汽車電氣接線盒的過載設(shè)計和驗證方法淺析

汽車電氣接線盒是電源分配的關(guān)鍵部件，其設(shè)計的可靠性直接關(guān)系到汽車的安全性。電氣接線盒設(shè)計之后的驗證有很多項目，其中的過電流試驗主要驗證回路的承載能力。本文主要討論電氣接線盒過電流的驗證方法。

隨著汽車的競爭越來越激烈，汽車的配置越來越高，汽車上電子產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越多，汽車電路系統(tǒng)變得越來越復雜。汽車電氣接線盒作為電源分配和電路保護的關(guān)鍵部件，內(nèi)部電路設(shè)計的難度也越來越大。很多電機類或者燈的負載，在正常啟動工作的時候，存在沖擊電流，沖擊電流會高于電路的額定值，因此，除了要承載正常的額定電流之外，還要能夠承擔一定的沖擊，也就是抗過載電流的能力。

過載主要發(fā)生在電路中的設(shè)備出現(xiàn)故障的時候，或者負載的工作特性存在瞬間的浪涌電流，超過了導線、設(shè)備規(guī)定的額定工作電流值，長期過載會導致設(shè)備或者導線發(fā)熱，導線絕緣層融化，最終導致燒車。

電氣接線盒中的元器件

汽車電氣接線盒內(nèi)部包含的元器件主要包括繼電器、熔斷絲、PCB板、匯流條、端子、外圍接口、正極螺栓、熔斷絲安裝螺栓、殼體等。其中繼電器、熔斷絲、PCB板、端子、匯流條是組成電氣回路的主要部件，電氣回路中的每個元器件在設(shè)計時均要考慮到過載的情況。

?繼電器

繼電器主要用于驅(qū)動較大電流的負載，比如風扇等。其控制回路電流較小，一般是在100～200 mA之間，觸點回路會承載較大的電流，一般與熔斷絲串聯(lián)形成對回路導線的保護。繼電器的應(yīng)用，根據(jù)具體負載進行分析，如果是電機類負載，就需要具備除了可以承載額定穩(wěn)態(tài)的工作電流之外，還有承受過載電流的能力。表1為某款繼電器的規(guī)格書的部分內(nèi)容，觸點的參數(shù)中就包括了抗沖擊電流的能力。在電動機負載的條件下，AgsnO2、AgsnO2、ln2O3都能達到較高的電壽命的要求，但是AgSnO2ln2O3有較高的接觸電阻，同時因為In材料比較貴，所以在電動機負載的條件下，推薦使用AgSnO2繼電器觸點材料。此數(shù)值是繼電器廠家根據(jù)負載的波形，用試驗的方法測試出來的能力，這與工作的頻次、環(huán)境溫度等均有關(guān)聯(lián)，在選型的時候，可以將負載波形、工作形式、應(yīng)用環(huán)境等因素與供應(yīng)商交流，選擇適合的繼電器。

?熔斷絲

熔斷絲是對電流比較敏感的元器件，有意設(shè)計在整條電氣回路的最薄弱的環(huán)節(jié)。當電氣回路的負載為燈負載或者電機類負載時，負載的工作電流存在一定的沖擊性，但是熔斷絲不能因為負載的固有沖擊特性而熔斷，因此，熔斷絲要具備一定的承受過載能力，而在短路的時候，又要保證在一定的時間內(nèi)熔斷，以保護導線不受損害。熔斷絲的時間一電流特性曲線代表了熔斷絲對過載的響應(yīng)程度。以力特熔斷絲手冊上的內(nèi)容為例，如圖1所示，對于30A的過載電流，MINI型額定電流為10A的熔斷絲在0.2s熔斷，而額定電流為15A的熔斷絲在0.7s熔斷。相同類型的熔斷絲，額定電流值越大，抗過載的能力越強。而不同類型的熔斷絲，相同的額定電流值，能夠承受過載的能力也不同。如圖2所示，同為30 A的熔斷絲，承受過載的能力MAXI比MINI的強。

?端子

端子是電氣回路連接的一個重要環(huán)節(jié)，端子規(guī)格書中一般會有降額曲線（用于描述端子載流能力與環(huán)境溫度的關(guān)系）以及溫升曲線（用于描述端子承載電流與發(fā)熱量的關(guān)系）。圖3和圖4分別為某廠家的6.3片寬的FASTON型的端子降額曲線和溫升曲線。壓接的是3 mm2導線，端子載流能力與環(huán)境溫度、壓接導線的線徑有關(guān)，端子會隨著溫度的提高，達到一定的限制后，載流能力明顯下降。這里需要注意的是，一般只有母端的端子才具備這種特性曲線，因為母端端子具備彈性的結(jié)構(gòu)，而彈性結(jié)構(gòu)的壓緊力受溫度的影響，接觸面積有所變化，所以載流能力也就隨之變化。負責信號傳遞或者轉(zhuǎn)接回路的端子不需要考慮過載的工況。與熔斷絲匹配的端子，在選型的時候，需要把回路承受過載能力的范圍一并考慮進去。比如10A的MINI熔斷絲，匹配2.8片寬的BOX型端子，在端子規(guī)格書中可查詢到最大承受電流為30 A，當回路通11A電流1h，或者通13.5 A電流和20 A電流直至熔斷絲熔斷的時候，端子符合要求。見圖3。

