CN111797461A - 一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，该方法如下：步骤一、确认负载类型，计算负载电流；步骤二、按照导线的耐温等级高于或等于环境温度加上带载温升之和的原则确定导线种类及其线径；步骤三、确定熔断器的种类及容量；步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算；最终选择由步骤二确定的导线种类及线径和由步骤四选定的利用熔断器所决定的导线种类及线径两者中级别较高者。本发明方案可靠，实用性强，可有效提高线束设计水平及导线与匹配的精准性。

Description

一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法

技术领域：

本发明涉及一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法。

背景技术：

汽车线束用导线与熔断器的匹配设计一直是困扰整车线束设计的一项难题，也是整车线 束设计的一项核心能力。如果导线与熔断器的匹配设计不合理，当导线线径选择过小时，有 可能会导致导线的发烟、起火，甚至引起整车的火灾事故；而一味的放大导线的线径，增加 设计余量，又会导致导线成本的增加，重量的增加，不利于整车的节能减排，影响燃油经济 性；同时也会对整车线束的布置空间、装配工艺提出更高的要求。所以，能否合理地选择导 线的种类、线径以及与的匹配关系，直接影响到整车的安全性、可靠性、经济性。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，该方法 可有效提高线束设计水平及导线与熔断器匹配的精准性，提升设计效率。

本发明的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法包括下述步骤：

步骤一、确认负载类型，计算负载电流；

步骤二、确定导线种类及其线径；

(1)初步选择耐温等级高于环境温度的导线种类；

(2)按照导线的耐温等级高于或等于环境温度加上带载温升之和的原则确定导线种类 及其线径；

步骤三、确定熔断器的种类及容量；

步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算；

步骤五、最终确定导线的种类和线径：选择由步骤二确定的导线种类及线径和由步骤四 选定的利用熔断器所决定的导线种类及线径两者中级别较高者。

所述步骤二中，导线线径通过查找预先制定的表格确定，或者按照下述方法确定：

设定导线线径初始值，根据公式(1)计算导线的带载温升ΔT；

ΔT＝I²r_T1R (1)

式中I为负载电流；

r_T1为导线在耐温等级温度T₁下的电阻；

r_T1＝r₂₀(1+k_T(T₁-20))

其中r₂₀为导线在基准温度20°下的电阻，k_T为导线的温度系数；

R为导线的热阻抗；

R＝(R₁+R₂)

R₁:绝缘体热阻抗，R₂:导线的表面放热阻抗；

R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)；R₂＝10×P₂/πd₂

其中P₁为绝缘体固有热阻抗，d₁为导线外径，d₂为绝缘体外径；P₂为导线的固有表面放 热阻抗；

若带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线的耐温等级温度T₁，则将初步选择的导线种类 作为第一轮选定的导线种类，将设定的导线线径初始值作为第一轮选定的导线线径；若带载 温升ΔT加上环境温度T₂大于等于导线的耐温等级温度T₁，则按照上述方法重新选择导线种 类和导线线径，直至选定的导线种类和导线线径满足带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线 的耐温等级温度T₁，得到第一轮选定的导线种类和第一轮选定的导线线径。

所述步骤二的(2)中，在确定带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线的耐温等级温度 T₁后，还根据下述公式计算导线的额定电流I_D，若导线的额定电流I_D大于负载电流I，则将 初步选择的导线种类作为第一轮选定的导线种类，将设定的导线线径初始值作为第一轮选定 的导线线径。

所述步骤二的(2)中，按照导线耐温等级或者导线线径递增一级的方法重新选择导线 种类或导线线径。

所述的步骤三中，按照下述方法确定熔断器的种类及容量：

对于小电流负载、短时间脉冲电流负载，选择MINI熔断器；对于大电流负载、长时间 脉冲电流负载和堵转电流负载选择慢熔熔断器；

根据用电设备的工作性质及工作时间不同，将用电设备分为两类：一类是长时工作制用 电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次工作的时间较长，这类用电负荷状态用“C” 表示(Constant)；另一类是短时工作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次的 工作时间较短，这类用电负荷的负荷状态用O表示(Occasion)；

熔断器的容量按照下述方法确定：

对于堵转类电流负载，熔断器额定容量×110％≧电动机堵转电流；

对于负荷状态为“C”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(70～75)％(A)：

对于负荷状态为“O”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(100～110)％(A)：

对于负荷状态为“C”与“O”同组并存的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷(C) /(70～75)％(A)+Σ用电负荷(O)/(100～110)％(A)；

