汽车电路保护装置开发及验证

来源：汽车电器作者：佚名 2014-12-05 08:36:59

摘要：整车电路是整车电子信号的载体，整车电路保护装置具备电源分配和电路保护的功能。整车电路系统安全方面相关设计的好坏直接关系到汽车安全性，本文主要介绍熔断丝的开发及验证。
随着汽车上电子产品应用越来越多，电路系统也变得越来越复杂，电路设计是否合理以及后期验证是否充分，对整车的安全性及可靠性非常关键。

    1 整车电路保护装置设计
    1.1电源分配原则
    1.1.1负载分配原则
    根据整车实际需求，将整车电器负载按照一定的规则进行分配，保证整车电路系统安全合理运行。
    1） BAT （OFF）需要一直通电的电器负载，比如防盗系统、制动灯、音响等。由于一些负载会产生静态电流，对销往国外的车型，常常需要设计一个海运熔断丝，拔掉一些负载，用于减少静态电流对蓄电池的影响，比如仪表、音响、自动空调等。
    2） ACC该电源在发动机起动时会切断，因此该部分电源只适用于一些附属系统，并且将功率较大的负载挂在其下面，起动时断电，以便为蓄电池节省更多的电能用于起动，比如刮水器等。
    3） IGN 1除了BAT （OFF）、ACC以外的电器负载。
    4） IGN2与IGN1合理分配剩余的电器负载，一般会将影响安全行驶类的负载放在IGN1上，将舒
适类负载放在IGN2上。
    1.1.2用电器等级划分原则
    1） CLASSI车辆舒适性、便利性的负载。如备用电源、天窗、座椅加热、音响等。
    2） CLASS2影响车辆行驶相关的负载。如发动机电控单元、变速器控制单元、PEPS等。
    3） CLASS3保证车辆安全性能的负载。如ABS、EPS、AIR BAG。
    1.1.3熔断丝共用原则
    1）不同等级的负载不能共用一个熔断丝，比如倒车雷达模块和电控单元。
    2）功率与信号回路不能共用，避免EMC问题，比如后除霜和音响。
    3）系统特殊要求，比如气囊模块供电回路。
    4）大功率负载单独使用熔断丝，比如鼓风机、风扇等。
    5）接口电路不匹配的负载不允许共用，避免寄生回路故障。
    6）不同时存在的配置可以考虑共用，比如自动空调与手动空调等。
    7）功率特性相近的负载可以考虑共用，比如前、后氧传感器等。
    1.2熔断丝设计
    1.2.1熔断丝简介
    电路从电源输人部分出发，经由电线、开关等连接到各种设备。熔断丝被串联在电路上游，可及时切断下游发生的电气短路等引发的过电流，是保护构成电路的电线、设备免受火灾等事故损害的重要部件。
    熔断特性是熔断丝最为重要的特性。熔断丝具有让与额定电流值相等的电流持续流经的能力。另一方面，如果流经的电流超过额定电流值，则熔断丝必须在规定时间范围内有效地切断电流，并有效保持切断状态。
    1）快熔熔断丝
    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。以MINI型熔断丝为例，从其熔断特性曲线可以看出，熔断丝随着电流的增大熔断时间减小，每个规格的熔断丝对应不同的熔断曲线；MINI熔断丝耐过载的能力较弱，只能应用在稳态负载或者冲击电流与额定电流相差不多的回路中。
    2）慢熔熔断丝
    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（如冷却风扇），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。JCASE熔断丝的曲线特征同MINI熔断丝类似，但相同规格的JCASE熔断丝熔断时间较MINI熔断丝要长；JCASE熔断丝承受过载电流的能力比MINI熔断丝更强，所以一般应用在电机等具有冲击电流的负载回路中。
    随着汽车电子产品的日益增多，空间需求越来越严格，熔断丝等元器件的小型化趋势越来越明显。如图1所示，最近新推出的MICR02/3和MCASE类型的熔断丝体积更加小巧，可以节省更多的空间。

    1.2.2熔断丝容量计算
    从负载的额定功率计算出额定电流值，比如负载在12V时的额定功率为100 w，则（100W/12V）×（13.5V/12V）=9.375A，流到熔断丝的电流为9.375 A。
    确认负载类型为长时负载或者短时负载，是稳态电流还是脉冲电流或者浪涌电流。选定熔断丝类型，一般情况下如图2所示。

    由负载电流值和周围环境温度决定熔断丝容量。当负载为稳态电流时，可参考下列经验公式：

    式中：If----熔断丝的额定电流理想值；Rr----温度折减率；In----负载额定工作电流值。
    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折减率曲线得到该熔断丝工作环境温度下的温度折减率值。将In、RR代人公式即可得出If值。选择现有规格里与if最相同或稍大的即为熔断丝额定电流值。
    例如：当一个稳态电流负载在105℃条件下工作，其额定工作电流为15A，可选择MINI类型熔断丝，在其温度折减率曲线中可查得105℃时RR是88%。那么熔断丝的理想值则是：。在这种情况下，推荐使用25 A的MINI类型熔断丝。

    如果一个带有冲击电流的负载，可根据测试的模型，利用相关软件进行模拟分析，如图3所示，负载曲线在熔断丝特性曲线的下方即可。

    项目前期，由于负载波形难以测试，先根据负载额定电流计算出熔断丝容量，再根据冲击电流的大小，按照熔断丝电流一时间表进行估算。比如电机负载工作电流为10A，冲击电流20 A，持续时间200 ms，工作环境105℃，通过计算得出熔断丝容量可选20 A；由于为电机负载，选用JCASE熔断丝，查询20 A的JCASE熔断丝的时间一电流特性表，过载200％时，最小熔断时间为4s，远远大于峰值电流的持续时间。所以选择20 A的JCASE熔断丝即可。
    熔断丝的应用是非常成熟的技术，熔断丝的供应商的能力也越来越强，很多供应商都开发出了相关软件，输人相关参数，即可得出熔断丝选型的结论，大大节省了设计周期。