一种汽车用熔断丝的选型方法

郑阿东，王大丽，程 琳，贾锋涛，郑玉苹

（奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006）

随着汽车工业的发展，汽车上的电器功能愈加丰富，车上的用电设备越来越多。当用电器工作时，线束回路不作保护措施，会给车辆留下安全隐患。熔断丝是一个热响应元器件，是为了保护线束而设计和制造的，可以提供短路和低过载情况下的保护，合适的熔断丝规格可以更好地保护线束回路，也可以降低因选用粗导线导致的高成本，从而降低整车成本。本文根据不同的负载类型和工作电流大小，选择不同的计算方法计算出合适熔断丝容量，然后根据负载的电气特性选择熔断丝的类型。

1 熔断丝简介

1.1 熔断丝定义

熔断丝又称熔断器，将熔断丝接于电路中，当有不允许的过电流时，使电路断开的熔断式电气保护器件。熔断丝是一个热响应元器件，是为了保护线束而设计和制造的。本文所述的熔断丝适用于低压 （12 V）电路设计中。

1.2 熔断丝工作原理

熔断丝熔断的工作原理依据是物理学中焦耳定律，即电流通过导体产生的热量与电流的二次方、导体的电阻、通电时间成正比，公式如下：

式中：Q——导体的发热量，J；I——流过导体的电流，A；R——导体的电阻，Ω；t——电流流过导体持续的时间，s。

这是车用熔断丝选择的理论依据，在选择某一回路的熔断丝时，需保证当回路负载正常工作时，其回路电流在熔断丝处产生的累计能量应小于熔断丝熔断的能量。当有异常电流 （如回路短路、过载），回路电流在熔断丝处产生的累计能量可使熔断丝在规定的时间内熔断。

1.3 熔断丝分类 （表1）

2 熔断丝选型

2.1 熔断丝选型流程

本文介绍一种汽车用熔断丝的选型方法，选型流程如图1所示。

1）熔断丝种类的确定，需要根据负载的电气特性 （阻性、感性、容性）。

2）熔断丝容量的确定，需要根据整车各电器系统工作电流大小及工作电流特性，按照不同的计算方式进行计算。

3）当选定电路的熔断丝后，应确定熔断丝相连电路的导线规格，导线的时间／电流特性曲线与熔断丝的时间／电流特性曲线进行校核。

2.2 熔断丝设计与计算

2.2.1 熔断丝类型的确定

快熔熔断丝常用在阻性电路中，保护一些对电流变动特别敏感的元器件；慢熔熔断丝常用在电路状态变化时有较大的浪涌电流的感／容性电路中 （如风扇电机电路），它能承受开关机时浪涌脉冲的冲击，而真正出现故障时仍能较快地断开电路。一般，电机类负载选择慢熔熔断丝，其余负载选择快熔熔断丝。

负载所使用熔断丝的类型一般规则如下。

1）阻性负载，稳定电流不大，一般选用快熔熔断丝，如座椅加热、后风挡加热。

表1 熔断丝种类

图1 熔断丝选型流程图

2）容性负载，冲击电流大，但持续时间很短，且稳态电流不大，选用快熔熔断丝，如远近光灯、雾灯。

3）感性负载，电机类冲击电流大且持续时间长的用电器，选用慢熔熔断丝，如鼓风机、风扇。

4）感性负载，线圈冲击电流比较大，持续时间很短，且稳态电流不大，选用快熔熔断丝，如点火线圈、真空泵、雨刮电机。

2.2.2 熔断丝容量的确定

负载的工作电流特性一般有以下3种情况，根据负载输入的电流信息，判断负载的工作电流特性，然后根据不同负载的工作电流特性确定熔断丝的容量。

2.2.2.1 稳态电流 （图2）。

对于该类负载回路中理想的熔断丝容量计算公式如下。

图2 稳态电流波形

式中：If——熔断丝的额定电流理想值；In——额定工作电流；K——环境温度修正系数。其中In=P／Un，可根据负载的功率和额定工作电压求出，再通过熔断丝的温度修正系数曲线得到该熔断丝工作环境温度下的温度修正系数K。将In、K代入公式即可得出If值。

温度修正系数K是指熔断丝的熔断特性与环境温度的关系，一般来说，环境温度越高，温度修正系数越低。图3、图4分别为MINI熔断丝和JCASE熔断丝随周围环境温度的变化而改变的温度修正系数曲线。

图3 MINI熔断丝温度修正系数

图4 JCASE熔断丝温度修正系数

典型负载熔断丝 （后除霜和后视镜加热负载）选型举例 （表2）。

表2 后除霜和后视镜加热负载的电流信息

后除霜回路原理见图5。

图5 后除霜回路原理图

熔断丝选型过程如下。

1）负载是阻性负载，查图3知，环境温度是40℃时，温度修正系数K=97%。

2） 根据公式 （1） 得：

3）在熔断丝规格 （表1）中选择，由于没有规格为28.9 A的熔断丝，根据经验，选择接近且大于计算值28.9 A的熔断丝，所以选择30 A MINI熔断丝。

注：前舱，熔断丝工作温度选择105℃；室内，熔断丝工作温度选择40℃。

2.2.2.2 脉冲电流 （图6）

图6 脉冲电流波形

脉冲电流不包含稳态工作电流，回路中的熔断丝必须承受足够的脉冲次数和一定时间持续的稳态电流。电流I2t和熔断丝熔断I2t的比值得到相对I2t，公式如下。

脉冲电流I2t的计算公式：脉冲电流的如图7所示。

计算脉冲电流的I2t，需要对图7进行微积分处理，这一过程不仅繁琐而且所得数值不一定准确，因脉冲电流的函数不能够准确给出，可以将脉冲电流的波形进行简化，利用一些简单的三角形、梯形、四边形等将脉冲电流波形进行替代，计算I2-t围成的面积。