所述的步骤四中，根据熔断器的容量进行导线匹配的方法如下：

(1)确定不同温度下熔断器的熔断电流：

MINI熔断器的熔断电流值＝额定电流值的200％；慢熔熔断器的熔断电流值＝额定电流值 的350％；

MINI型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0015× (T₂－23)】}；

慢熔型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0014×(T₂－23)】}；

(2)根据步骤三中确定的熔断器的类型及容量计算熔断器的最适负载电流，将最适负 载电流代替步骤二中的负载电流，重新选取导线种类和导线线径。

所述的步骤四中，熔断器的最适负载电流计算方法如下：

熔断器的最适负载电流＝熔断器的额定值×70％。

所述步骤四中，还包括步骤(3)：

(3)计算导线的许用长度。根据导线的许用长度，判断车内布置导线长度是否满足要 求。如不满足，则需要重新确定导线种类或线径；

当车内布置导线的长度小于导线的许用长度时，则将步骤四的步骤(2)确定的导线种 类和线径作为最终选定的导线种类和线径；当车内布置的导线长度大于计算的导线许用长度 时，则按照耐温等级或者线径递增一个等级的方法更新导线种类或加大线径，再重复进行验 证。

所述步骤四中，还包括步骤(4)：

(4)确定导线冒烟开始时间的额定过电流；若熔断器的熔断电流大于导线冒烟开始时 间的额定过电流，则需放大导线的线径或更改导线的类型。

所述的步骤六中，发烟时间t和额定过电流通过查找预先制定的表格确定，或者按照下 述方法确定：

I_g ²r_y＝(T_1y-T_2y)/R(1-e^-at)

I_g＝【(T_1y-T_2y)/R(1-e^-at)/r_y】^1/2

t＝－(1/a)＊loge【1－(T1－T2)/RI²r】

t：导线发烟开始时间(s)

a：导线热常数的倒数

T_1y：发烟时的导体温度(℃)，AV线为140℃，AVS、AVSS线为150℃，AVX线为170℃，AEX线为190℃。

T_2y：发烟时的环境温度(℃)(计算时为留有余量可取为导线的耐热等级温度)

R：导线的热阻抗(℃×cm/W)

I_g：额定过电流

r_y：发烟时导线的导体电阻(Ω/cm)；

r_y＝r₂₀(1+0.00393(T_1y-20))

a＝1/τ(W/J)

τ＝C×R(J/W)

C:热容C＝∑W×H(J/℃cm)

W:导线的单位重量＝线径×密度(g/cm)

H:导线的比热容(J/℃g)

本发明通过对于导线承载特性及熔断特性的分析，总结出汽车线束用导线与熔断器的匹 配设计的10项要素，包括：工作区域的环境温度、用电器的负载电流及波形、的类型、折 算系数、熔断电流，导线的许用长度、使用寿命、耐温等级、带载温升及发烟电流。通过对 原始数据的收集及数学模型的建立，给出了导线与熔断器进行匹配设计的理论依据及相关计 算公式，并完成了线束设计常用导线、以及两者匹配设计的数据库的建立。本发明提供了一 套完整的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法。

本发明涵盖了导线温升与额定电流的计算方法、导线额定电流及电压降的计算方法、导 线发烟过电流和发烟时间计算方法、在不同环境温度下的额定电流、额定过电流的计算方法， 以及导线发烟时间与熔断特性匹配计算方法。

本发明总结了导线选型、选型以及两者进行匹配设计的计算方法，结合对原始数据的收 集，建立汽车线束用导线与熔断器的匹配设计数据库，为整车线束设计水平的提高提供了有 力的支撑。

本发明方案可靠，实用性强，可有效提高线束设计水平及导线与熔断器匹配的精准性， 取得了良好的经济效益。同时通过编制相关数据图表库，提供数据支撑，可减少90％以上的 计算工时，提升设计效率。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1-图10为常用电线温升和额定电流曲线图；

图11为不同环境温度下熔断器额定电流曲线；

图12-图13为MINI熔断器、慢熔熔断器额定值随温度变化率曲线；

图14-图15为环境温度40℃条件下AV电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔断 特性曲线；

图16-图17为环境温度40℃条件下AVS电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔断特性曲线；

图18-图19为环境温度40℃条件下AVSS电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔 断特性曲线；

图20-图21为环境温度80℃条件下AVX电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔断特性曲线；

图22-图23为环境温度80℃条件下AEX电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔断特性曲线；

图24为环境温度80℃条件下FLY电线发烟时间与慢熔熔断器熔断特性曲线；

图25-图26为环境温度80℃条件下FLRY电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器熔 断特性曲线；

图27-图28为环境温度100℃条件下FLR2X电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器 熔断特性曲线；

图29-图30为环境温度120℃条件下FLR7Y电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器 熔断特性曲线；

