汽车熔断丝设计选用影响因素研究

任江华

（神龙汽车有限公司，湖北 武汉 430000）

熔断丝是车辆开发的传统零件，规格系列已经标准化，技术成熟。在设计开发车型时，需要按照车辆电器架构和电器负载的要求选用合适的规格，以满足安全和可靠性的要求。然而近年来，知名国际主机厂仍然出现了熔断丝召回的案例，几乎各主机厂都遇到过熔断丝失效的问题，其中涉及因素众多，各因素之间的综合作用使得设计选用变得复杂，对于设计经验不足的工程设计人员来说挑战很大。

1 传统分析研究

关于熔断丝设计的文献很多，大部分都提到了负载的分类，一般把负载简单分成感性负载和阻性负载，这是以电器设备典型阻抗来区分的。实际上，电器设备的阻抗比较复杂，以灯泡为例，近光灯稳定工作后，可以看成一个阻性负载，电流比较稳定。转向灯灯泡工作的时候，通断是交替进行的，这时，不宜视为阻性负载。

车辆上的刮水电机、冷却风扇电机、空调电机可以视为感性负载。随着电机转速的不同，电流是有变化的。以空调电机为例，正常工作情况下，风速越大，电机的电流越大。对于冷却系统的电机，电流跟电机的负载相关，供电不变的情况下，阻力越大，电流越大，极端堵转情况下，电流最大。

比较常见的指导性设计原则是，按UL熔断丝的特性，需要采用折减率0.75，即：熔断丝额定值=稳态电流/0.75，在此基础上圆整。

2 故障分析

熔断丝熔断和局部过热是常见的失效模式，熔断丝熔断故障处理思路比较明确，在排除线路短路的情况下，需要思考熔断丝的额定值和实际负载的关系，特别需要考虑感性负载的启动电流。

2.1 案例一

图1 12 V起动机控制回路吸合电流

某车型起动机熔断丝熔断，客户无法起动车辆，该故障率约为千分之五（5 000 ppm）。图1是实车起动机控制线圈工作电流，可以看出，起动阶段冲击电流比较大，达到了39.1 A，持续时间在15 ms左右。而该车的起动机熔断丝额定值为25 A，负载电流为熔断丝额定电流的1.56倍左右。按熔断丝的熔断特性，如表1所示［1］，理想情况下理论上不会有熔断问题。结合实际售后表现，需要考虑综合因素的影响，比如环境温度，熔断丝特性的偏差，电机电流的波动偏差，多次起动后对熔断丝的冲击导致的特性的影响。在综合分析后，将熔断丝的额定值调整为30 A，此故障消除， 此时负载电流为熔断丝额定电流的1.3倍。

表1 常见的熔断丝特性

2.2 案例二

某车出现水温过高的现象，发动机水温报警，经查发现熔断丝底座和塑料壳熔融，少部分熔断丝熔断，都为长里程故障，如图2所示。该车熔断丝盒采用了阻燃设计，阻燃等级为V0 ，在没有明火的情况下，不会出现严重的过热或者起火故障。

图2 熔断丝底座熔融

该车风扇熔断丝在发动机舱，额定值为30 A，AUTO规格，扁平直插式设计，绿色。根据售后的信息，发现故障在出租车上高于私家车，出租车在很多城市24 h连续工作，工况比较恶劣。故障发生日期集中在夏季，跟环境温度和空调的使用相关，空调压缩机负荷会增加发动机的负荷，电子风扇需要高速运转以满足冷却系统的要求。冷却风扇为双风扇设计，总的负载如图3所示，高速总电流约为38 A，单风扇为19 A左右，熔断丝额定值为实际负载稳态工作电流的1.58倍。

图3 双风扇高低速启动电流

根据熔断丝的设计特性，30 A的熔断丝可保证25 A以下长期工作，不能出现过度发热的情况，18～20 A的负载在30 A熔断丝的合理工作区间。夏季高温属于环境温度的影响，内部因素聚焦到熔断丝与熔断丝盒的接触上，熔断丝盒下部端子为冲压结构，音叉式，与熔断丝插片为3段式接触，在最理想的情况下，接触面可视为跟端子宽度相当的一条直线，如图4所示。

而相同规格的跟熔断丝接触的线束端子，采用双面卡夹，接触面可视为2条与宽度相等的直线，在理论上，接触电阻小一半，见图5。AUTO规格熔断丝，连接标准要求接触电阻低于2 mΩ［2］。