熔断丝熔断I2t：熔断I2t是熔断丝在熔化过程中电流转换的热能，通常熔断丝厂家会提供熔断丝的熔断I2t。以美国力特熔断丝为例，其MINI熔断丝的参数表如图8所示。

图7 脉冲电流I2t的计算图

图8 MINI熔断丝的参数表 （力特目录节选）

利用承受脉冲周期曲线来预测熔断丝的寿命如图9所示。通常寿命要求＞100万次，相对I2t＜30%。

图9 承受脉冲周期的熔断丝寿命图

典型负载熔断丝 （DCT熔断丝）选型举例 （表3）。

表3 DCT负载的电流信息

DCT电机正常工作时波形曲线局部放大图如图10所示。

图10 DCT负载工作的电流波形

要求：DCT电机出现故障时模块60 A@持续40～50 ms，上电过程中120 A@＜20 ms，熔断丝不会熔断。

熔断丝选型过程。

1） 如图10脉冲电流的I2t=梯形面积=（202+452）×0.1／2=121.25 A2s。

3）查找熔断丝图7，DCT正常工作时MINI 25 A熔断丝可以满足。

4）由图11可知，在120 A时，25 A MINI熔断丝熔断时间大于20 ms，满足。

5）由图11可知，在60 A时，25 A MINI熔断丝熔断时间大于50 ms，满足。

综上，DCT熔断丝选择25 A MINI熔断丝是可以满足要求的。

图11 MINI熔断丝时间／电流熔断特性

2.2.2.3 浪涌电流 （图12）

浪涌电流由脉冲电流和稳态电流叠加而成，熔断丝必须承受足够的脉冲次数和一定时间持续的稳态电流。电流累积I2t是电流经过一段积累的能量。电流累积I2t和熔断丝熔断I2t的比值得到相对I2t，且相对I2t是随时间变化的。公式如下。

图12 浪涌电流波形

1）浪涌电流累积I2t计算：计算出每段时间内累积的I2t，然后绘制出相应的时间曲线。

2）熔断丝熔断I2t计算如下：①根据熔断丝的T／C曲线，计算出熔断丝在不同熔断时间时的熔断I2t；②绘制出熔断丝熔断I2t的曲线。

3）把浪涌电流累积I2t曲线和熔断丝熔断I2t曲线绘制在一张图表中。

4）计算出每个时间点的相对I2t。

浪涌电流熔断丝的计算比较复杂，人为计算耗时长，而且计算结果不一定准确，复核也比较麻烦；一般需要借助示波器读出浪涌电流的波形，再用专用的软件将浪涌电流的波形输入软件中，从而计算出每段时间内浪涌电流累积I2t与熔断丝熔断I2t的相对I2t，计算出每个时间点的相对I2t，一般要求最大相对I2t＜30%。

浪涌电流熔断丝的选型可以分为两部分：①根据稳态电流部分，初步选择1个熔断丝的规格；②根据脉冲电流部分，计算每段时间内相对I2t，从而预测熔断丝耐冲击电流的寿命； ③综合以上两部分的计算结果，选定熔断丝的规格。

典型负载熔断丝选型举例见表4。

表4 低速风扇电流信息

低速风扇测试波形如图13所示。

图13 低速风扇波形图

熔断丝选型过程如下。

1）根据稳态电流部分，初步选择熔断丝规格。

感性负载，冲击电流大且持续时间长的电机类负载，熔断丝选择慢熔熔断丝，前舱环境温度105℃，查图4可知，温度修正系数为0.9。

所以选择30 A JCASE熔断丝验证其他参数。

瞬间冲击电流测算：冲击电流最大为39.1 A，JCASE熔断丝能够至少600 s坚持不会熔断。

JCASE熔断丝时间／电流熔断特性如图14所示。

图14 JCASE熔断丝时间／电流熔断特性

2）根据脉冲电流部分，对熔断丝的耐冲击次数进行分析。

利用专用的软件计算出相对I2t，如图15所示，最大相对I2t=15% （一般要求耐冲击次数满足100万次，相对I2t＜30%）。

图15 相对I2t的计算结果

综上：低速风扇熔断丝选用30A JCASE熔断丝。

2.2.3 导线校核

当选定电路的熔断元件后，应确认与熔断元件相连电路的导线规格，选用的原则是导线的电流-时间特性曲线必须高于串接在其内的熔断丝电流-时间特性曲线。如图16所示。

3 结语

随着汽车工业的发展，车载用电器日益增多，而且汽车安全法规要求也越来越高。对汽车线束回路进行安全可靠的保护，就需要根据不同的负载类型选择合适的熔断丝类型。整车成本的压力也越来越大，选择合适的熔断丝类型，可以匹配最优的线束线径，更好地保障整车电路的安全以及降低线束成本。我们对熔断丝的认识与研究需要不断深入，才能更好地赶上时代的发展。

本文的一些文字、图片参考了Littelfuse公司的一些资料，在此表示感谢。