图31-图32为环境温度100℃条件下FLR9Y电线发烟时间与MINI熔断器、慢熔熔断器 熔断特性曲线；

图33为本发明的流程图。

具体实施方式：

本发明的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法如下：

在确认了导线与熔断器工作区域的环境温度及目标使用寿命以后，按以下5个步骤进行 导线与熔断器的匹配设计：

步骤一、确认负载类型，计算负载电流；

步骤二、确定导线种类及其线径；

步骤三、确定熔断器的种类及容量；

步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算

步骤五、最终确定导线线径。

下面分别进行介绍：

实施例1

本发明的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法具体如下：

步骤一、确认负载类型，计算负载电流：是连续负载还是断续负载，是否有脉冲电流及 堵转电流，一般产品的说明书中会给出说明；如果产品说明书中只给出了额定功率，可根据 额定功率计算负载电流；

步骤二、确定导线种类及线径

对于汽车导线来说，使用寿命是一个重要的问题。其中一个重要的方面就是热寿命。因 此为了确保汽车导线的使用寿命，在设计选用汽车导线时，应保证汽车导线能够一直处于安 全工作温度下，并使汽车导线各部分产生的热量不会使汽车导线的温度超过其最高允许的耐 温等级。根据导线工作的环境温度、不同导线的带载温升及耐温等级来确定导线的种类(导 线的耐温等级表示采用累积通电时间10000小时标准时的导体最高允许温度(根据JASO D609 的规定，假定汽车每天工作3小时，使用10年。德系导线的检验标准略有不同，导体最高 允许温度为要求满足3000小时连续工作所对应的温度))。我们在选择导线时，应保证该导 线的耐温等级要高于或等于环境温度加上带载温升之和。一般情况下，我们默认驾驶室的环 境温度为40℃，机舱的环境温度为80℃(特殊存在高温的区域需单独进行考虑，如果是带 涡轮增压的发动机，个别区域温度可能会很高，需要根据实际情况，选择适当的隔热材料， 并重新考虑导线工作的环境温度来进行导线的匹配设计)。

日系、德系常用导线的耐温等级如表1所示。

表1日系、德系常用导线的耐温等级

在汽车导线使用的过程中，导线的绝缘材料受到热辐射的作用会产生老化，从而引起性 能退化、寿命缩短。如果导线温度过高，其绝缘材料就会加速老化，工作寿命将大大缩短甚 至由于导线老化引起短路，从而发生火灾。如果导线处于最高允许的耐温等级以下运行，就 可以长期安全工作。所以在选择导线种类时，首先应保证其耐温等级要高于环境温度，接下 来再去验证带载温升的影响。

根据焦耳定律，通电时导体产生的热量：

Q＝I²rt 1)

所产生的热量，一部分贮存在导线及绝缘材料内(这部分热量很小，可以近似忽略)， 其余的热量以传导的形式经绝缘材料传递给导线的表面。由于导线与绝缘之间，绝缘与周围 环境之间存在着热阻，导线温度将因此而上升。同时由于环境温度相对较低，有温度差的存 在，热量会从高温区域向低温区域扩散，热量扩散的速度和导线温度与环境温度的差值成正 比，温度差越高，散热越快，导体热量扩散公式为：

Q＝(T₁-T₂)t/R 2)

当导线达到热平衡时，通电时导体产生的热量等于导体散发的热量，由公式1)、2)得 出公式3)，即：

I²r_T1＝(T₁-T₂)/R 3)

其中：

I:导线的通电电流(A)，即负载电流；

T₁:导线的最高使用温度(℃)

T₂:环境温度(℃)

R：导线的热阻抗(℃×cm/W)

r_T1为T₁℃时导线的电阻：

r_T1＝r₂₀(1+0.00393(T₁-20))

这里r₂₀表示20℃时导线的电阻。

热阻抗R＝(R₁+R₂)，这里：

R₁:绝缘体热阻抗(℃×cm/W)

R₂:导线的表面的放热阻抗(℃×cm/W)

其中R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)，这里：

P₁：绝缘体固有热阻抗(℃×cm/W)，常用材料的热阻抗(℃×cm/W)如下：

d₁：导线外径(mm)

d₂：绝缘体外径(mm)

其中R₂＝10×P₂/πd₂，

P₂：导线的固有表面放热阻抗(℃×cm/W)

当d₂≤12.5mm时，P₂＝(300+32d₂)

当d₂＞12.5mm时，P₂＝700

根据负载电流值，如，对于驾驶室内的导线，负载电流为10A，导线类型为AVSS，可以 通过计算来确定AVSS 0.5mm²的导线线径是否可满足此负载的要求。我们通过查找导线供货 厂家的相关导线的参数可知：

AVSS 0.5mm²的导线基准温度20℃时的导体电阻r₂₀＝32.7mΩ/m，导体外径d₁＝1.0mm，绝 缘体外径d₂＝1.6mm，绝缘体固有热阻抗P₁＝600℃×cm/W，代入以下公式可计算导线的温升：

R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)＝600/2/3.14159×ln(1.6/1.0)＝44.88(℃×cm/W)