?匯流條

匯流條主要承載大電流，一般用于將正極電源進來的電流引到其它繼電器的30針腳以及分配常電的熔斷絲上。載流能力與環(huán)境溫度、溫升、厚度、寬度等參數(shù)有關(guān)，這里不詳細介紹。匯流條在設(shè)計的時候，根據(jù)汽車電氣接線盒兼容的負載進行計算設(shè)計，并預留一定的余量。見圖4。

?PCB

PCB是汽車電氣接線盒內(nèi)部承載電流的主要載體（如果是PCB式電氣接線盒），其長度對于載流能力的影響可忽略不計，而覆銅的厚度以及回路的寬度決定了承載的能力。銅箔厚度是一定的，一般情況下105μm或者140μm，所以寬度是決定承載能力的關(guān)鍵因素，但是PCB的面積受到限制，每條回路的寬度需要根據(jù)實際負載的額定電流來設(shè)計，但是還要具備承受一定的過載的能力。因此，過電流的測試對驗證回路的性能是非常關(guān)鍵的。如果是直插式電氣接線盒，那么回路的承載能力主要由端子和導線來決定。

電氣接線盒總成抗過載能力驗證

以PCB式電氣接線盒為例，分析過電流試驗的驗證工作。過電流試驗驗證的目的是電路中出現(xiàn)過載電流的時候，電氣接線盒的抗過載能力。但是由于回路中熔斷絲存在熔斷特性，所以只要驗證熔斷絲熔斷之前，電氣接線盒能夠保持完好即可，因此選擇帶熔斷絲的回路，其它信號轉(zhuǎn)接以及控制回路不做測試。

首先，將裝配好的電氣接線盒放在能顯示數(shù)值的專門做過電流的試驗臺上。對裝配好的電氣接線盒（含熔斷絲和繼電器）選擇測試的回路（每次只測試一條回路），長時間工作的回路必須測試，短時間工作的回路根據(jù)具體情況決定，不強制要求做。試驗后，不得出現(xiàn)對連接器、端子、電線、PCB等造成損壞，比如變形、變色、熔化等，電氣接線盒不應(yīng)該出現(xiàn)融化的現(xiàn)象。

按照熔斷絲的類型，主要有3種加載方式。

?片式熔斷絲

片式熔斷絲加載2倍電流直至熔斷、加載1.35倍電流直至熔斷、加載1.1倍電流60 min。這里的片式熔斷絲主要包括MINI、 MAXI、ATO等。表2為MINI熔斷絲時間一電流熔斷特性表。通1.1倍電流60 min，熔斷絲是不會熔斷的，這對回路承受低過載的能力提出了比較苛刻的要求，所以在回路設(shè)計的時候，要考慮與熔斷絲的匹配關(guān)系。如果在此期間出現(xiàn)了熔斷絲熔斷的情況，那么可以更換熔斷絲后繼續(xù)進行驗證。而當通1.35倍電流的時候，最長的熔斷時間為10 min，通2倍電流的時候，最長熔斷時間為5s。這里模擬的是當出現(xiàn)過載情況下，熔斷絲熔斷之前，電氣接線盒內(nèi)部回路的承載能力，見表2。

?箱式慢熔

箱式慢熔熔斷絲加載1.35倍電流直至熔斷、加載2倍電流直至熔斷。這里的慢熔熔斷絲主要包括JCASE等。以JCASE熔斷絲為例，額定電流范圍一般從20～60 A，電氣接線盒要保證在通1.35倍電流時，30 min之內(nèi)不會燒蝕；通2倍電流時，1 min之內(nèi)不會燒蝕，見表3。

?平板式慢熔

平板式慢熔熔斷絲加載2倍電流直至熔斷。平板式熔斷絲一般包括MIDI和MEGA兩類。主要用于較大電流的負載，額定電流值都在150 A以上，比如發(fā)電機、起動機等。MIDI和MEGA熔斷絲僅用于短路的保護，對低過載工況不敏感，不適用于低過載工況的保護，因此只做2倍電流的過載試驗。MIDI熔斷絲30～125 A范圍內(nèi)的熔斷特性與150～200A的熔斷特性有所差異，見表4。而MEGA熔斷絲40～250A范圍內(nèi)的熔斷特性與300～500 A范圍內(nèi)熔斷特性也有所差異，見表5。

電氣接線盒過電流試驗項目要求

關(guān)于電氣接線盒過電流試驗項目的要求，各大主機廠均有所不同。有的是針對熔斷絲類型的不同，細化出不同的加載方式。有的則是統(tǒng)一要求通1.35倍額定電流或者2倍額定電流，不區(qū)分熔斷絲類型，直至熔斷絲熔斷。這取決于對電路設(shè)計的目標制定，如果側(cè)重電路對于低過載的承受能力，PCB板的布線會占用更多的空間，或者增加銅條來增強回路的承載能力，這樣勢必造成電氣接線盒成本的上升以及設(shè)計難度的增加。

審核編輯：劉清