汽车用铝导体电线的电流容量计算方法

周录尧，郭 红，李海林

（一汽解放商用车开发院，吉林 长春 130011）

最新的汽车电线国际标准ISO 19642-2019其中两部分：ISO 19642-3-2019《道路车辆 汽车电缆 第3部分：交流30V或直流60V单芯铜导体电缆的尺寸和要求》，ISO 19642-4-2019《道路车辆 汽车电缆 第4部分：交流30V或直流60V单芯铝导体电缆的尺寸和要求》，给出了电线的尺寸和试验方法，但没有给出电线的电流容量计算数值。不同标准的电线尺寸不同，但结构类似，其电流容量的计算方法是通用的。本文采用日标JASO D609的额定电流和发烟时极限过电流的计算方法，用EXCEL给出了ISO 19642-3-2019铜导体电线和ISO 19642-4-2019铝导体电线的电流容量计算数值，并比较了铜导体电线和铝导体电线的结构尺寸和电气参数，为用铝导体电线替代铜导体电线以降重、降成本提供对比数据，也为汽车电线与熔断器的选型匹配提供数据支持。汽车电线载流量的试验测定方法可参见《VW 60306-3-2011汽车电线载流量的测定》。

汽车电线的电流容量为电线的额定电流、电线发烟时的极限过电流和乘以因成束额定电流的降低系数的电流值的总称。引用日标JASO D609-2012《汽车低压电线的电流容量》的计算公式见下文。

1 电线的额定电流

额定电流：在电线回路设计时，考虑由于温度造成的电线绝缘的老化，从寿命的角度考虑，为防止使用的不安全，允许通过的限定电流值。并且，这个值除了基于电线的绝缘材料、周围的环境温度之外，也应设定相应的通电时间。

导体电流产热和绝缘体散热的稳态方程见公式 （1）。

1）热量守恒

式中：IP——电线的额定电流，A；rT1——T1下的导体电阻，Ω／cm；T1——电线导体的额定温度，℃；T2——环境温度，℃；R——热阻，℃·cm／W；t——时间，s。

由公式 （6），可知当t=5τ，1-e-5=99.33%，可认为热量产生和释放达到平衡。并且，在T1下的导体电阻rT1按公式（2） 折算。

2）铝导体电阻折算

注：0.00403是在20℃时，100%导电率下铝的温度系数。0.00393是在20℃时，100%导电率下铜的温度系数。对于镀层电线或合金，修正系数应由供需双方协商确定。

3）热阻R

式中：R1——绝缘体的热阻，℃·cm／W；R2——表面辐射热阻，℃·cm／W。

4）绝缘体的热阻R1

式中：P1——绝缘的固有热阻，℃·cm／W，聚氯乙烯混合物和交联聚氯乙烯混合物是600℃·cm ／W，交联聚乙烯混合物是450℃·cm／W，无卤混合物是450℃·cm／W；d1——导体直径，mm；d2——成品电线外径，mm。

5）表面辐射热阻R2

式中：P2——固有表面辐射热阻，℃·cm2／W；当d2≤12.5mm时，P2=300+32d2；当d2＞12.5mm时，P2=700。

电线在额定电流下的电压降计算公式如下：

式中：E——电线的电压降，mV／m；IP——电线的额定电流，A；rT1——T1温度下的导体电阻，Ω／cm，按公式（2）。

2 电线发烟时的极限过电流

极限过电流：由于外部特殊原因，电线短时间通过的电流超过容许电流时，规定的和通电时间对应的极限电流值。

导体电流产热和绝缘体散热的暂态方程见公式 （6）。

2.1 极限过电流

式中，IO——电线的极限过电流，A；rT3——T3℃下的导体电阻，Ω／cm；T3——电线导体的极限温度，℃，此温度下电线的绝缘开始发烟变形；T2——环境温度，℃；R——热阻，℃·cm／W；α——热时间常数τ的倒数；t——时间，s。

在T3℃下的铝导体电阻rT3按公式 （7）进行电阻折算：

B级PVC电线的性质见表1。

表1 B级PVC电线性质

B级PVC电线的额定温度为100℃，实验可达105℃，考虑安全余量在下文计算额定电流时取额定温度100℃。B级PVC电线的发烟变形温度为165℃，在计算发烟极限过电流时取热过载温度155℃，因为若取165℃计算发烟极限过电流时电线已损坏失效。

2.2 热阻R见公式 （3）

绝缘的热阻R1见公式 （4），表面辐射热阻R2见公式 （5）。

2.3 热时间常数τ和热容C按公式 （8）和公式 （9）折算

式中：W1——导体的质量，g／cm，铜的密度为8.89g／cm3，铝的密度为2.7g／cm3；W2——绝缘的质量，g／cm，聚氯乙烯的密度按1.35g／cm3；H1——导体材料的热容系数，J／℃·g；H2——绝缘材料的热容系数，J／℃·g。

注：导体的质量和绝缘的质量可根据测定值。

各构成材料的热容系数见表2。

表2 各构成材料的热容系数

热时间常数τ的倒数α按公式 （10）折算：

3 由于电线成束额定电流的降低系数

多根电线成束状态时，额定电流应乘以表3所示的降低系数。但是这个降低系数和同时通电的电线根数有关，和整个线束的电线根数没有关系。并且不包含如控制回路、电子回路等不产生温度上升的小电流电线。

表3 由于电线成束额定电流的降低系数

4 电线的电流容量计算结果

铜导体电线和铝导体电线电流容量的中间计算参数数值部分摘录见表4。

表4 铜导体电线和铝导体电线电流容量的中间计算参数数值

ISO 19642-3-2019铜导体电线的额定电流见表5。ISO 19642-4-2019铝导体电线的额定电流见表6和图1，铝导体电线发烟时间和极限过电流见表7和图2。

5 铜导体电线和铝导体电线对比

将ISO 19642-3-2019铜导体电线和ISO 19642-4-2019铝导体电线的结构尺寸和电气参数摘录，见表8、表9、表10。

举例1：对于铜导体0.75mm2电线，可用铝导体1.0mm2或1.25mm2电线替代，见表11。由于细电线用量很大，一般成束布置，在用铝导体电线替代铜导体电线时，需注意因成束直径变大带来的影响。

举例2：对于载重汽车起动机工作的电流回路，一般选用50mm2铜导体电线，起动回路电阻要求不大于4mΩ，为保证回路电阻或者满足额定电流，一般布置空间充裕，应用铝导体电线外径变大不是限制因素，可采用70mm2或85mm2铝导体电线替代50mm2铜导体电线，降重降成本显著，见表12。

表5 ISO 19642-3-2019汽车低压薄壁聚氯乙烯B级铜导体电线的额定电流和电压降

表6 ISO 19642-4-2019汽车低压薄壁聚氯乙烯B级铝导体电线的额定电流和电压降

表7 ISO 19642-4-2019汽车薄壁聚氯乙烯 B级铝导体电线的电线发烟时间和极限过电流

表8 ISO 19642-3-2019汽车薄壁铜导体电线参数 （推荐标准绞合结构）

表9 ISO 19642-4-2019汽车薄壁铝导体电线参数

表10 铜导体电线和铝导体电线的电气参数对比

图1 铝导体电线的额定电流与温升曲线

表11 铝导体电线替代铜导体电线

图2 铝导体电线的发烟时间与极限过电流曲线

表12 铝导体电线替代铜导体电线