R₂＝10×P₂/πd2＝10×(300+32×1.6)/3.14159/1.6＝698.69(℃×cm/W)

R＝(R₁+R₂)＝44.88+698.69＝743.57 (℃×cm/W)

r₈₀＝r₂₀(1+0.00393(80-20))＝40.41(mΩ/m)(为留有设计余量，默认通电后的导体温度达 到导线的耐温等级温度)

带载温升ΔT＝(T₁-T₂)＝I²r₈₀R＝10×10×40.41×743.57/1000/100＝30.05(℃)

带载温升(30.05℃)加上环境温度(40℃)，小于导线的耐温等级温度(80℃)，满足要求。如果计算后导线的带载温升加上环境温度大于导线的耐温等级温度，需考虑扩大导线 的线径或更换导线类型。

如想要计算导线的额定电流I_D，我们可代入以下公式进行计算(T₁为导线的耐温等级温 度：80℃)：

I_D＝[(T₁-T₂)/Rr_T1]1/2＝[(80-40)/(743.57/100)/(40.41/1000)]1/2＝11.54(A)可满足导 线的带载能力要求；

若导线的额定电流I_D大于负载电流I，则将初步选择的导线种类作为第一轮选定的导线 种类，将设定的导线线径初始值作为第一轮选定的导线线径。

步骤三、确定熔断器的种类及容量

根据不同的负载类型，选择不同的熔断器种类：一般情况下，对于小电流负载、短时间 脉冲电流负载，选择MINI熔断器；对于大电流负载、长时间脉冲电流负载、堵转电流负载 选择慢熔熔断器。

同时，根据用电设备的工作性质及工作时间不同，将用电设备分为两类：一类是长时工 作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次工作的时间较长，这类用电负荷状态用 “C”表示(Constant)；另一类是短时工作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一 次的工作时间较短，这类用电负荷的负荷状态用O表示(Occasion)。这两类用电设备之间 并没有严格的界限划分，而且同一种用电设备由于在不同的地域使用情况不同，负荷状态也 会不同，因此，具体情况应当具体对待。

对于堵转类电流负载，熔断器额定容量×110％≧电动机堵转电流。

对于负荷状态为“C”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(70～75)％(A)

对于负荷状态为“O”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(100～110)％(A)

对于负荷状态为“C”与“O”同组并存的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷(C) /(70～75)％(A)+Σ用电负荷(O)/(100～110)％(A)

步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算；

(1)计算不同温度下熔断器的熔断电流；其中MINI熔断器的熔断电流值＝额定电流的 200％；慢熔熔断器的熔断电流值＝额定电流的350％；

MINI型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0015× (T₂－23)】}；

慢熔型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0014×(T₂－23)】}。

(2)与熔断器相对应的导线的公称线径的选定

根据步骤三所确定的熔断器的类型及容量，计算熔断器的最适负载电流，将最适负载 电流替代步骤二中的负载电流，重新确定导线种类和线径。

熔断器的最适负载电流＝熔断器容量×70％；

(3)确定导线的许用长度：

根据上面(2)所求出的熔断电流和电源的公称电压，利用下式求出许用导线电阻。

然后将得到的许用电线电阻除以由(2)选定的导线种类及导线线径所对应的单位长度 的导体电阻(需考虑环境温度，并进行修正)，以此来确定所需导线的许用长度。

车内布置导线的长度应当小于导线的许用长度。当车内布置的导线长度大于计算的导线 许用长度时，应当更新导线种类或加大线径(耐温等级或者线径递增一个等级)，再重新确 定导线的种类或者线径。

说明：计算许用电线电阻及导线的许用长度的目的是为了保证熔断器的熔断特性，以免 出现导线长度增加导致阻值上升，熔断器熔断电流无法达到的现象。在计算过程中，即使出 现小线径导线在一定长度内可匹配大容量熔断器的情况，也只是说明在短路条件下熔断器可 以满足保护导线的要求，但不能作为正常工作条件下的设计依据，特别是回路出现过载的实 际情况下(但此时并没有发生短路)，这种设计是非常不可靠的。根据①中所设定的环境温 度和选定的导线种类、线径，以及MINI熔断器和慢熔

(4)确定导线冒烟开始时间的额定过电流

熔断器短时(MINI：最长5s；慢熔：最长7s)和长时(1000s)的熔断时间，求解导致导线冒烟开始时间的额定过电流，根据计算结果要检查一下熔断器的熔断电流是否超过了这 个额定过电流(正常情况下，熔断器的熔断电流应小于导线冒烟开始时间的额定过电流)。

