計中。

1.2 熔斷絲工作原理

熔斷絲熔斷的工作原理依據是物理學中焦耳定律，即電流通過導體產生的熱量與電流的二次方、導體的電阻、通電時間成正比，公式如下：

式中：Q——導體的發熱量，J；I——流過導體的電流，A；R——導體的電阻，Ω；t——電流流過導體持續的時間，s。

這是車用熔斷絲選擇的理論依據，在選擇某一回路的熔斷絲時，需保證當回路負載正常工作時，其回路電流在熔斷絲處產生的累計能量應小于熔斷絲熔斷的能量。當有異常電流 （如回路短路、過載），回路電流在熔斷絲處產生的累計能量可使熔斷絲在規定的時間內熔斷。

1.3 熔斷絲分類 （表1）

2 熔斷絲選型

2.1 熔斷絲選型流程

本文介紹一種汽車用熔斷絲的選型方法，選型流程如圖1所示。

1）熔斷絲種類的確定，需要根據負載的電氣特性 （阻性、感性、容性）。

2）熔斷絲容量的確定，需要根據整車各電器系統工作電流大小及工作電流特性，按照不同的計算方式進行計算。

3）當選定電路的熔斷絲后，應確定熔斷絲相連電路的導線規格，導線的時間／電流特性曲線與熔斷絲的時間／電流特性曲線進行校核。

2.2 熔斷絲設計與計算

2.2.1 熔斷絲類型的確定

快熔熔斷絲常用在阻性電路中，保護一些對電流變動特別敏感的元器件；慢熔熔斷絲常用在電路狀態變化時有較大的浪涌電流的感／容性電路中 （如風扇電機電路），它能承受開關機時浪涌脈沖的沖擊，而真正出現故障時仍能較快地斷開電路。一般，電機類負載選擇慢熔熔斷絲，其余負載選擇快熔熔斷絲。

負載所使用熔斷絲的類型一般規則如下。

1）阻性負載，穩定電流不大，一般選用快熔熔斷絲，如座椅加熱、后風擋加熱。

表1 熔斷絲種類

圖1 熔斷絲選型流程圖

2）容性負載，沖擊電流大，但持續時間很短，且穩態電流不大，選用快熔熔斷絲，如遠近光燈、霧燈。

3）感性負載，電機類沖擊電流大且持續時間長的用電器，選用慢熔熔斷絲，如鼓風機、風扇。

4）感性負載，線圈沖擊電流比較大，持續時間很短，且穩態電流不大，選用快熔熔斷絲，如點火線圈、真空泵、雨刮電機。

2.2.2 熔斷絲容量的確定

負載的工作電流特性一般有以下3種情況，根據負載輸入的電流信息，判斷負載的工作電流特性，然后根據不同負載的工作電流特性確定熔斷絲的容量。

2.2.2.1 穩態電流 （圖2）。

對于該類負載回路中理想的熔斷絲容量計算公式如下。

圖2 穩態電流波形

式中：If——熔斷絲的額定電流理想值；In——額定工作電流；K——環境溫度修正系數。其中In=P／Un，可根據負載的功率和額定工作電壓求出，再通過熔斷絲的溫度修正系數曲線得到該熔斷絲工作環境溫度下的溫度修正系數K。將In、K代入公式即可得出If值。

溫度修正系數K是指熔斷絲的熔斷特性與環境溫度的關系，一般來說，環境溫度越高，溫度修正系數越低。圖3、圖4分別為MINI熔斷絲和JCASE熔斷絲隨周圍環境溫度的變化而改變的溫度修正系數曲線。

圖3 MINI熔斷絲溫度修正系數

圖4 JCASE熔斷絲溫度修正系數

典型負載熔斷絲 （后除霜和后視鏡加熱負載）選型舉例 （表2）。

表2 后除霜和后視鏡加熱負載的電流信息

后除霜回路原理見圖5。

圖5 后除霜回路原理圖

熔斷絲選型過程如下。

1）負載是阻性負載，查圖3知，環境溫度是40℃時，溫度修正系數K=97%。

2） 根據公式 （1） 得：

3）在熔斷絲規格 （表1）中選擇，由于沒有規格為28.9 A的熔斷絲，根據經驗，選擇接近且大于計算值28.9 A的熔斷絲，所以選擇30 A MINI熔斷絲。

注：前艙，熔斷絲工作溫度選擇105℃；室內，熔斷絲工作溫度選擇40℃。

2.2.2.2 脈沖電流 （圖6）

圖6 脈沖電流波形

脈沖電流不包含穩態工作電流，回路中的熔斷絲必須承受足夠的脈沖次數和一定時間持續的穩態電流。電流I2t和熔斷絲熔斷I2t的比值得到相對I2t，公式如下。

脈沖電流I2t的計算公式：脈沖電流的如圖7所示。

計算脈沖電流的I2t，需要對圖7進行微積分處理，這一過程不僅繁瑣而且所得數值不一定準確，因脈沖電流的函數不能夠準確給出，可以將脈沖電流的波形進行簡化，利用一些簡單的三角形、梯形、四邊形等將脈沖電流波形進行替代，計算I2-t圍成的面積。