另一方面，为了保证音叉的间隙，音叉式端子采用冲压成型，对工艺要求极高，必须保证非常好的产品一致性。同时，为了保证长期的耐久性，要求材料弹性好，长期使用不变形，保证接触点的压力，工艺难度大。

此项目在开发周期和安装体积的约束下，选择了慢熔熔断丝，慢熔熔断丝为螺钉紧固，接触处为一个面，如图6所示，此种接触方式接触电阻非常小，小于1 mΩ［2］。在设计改进后，此故障消除。

图4 音叉式冲压结构

图5 同规格线束端子结构

图6 螺钉拧紧面接触

3 熔断丝设计选型影响因素

3.1 负载类型及大小

结合实际工作经验，参考上述故障案例，电器负载的电流大小是核心考虑因素，除了考虑稳定负载电流，必须考虑启动冲击电流和时长的因素，同时需尽量兼顾堵转电流。参考建议如下。

1）长期阻性负载：熔断丝额定值选取1.25～2倍稳定负载，比如卤素位置灯、近光灯。

2）长期感性负载：熔断丝额定值选取1.5～2倍稳定最大负载，比如空调风扇。

3）部分短时感性负载：熔断丝额定值选取0.75～1倍最大负载，比如起动机。

3.2 环境温度影响

如果熔断丝盒布置在发动机舱，必须考虑环境温度的影响。若采用直插式AUTO熔断丝，长期负载大于15 A，接触电阻自发热量比较大，温度升高比较明显，可考虑把额定值30A以上的部分大负载熔断丝放到乘客舱。

无论从成本角度还是品质角度，建议避免熔断丝盒内部温度升高到110 ℃以上，从而可规避对相邻的部件提过高的耐热要求。

3.3 接触电阻和端子设计

如果稳定负载大于20 A，优先推荐采用慢熔型、MAXI型熔断丝，这2类熔断丝的连接方式接触电阻非常小、发热量低，而且体积较大、散热更优。 额定值为30 A以上的AUTO熔断丝不推荐使用3段式音叉结构端子，尽量采用图5线束类端子，或者采用结构可靠的三点接触结构（需使用双排，6个接触点）， 如图7所示，满足接触电阻的规范要求。

3.4 镀层处理

非常广泛使用的镀层是镀锡，这是汽车和线束行业用量最广的镀层。同时，部分规格的熔断丝也有采用银镀层。根据金属的特性，银的导电性非常好，因此其接触电阻理论上要优于镀锡。在电流比较大的场合，可考虑银镀层。

3.5 散热设计

如果系统结构允许，推荐采用通风散热设计，车辆行驶时，结合发动机舱的气体流场，使冷风能流通到熔断丝盒内，带走部分自发热的热量，降低工作时的整体温度。

图7 三点接触端子

3.6 生产一致性因素

熔断丝、接触端子和熔断丝盒等产品都有生产一致性问题，当某几个公差因子叠加到一起后，可能造成一定概率的故障，正如前述案例一。此时，需要考虑多留一些设计上的余量，简化品质控制环节的难度。

4 仿真和验证

计算机技术发展迅速，现在有许多软件可实现仿真模拟，在初步设计选型后，可采用仿真软件进行模拟验证。其中相关许多参数的设置非常重要，实际上参数设置需要结合实际的实物实验情况不断修正，才能达到比较准确的模拟。

在实际车辆样车生产出来后，需要开展实车短路实验，以验证熔断丝的安全保护作用，熔断丝要在技术规范规定的时间内及时熔断，达到保护线束的目的。必须注意的是，短路实验须在供电线的末端进行，这样才能串联所有回路的阻抗，该实验在一定程度上也可验证线束截面设计的合理性。

5 结论和展望

由上文的实际故障分析和解决过程看，影响熔断丝设计选型的因素很多，包含负载类型、负载工况、负载稳定电流大小、启动冲击电流的大小和时长、环境温度、熔断丝盒插座的结构、散热条件等等。

在实际设计实践中，根据参考建议和影响因素分析，选择最恰当的熔断丝类型和额定值，并通过完整的实物及试验验证，才能实现安全保护和高可靠性。

［1］ PSA.熔断丝技术规范［Z］.2005.

［2］ PSA.连接器技术规范［Z］.2010.