发烟时间t和额定过电流计算公式为：

I_g ²r_y＝(T_1y-T_2y)/R(1-e^-at)

t＝－(1/a)＊loge【1－(T1－T2)/RI²r】

t：导线发烟开始时间(s)

a：导线热常数的倒数

T_1y：发烟时的导体温度(℃)，AV线为140℃，AVS、AVSS线为150℃，AVX线为170℃，AEX线为190℃。

T_2y：发烟时的环境温度(℃)(计算时为留有余量可取为导线的耐热等级温度)

R：导线的热阻抗(℃×cm/W)

I_g：额定过电流

r_y：发烟时导线的导体电阻(Ω/cm)；

r_y＝r₂₀(1+0.00393(T_1y-20))

a＝1/τ (W/J)

τ＝C×R (J/W)

C:热容C＝∑W×H(J/℃cm)

W:导线的单位重量＝线径×密度(g/cm)

H:导线的比热容(J/℃g)。

上面中所求得的各种公称线径的导线长度当中包括了设计汽车电路配线时所需要的导 线长度，当这个长度超过导线的许用长度时，我们需要考虑放大导线的线径或减小熔断器的 容量(一般情况下，负载确定后熔断器的容量无法减小)。在这个过程中，我们应当选择熔 断电流不大于(4)中所求得的额定过电流的那种公称线径的导线。

步骤五、最终确定导线的种类和线径，应选择由步骤二得到的利用容许电流确定的导线 种类及线径和由步骤四选定的利用所决定的导线种类及线径两者中级别较高者。

实施例2

本发明的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法具体如下：

步骤一、确认负载类型，计算负载电流：是连续负载和还是断续负载，是否有脉冲电流 及堵转电流，一般产品的说明书中会给出说明；如果产品说明书中只给出了额定功率，可根 据额定功率计算负载电流；

步骤二、确定导线种类及线径

我们在选择导线时，应保证该导线的耐温等级要高于或等于环境温度加上带载温升之 和。一般情况下，我们默认驾驶室的环境温度为40℃，机舱的环境温度为80℃(特殊存在 高温的区域需单独进行考虑，如果是带涡轮增压的发动机，个别区域温度可能会很高，需要 根据实际情况，选择适当的隔热材料，并重新考虑导线工作的环境温度来进行导线的匹配设 计)。

在选择导线种类时，首先应保证其耐温等级要高于环境温度，接下来再去验证带载温升 的影响。

根据焦耳定律，通电时导体产生的热量：

Q＝I²rt 1)

所产生的热量，一部分贮存在导线及绝缘材料内(这部分热量很小，可以近似忽略)， 其余的热量以传导的形式经绝缘材料传递给导线的表面。由于导线与绝缘之间，绝缘与周围 环境之间存在着热阻，导线温度将因此而上升。同时由于环境温度相对较低，有温度差的存 在，热量会从高温区域向低温区域扩散，热量扩散的速度和导线温度与环境温度的差值成正 比，温度差越高，散热越快，导体热量扩散公式为：

Q＝(T₁-T₂)t/R 2)

当导线达到热平衡时，通电时导体产生的热量等于导体散发的热量，由公式1)、2)得 出公式3)，即：

I²r_T1＝(T₁-T₂)/R 3)

其中：

I:导线的通电电流(A)，即负载电流；

T₁:导线的最高使用温度(℃)

T₂:环境温度(℃)

R：导线的热阻抗(℃×cm/W)

r_T1为T₁℃时导线的电阻：

r_T1＝r₂₀(1+0.00393(T₁-20))

这里r₂₀表示20℃时导线的电阻。

热阻抗R＝(R₁+R₂)，这里：

R₁:绝缘体热阻抗(℃×cm/W)

R₂:导线的表面的放热阻抗(℃×cm/W)

其中R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)，这里：

P₁：绝缘体固有热阻抗(℃×cm/W)，常用材料的热阻抗(℃×cm/W)如下：

d₁：导线外径(mm)

d₂：绝缘体外径(mm)

其中R₂＝10×P₂/πd₂，

P₂：导线的固有表面放热阻抗(℃×cm/W)

当d₂≤12.5mm时，P₂＝(300+32d₂)

当d₂＞12.5mm时，P₂＝700

根据负载电流值，如，对于驾驶室内的导线，负载电流为10A，导线类型为AVSS，可以 通过计算来确定AVSS 0.5mm²的导线线径是否可满足此负载的要求。我们通过查找导线供货 厂家的相关导线的参数可知：

AVSS 0.5mm²的导线基准温度20℃时的导体电阻r₂₀＝32.7mΩ/m，导体外径d₁＝1.0mm，绝 缘体外径d₂＝1.6mm，绝缘体固有热阻抗P₁＝600℃×cm/W，代入以下公式可计算导线的温升：

R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)＝600/2/3.14159×ln(1.6/1.0)＝44.88(℃×cm/W)

R₂＝10×P₂/πd2＝10×(300+32×1.6)/3.14159/1.6＝698.69(℃×cm/W)