熔斷絲熔斷I2t：熔斷I2t是熔斷絲在熔化過程中電流轉換的熱能，通常熔斷絲廠家會提供熔斷絲的熔斷I2t。以美國力特熔斷絲為例，其MINI熔斷絲的參數表如圖8所示。

圖7 脈沖電流I2t的計算圖

圖8 MINI熔斷絲的參數表 （力特目錄節選）

利用承受脈沖周期曲線來預測熔斷絲的壽命如圖9所示。通常壽命要求＞100萬次，相對I2t＜30%。

圖9 承受脈沖周期的熔斷絲壽命圖

典型負載熔斷絲 （DCT熔斷絲）選型舉例 （表3）。

表3 DCT負載的電流信息

DCT電機正常工作時波形曲線局部放大圖如圖10所示。

圖10 DCT負載工作的電流波形

要求：DCT電機出現故障時模塊60 A@持續40～50 ms，上電過程中120 A@＜20 ms，熔斷絲不會熔斷。

熔斷絲選型過程。

1） 如圖10脈沖電流的I2t=梯形面積=（202+452）×0.1／2=121.25 A2s。

3）查找熔斷絲圖7，DCT正常工作時MINI 25 A熔斷絲可以滿足。

4）由圖11可知，在120 A時，25 A MINI熔斷絲熔斷時間大于20 ms，滿足。

5）由圖11可知，在60 A時，25 A MINI熔斷絲熔斷時間大于50 ms，滿足。

綜上，DCT熔斷絲選擇25 A MINI熔斷絲是可以滿足要求的。

圖11 MINI熔斷絲時間／電流熔斷特性

2.2.2.3 浪涌電流 （圖12）

浪涌電流由脈沖電流和穩態電流疊加而成，熔斷絲必須承受足夠的脈沖次數和一定時間持續的穩態電流。電流累積I2t是電流經過一段積累的能量。電流累積I2t和熔斷絲熔斷I2t的比值得到相對I2t，且相對I2t是隨時間變化的。公式如下。

圖12 浪涌電流波形

1）浪涌電流累積I2t計算：計算出每段時間內累積的I2t，然后繪制出相應的時間曲線。

2）熔斷絲熔斷I2t計算如下：①根據熔斷絲的T／C曲線，計算出熔斷絲在不同熔斷時間時的熔斷I2t；②繪制出熔斷絲熔斷I2t的曲線。

3）把浪涌電流累積I2t曲線和熔斷絲熔斷I2t曲線繪制在一張圖表中。

4）計算出每個時間點的相對I2t。

浪涌電流熔斷絲的計算比較復雜，人為計算耗時長，而且計算結果不一定準確，復核也比較麻煩；一般需要借助示波器讀出浪涌電流的波形，再用專用的軟件將浪涌電流的波形輸入軟件中，從而計算出每段時間內浪涌電流累積I2t與熔斷絲熔斷I2t的相對I2t，計算出每個時間點的相對I2t，一般要求最大相對I2t＜30%。

浪涌電流熔斷絲的選型可以分為兩部分：①根據穩態電流部分，初步選擇1個熔斷絲的規格；②根據脈沖電流部分，計算每段時間內相對I2t，從而預測熔斷絲耐沖擊電流的壽命； ③綜合以上兩部分的計算結果，選定熔斷絲的規格。

典型負載熔斷絲選型舉例見表4。

表4 低速風扇電流信息

低速風扇測試波形如圖13所示。

圖13 低速風扇波形圖

熔斷絲選型過程如下。

1）根據穩態電流部分，初步選擇熔斷絲規格。

感性負載，沖擊電流大且持續時間長的電機類負載，熔斷絲選擇慢熔熔斷絲，前艙環境溫度105℃，查圖4可知，溫度修正系數為0.9。

所以選擇30 A JCASE熔斷絲驗證其他參數。

瞬間沖擊電流測算：沖擊電流最大為39.1 A，JCASE熔斷絲能夠至少600 s堅持不會熔斷。

JCASE熔斷絲時間／電流熔斷特性如圖14所示。

圖14 JCASE熔斷絲時間／電流熔斷特性

2）根據脈沖電流部分，對熔斷絲的耐沖擊次數進行分析。

利用專用的軟件計算出相對I2t，如圖15所示，最大相對I2t=15% （一般要求耐沖擊次數滿足100萬次，相對I2t＜30%）。

圖15 相對I2t的計算結果

綜上：低速風扇熔斷絲選用30A JCASE熔斷絲。

2.2.3 導線校核

當選定電路的熔斷元件后，應確認與熔斷元件相連電路的導線規格，選用的原則是導線的電流-時間特性曲線必須高于串接在其內的熔斷絲電流-時間特性曲線。如圖16所示。

3 結語

隨著汽車工業的發展，車載用電器日益增多，而且汽車安全法規要求也越來越高。對汽車線束回路進行安全可靠的保護，就需要根據不同的負載類型選擇合適的熔斷絲類型。整車成本的壓力也越來越大，選擇合適的熔斷絲類型，可以匹配最優的線束線徑，更好地保障整車電路的安全以及降低線束成本。我們對熔斷絲的認識與研究需要不斷深入，才能更好地趕上時代的發展。

本文的一些文字、圖片參考了Littelfuse公司的一些資料，在此表示感謝。