R＝(R₁+R₂)＝44.88+698.69＝743.57(℃×cm/W)

r₈₀＝r₂₀(1+0.00393(80-20))＝40.41(mΩ/m)(为留有设计余量，默认通电后的导体温度达 到导线的耐温等级温度)

带载温升ΔT＝(T₁-T₂)＝I²r₈₀R＝10×10×40.41×743.57/1000/100＝30.05(℃)

带载温升(30.05℃)加上环境温度(40℃)，小于导线的耐温等级温度(80℃)，满足要求。如果计算后导线的带载温升加上环境温度大于导线的耐温等级温度，需考虑扩大导线 的线径或更换导线类型。

图1-图10为常用导线温升和额定电流曲线图，通过设定允许的温升值，可查找相应导 线的额定电流值。同时，通过以上算法，也建立了日系、德系常用导线额定电流与电压降参 数表，见表2-表11(为留有设计余量，此表中额定电流值已向下取整，查表3可知0.5mm²的导线线径，在环境温度为40℃时，额定电流为11A，可满足此负载要求)。

表2 AV电线额定电流和电压降计算表

表3 AVSS电线额定电流和电压降计算表

表4 AVS电线额定电流和电压降计算表

表5 AVX电线额定电流和电压降计算表

表6 AEX电线额定电流和电压降计算表

表7 FLY电线额定电流和电压降计算

表8 FLRY电线额定电流和电压降计算

表9 FLR2X电线额定电流和电压降计算

表10 FLR7Y电线额定电流和电压降计算

表11 FLR7Y电线额定电流和电压降计算

通过以上计算可知，无论是查表的方法，还是通过具体计算，所得出的结论是一致的。 通过数据图表库的建立及应用，可快速的确定某一负载电流所对应的导线的公称线径。

步骤三、确定熔断器的种类及容量

根据不同的负载类型，选择不同的熔断器种类：一般情况下，对于小电流负载、短时间 脉冲电流负载，选择MINI熔断器；对于大电流负载、长时间脉冲电流负载、堵转电流负载 选择慢熔熔断器。

同时，根据用电设备的工作性质及工作时间不同，将用电设备分为两类：一类是长时工 作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次工作的时间较长，这类用电负荷状态用 “C”表示(Constant)；另一类是短时工作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一 次的工作时间较短，这类用电负荷的负荷状态用O表示(Occasion)。这两类用电设备之间 并没有严格的界限划分，而且同一种用电设备由于在不同的地域使用情况不同，负荷状态也 会不同，因此，具体情况应当具体对待。

对于堵转类电流负载，熔断器额定容量×110％≧电动机堵转电流。

对于负荷状态为“C”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(70～75)％(A)

对于负荷状态为“O”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(100～110)％(A)

对于负荷状态为“C”与“O”同组并存的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷(C) /(70～75)％(A)+Σ用电负荷(O)/(100～110)％(A)

图11为不同环境温度下熔断器额定电流曲线，图12-图13为MINI熔断器、慢熔熔断器额定值随温度变化率曲线。图中所列MINI型的熔断器，其温度变化率为：-0.15％/℃；慢熔型的熔断器，其温度变化率为：-0.14％/℃。

步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算；

(1)根据图11和表13获得不同温度下熔断器的熔断电流；

表13熔断器的熔断条件

类型	熔断时间s(max)	熔断电流
			MINI熔断器	5	额定电流的200％
慢熔熔断器	7	额定电流的350％

MINI型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0015× (T₂－23)】}；

慢熔型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0014×(T₂－23)】}。

(2)与熔断器相对应的导线的公称线径的选定

根据步骤三所确定的熔断器的类型及容量，计算熔断器的最适负载电流，将最适负载 电流替代步骤二中的负载电流，重新确定导线种类和线径。

熔断器的最适负载电流＝熔断器容量×70％；

(3)通过查表的方式确定导线的许用长度：

车内布置导线的长度应当小于导线的许用长度。当车内布置的导线长度大于计算的导线 许用长度时，应当更新导线种类或加大线径(耐温等级或者线径递增一个等级)，再重新确 定导线的种类或者线径。

说明：计算许用电线电阻及导线的许用长度的目的是为了保证熔断器的熔断特性，以免 出现导线长度增加导致阻值上升，熔断器熔断电流无法达到的现象。在计算过程中，即使出 现小线径导线在一定长度内可匹配大容量熔断器的情况，也只是说明在短路条件下熔断器可 以满足保护导线的要求，但不能作为正常工作条件下的设计依据，特别是回路出现过载的实 际情况下(但此时并没有发生短路)，这种设计是非常不可靠的。表14-表17给出了日系、 德系常用导线的许用长度。

表14 40℃下AV\AVS\AVSS导线许用长度(m)

表15 80℃下AVX/AEX导线许用长度(m)

表16 40℃下FLRY导线许用长度(m)

表17 80℃下FLRY导线许用长度(m)

(4)确定导线冒烟开始时间的额定过电流

根据所设定的环境温度和选定的导线种类、线径，以及MINI熔断器和慢熔熔断器短时 (MINI：最长5s；慢熔：最长7s)和长时(1000s)的熔断时间，查表确定导致导线冒烟开始时间的额定过电流，根据计算结果要检查一下熔断器的熔断电流是否超过了这个额定过电 流(正常情况下，熔断器的熔断电流应小于导线冒烟开始时间的额定过电流)。

常用导线发烟时间和额定过电流计算表见表18-表27。

表18 AV导线发烟时间和额定过电流计算表

表19 AVS导线发烟时间和额定过电流计算表

表20 AVSS导线发烟时间和额定过电流计算表

表21 AVX导线发烟时间和额定过电流计算表

表22 AEX导线发烟时间和额定过电流计算表

表23 FLY导线发烟时间和额定过电流计算表

表24 FLRY导线发烟时间和额定过电流计算表

表25 FLR2X导线发烟时间和额定过电流计算表

表26 FLR7Y导线发烟时间和额定过电流计算表

表27 FLR9Y导线发烟时间和额定过电流计算表

上面中所求得的各种公称线径的导线长度当中包括了设计汽车电路配线时所需要的导 线长度，当这个长度超过导线的许用长度时，我们需要考虑放大导线的线径或减小熔断器的 容量(一般情况下，负载确定后熔断器的容量无法减小)。在这个过程中，我们应当选择熔 断电流不大于(4)中所求得的额定过电流的那种公称线径的导线。

步骤五、最终确定导线的种类和线径，应选择由步骤二得到的利用容许电流确定的导线 种类及线径和由步骤四选定的利用所决定的导线种类及线径两者中级别较高者。

本发明通过对导线承载特性及熔断特性的分析，以及对原始数据的收集及数学模型的建 立，给出了导线与熔断器进行匹配设计的理论依据及相关计算公式，并完成了线束设计常用 导线、以及两者匹配设计的数据库的建立。本发明提供了一套完整的汽车线束用导线与熔断 器的匹配设计方法。

主要保护内容：

1.汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法。

2.常用导线额定电流与电压降参数表。

3.常用导线温升与额定电流曲线。

4.常用导线发烟时间和额定过电流计算表。

5.导线发烟时间与熔断特性匹配曲线。

6.常用导线的许用长度计算表。

本发明涉及一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，总结了导线选型、选型以及 两者进行匹配设计的计算方法，结合对原始数据的收集，建立汽车线束用导线与熔断器的匹 配设计数据库，为整车线束设计水平的提高提供了有力的支撑。

本发明通过对于导线承载特性及熔断特性的分析，总结出汽车线束用导线与熔断器的匹 配设计的10项要素，包括：工作区域的环境温度、用电器的负载电流及波形、的类型、折 算系数、熔断电流，导线的许用长度、使用寿命、耐温等级、带载温升及发烟电流。通过对 原始数据的收集及数学模型的建立，给出了导线与熔断器进行匹配设计的理论依据及相关计 算公式，并完成了线束设计常用导线、以及两者匹配设计的数据库的建立。本发明提供了一 套完整的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法。

Claims (10)

1.一种汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、确认负载类型，计算负载电流；

步骤二、确定导线种类及其线径；

(1)初步选择耐温等级高于环境温度的导线种类；

(2)按照导线的耐温等级高于或等于环境温度加上带载温升之和的原则确定导线种类及其线径；

步骤三、确定熔断器的种类及容量；

步骤四、根据熔断器的容量，进行导线的匹配计算；

步骤五、最终确定导线的种类和线径：选择由步骤二确定的导线种类及线径和由步骤四选定的利用熔断器所决定的导线种类及线径两者中级别较高者。

2.根据权利要求1所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述步骤二中，导线线径通过查找预先制定的表格确定，或者按照下述方法确定：

设定导线线径初始值，根据公式(1)计算导线的带载温升ΔT；

ΔT＝I²r_T1R (1)

式中I为负载电流；

r_T1为导线在耐温等级温度T₁下的电阻；

r_T1＝r₂₀(1+k_T(T₁-20))

其中r₂₀为导线在基准温度20°下的电阻，k_T为导线的温度系数；

R为导线的热阻抗；

R＝(R₁+R₂)

R₁:绝缘体热阻抗，R₂:导线的表面放热阻抗；

R₁＝(P₁/2π)ln(d₂/d₁)；R₂＝10×P₂/πd₂

其中P₁为绝缘体固有热阻抗，d₁为导线外径，d₂为绝缘体外径；P₂为导线的固有表面放热阻抗；

若带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线的耐温等级温度T₁，则将初步选择的导线种类作为第一轮选定的导线种类，将设定的导线线径初始值作为第一轮选定的导线线径；若带载温升ΔT加上环境温度T₂大于等于导线的耐温等级温度T₁，则按照上述方法重新选择导线种类和导线线径，直至选定的导线种类和导线线径满足带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线的耐温等级温度T₁，得到第一轮选定的导线种类和第一轮选定的导线线径。

3.根据权利要求2所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述步骤二中，在确定带载温升ΔT加上环境温度T₂小于导线的耐温等级温度T₁后，还根据下述公式计算导线的额定电流I_D，若导线的额定电流I_D大于负载电流I，则将初步选择的导线种类作为第一轮选定的导线种类，将设定的导线线径初始值作为第一轮选定的导线线径。

4.根据权利要求2所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述步骤二中，按照导线耐温等级或者导线线径递增一级的方法重新选择导线种类或导线线径。

5.根据权利要求1所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述的步骤三中，按照下述方法确定熔断器的种类及容量：

对于小电流负载、短时间脉冲电流负载，选择MINI熔断器；对于大电流负载、长时间脉冲电流负载和堵转电流负载选择慢熔熔断器；

根据用电设备的工作性质及工作时间不同，将用电设备分为两类：一类是长时工作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次工作的时间较长，这类用电负荷状态用“C”表示；另一类是短时工作制用电设备，这一类用电设备在通常情况下每一次的工作时间较短，这类用电负荷的负荷状态用O表示；

熔断器的容量按照下述方法确定：

对于堵转类电流负载，熔断器额定容量×110％≧电动机堵转电流；

对于负荷状态为“C”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(70～75)％(A)：

对于负荷状态为“O”的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷/(100～110)％(A)：

对于负荷状态为“C”与“O”同组并存的用电设备，其熔断器的容量≥Σ用电负荷(C)/(70～75)％(A)+Σ用电负荷(O)/(100～110)％(A)。

6.根据权利要求1所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述的步骤四中，根据熔断器的容量进行导线匹配的方法如下：

(1)确定不同温度下熔断器的熔断电流：

MINI熔断器的熔断电流值＝额定电流值的200％；慢熔熔断器的熔断电流值＝额定电流值的350％；

MINI型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0015×(T₂－23)】}；

慢熔型熔断器在不同环境温度T₂下的电流额定值＝熔断器的额定值×{1－【0.0014×(T₂－23)】}；

(2)根据步骤三中确定的熔断器的类型及容量计算熔断器的最适负载电流，将最适负载电流代替步骤二中的负载电流，重新选取导线种类和导线线径。

7.根据权利要求6所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述的步骤四中，熔断器的最适负载电流计算方法如下：

熔断器的最适负载电流＝熔断器的额定值×70％。

8.根据权利要求6所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述步骤四中，还包括步骤(3)：

(3)计算导线的许用长度。根据导线的许用长度，判断车内布置导线长度是否满足要求。如不满足，则需要重新确定导线种类或线径；

当车内布置导线的长度小于导线的许用长度时，则将步骤四的步骤(2)确定的导线种类和线径作为最终选定的导线种类和线径；当车内布置的导线长度大于计算的导线许用长度时，则按照耐温等级或者线径递增一个等级的方法更新导线种类或加大线径，再重复进行验证。

9.根据权利要求8所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述步骤四中，还包括步骤(4)：

(4)确定导线冒烟开始时间的额定过电流；若熔断器的熔断电流大于导线冒烟开始时间的额定过电流，则需放大导线的线径或更改导线的类型。

10.根据权利要求9所述的汽车线束用导线与熔断器的匹配设计方法，其特征在于所述的步骤六中，发烟时间t和额定过电流通过查找预先制定的表格确定，或者按照下述方法确定：

I_g ²r_y＝(T_1y-T_2y)/R(1-e^-at)

I_g＝【(T_1y-T_2y)/R(1-e^-at)/r_y】^1/2

t＝－(1/a)＊loge【1－(T1－T2)/RI²r】

t：导线发烟开始时间(s)

a：导线热常数的倒数

T_1y：发烟时的导体温度(℃)，AV线为140℃，AVS、AVSS线为150℃，AVX线为170℃，AEX线为190℃。

T_2y：发烟时的环境温度(℃)(计算时为留有余量可取为导线的耐热等级温度)

R：导线的热阻抗(℃×cm/W)

I_g：额定过电流

r_y：发烟时导线的导体电阻(Ω/cm)；

r_y＝r₂₀(1+0.00393(T_1y-20))

a＝1/τ(W/J)

τ＝C×R(J/W)

C:热容C＝∑W×H(J/℃cm)

W:导线的单位重量＝线径×密度(g/cm)

H:导线的比热容(J/℃g)。

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