车载低压导线的设计探讨

来源：•作者：线束世界-Jimmy•2021-05-07 10:11

随着现代汽车电子化和信息化程度的不断提高，每辆汽车上所用的导线总长度和质量也是急剧上升，一方面为了缓解汽车内走线空间的紧张，另一方面为了减少废气排放降低燃油消耗以及控制成本等方面的考虑，车载导线将朝着细线径、薄壁、超薄壁的方向发展。车载线束是汽车的经脉，用来传递各种控制信号和驱动各个组织正常运行。一旦车载导线的选型和设计不合理，轻则导致线路中的电流保护装置熔断器熔断，重则导致整车回路的过载和过热而发生损坏，引起明火烧毁车辆。总之在进行车载导线设计时，除了必须保障整车电气功能的实现和可靠性，还需考虑成本、布置、维修等关键因素。

1 选型要点

首先需要OEM确定选用的线材是采用日标线（JIS）、美标线（SAEJ）、德标线（DIN）还是国标线（GB），然后根据导线的工作环境、负载功率、拓扑走向等整车要求，选择和计算出导线的工作温度、额定电流、载流量、线径等导线参数和熔断器规格,对照已执行的标准体系，进行设计，最后得出方案，再经过试验和测试来验证设计方案是否满足整车需求。

1.1 导线系列的选择

1)确定导线执行标准，对于遵循不同标准生产的导线，其标称截面、绝缘厚度和材料、最大外径、性能要求等都有所差异。当前汽车产业中使用的车载导线标准有ISO、 SAE、 JIS、 DIN、 GB等,我国常用的导线系列有国标线（QVR）、德标线（FLRY）、日标线（AVS）、美标线（SXL）等几大系列。

2)利用环境温度选择导线的耐温等级类型，根据车内走线和周围环境的差异，选择合适耐温等级的导线，例如变速器线束或者距离变速器走线比较近的线束，一般要选用耐高温、耐腐蚀的导线;发动机周围的环境温度比较高，震动强烈，并充满腐蚀气体和液体，所以要选用耐高温、耐腐蚀、耐摩擦的导线；由于汽车尾气排放管的温度很高，如果无法避免经过该处的布线，应该采用耐温等级高的导线，如选用AEX类型的导线，必要时采用硅胶护管进行防护（图1 所示为某发动机舱内一段导线); 车内一般环境中的走线，就可以直接选择AVS 或者AV型导线。表1为不同耐温等级的导线列表。

图 1 使用护套防护耐高温导线

3）根据导线传递的信号类型选择导线种类，在强电磁干扰源附近的传感器走线，微弱信号量的传输走线都需采用屏蔽导线，差分信号可使用双绞线甚至屏蔽双绞线进行走线，如CAN总线信号就是使用非屏蔽双绞线进行传输。

注：额定温升就是导线在规定的环境温度下，通上额定电流保持长时间工作，导体的绝缘温度最高可以达到数值。一般要确保设计寿命至少达到 10 年

1.2 导线线径的选择

线径的选择主要需考虑负荷大小、回路的电压降以及导线的机械强度等。导线的截面如图2所示，其中D为线体直径，d为导体直径，t为导线绝缘厚度。

每种系列的导线线径D和导体线径d都是对应相关，如表2所示。

1) 由负载功率大小可初步计算得到导线导体的负载电流Io，如式（1）所示。

（1）

式中：Po——负载的额定功率，W；Uo——系统的标称电压，乘用车多为12 V系统，商用车多为24V系统；UA——12V系统UA=14 V，24 V系统UA=28 V。

根据负载功率的大小计算出的负载电流Io，对于长时间工作的负载可选择流通电流I=1.6×Io，短时间工作的负载可选择流通电流I=（1.0~1.35）×Io。

2)根据热量传递关系，可建立导线的热阻模型，为了计算方便起见，假设导线导体和绝缘之间不存在空气间隙。如式（2）。

Tcmax=Tj-Pr×Rjc (2)

式中：Tj—导线能够承受的最高工作温度，由于金属的熔点很高（铜的熔点高于1000℃），所以此处主要考虑到导线绝缘层的软化温度，由导线绝缘材料的粘流态温度（粘流态温度也叫软化温度，是高分子聚合物由高弹态转变为粘流态且不可逆行变的温度）决定，℃；Tcmax—导线工作条件下能够承受的最高环境温度，℃；Pr — 单位长度导线导体产生的热功率，W／m；Rjc——导体至绝缘层的单位长度热阻，仅和绝缘材料及形状等因素有关，导线的类型选定之后， Rjc就可以确定，一般需要生产导线的厂家提供， ℃ ／ W ／ m。

3)单位长度导体产生的热功率，由焦耳定律式（3）所示。

PR=I2*rt （3）

式中：I—流通电流，A；rt —导体在t℃下的单位电阻， Ω ／ m。

4)导线导体的电阻和温度存在式（4）的关系。

rt=r20［1+0.00393（t-20）］（4）

式中：r20—导体在20℃下的单位电阻，Ω／m。

所以由式（1）（2）（3）（4）就可以简单计算出导体在20℃时的单位直流电阻r20，再根据导线的技术参数在20 ℃时最大的单位直流电阻和计算出的r20进行比较，选择出合适的导体截面，确定出导线标称截面。但还需考虑导线的机械强度及负载的允许电压降，为了保证导线寿命和可靠性，底盘上导线的标称截面要求不低于0.5mm2，灯光系统的允许电压降不超过2 V。

1.3 插接件的选择

根据导线的标称截面积和通过电流I0的大小合理选择插接件的类型，对于要求较高和行车安全相关的系统或配件，其插接件上的端子可以选用镀金件来保证安全和可靠。还需要考虑插接件的接触电阻，保证插接后良好的接触。不同工作环境下应选择适当的防水、防尘、防振及防腐蚀等防护等级功能的插接件，如变速器舱内，温度、湿度偏大且存在着很多腐蚀性气体和液体环境，应选择防水密封性好的插接件。为了避免装配过程中的插接错误，在同一条线束或者部件上应进行防止插接错误设计，必要时各个插接件可以用颜色进行区分，提高装配效率。

1.4 熔断器的匹配

根据负载电流和工作环境温度确定熔断器的额

（5）

（6）

式中：If—熔断器的额定电流，A；t—熔断器工作的环境温度，℃；负载特性系数，选择0.7~0.75（螺栓固定式熔断器等额定电流较大的选择0.5）；负载峰值电流系数，如果峰值电流时间小于0.3s，选择系数为1，如果峰值电流时间大于等于0.3s，选择系数为0.7；刃型熔断器（图3）u选择0.15%／℃，螺栓固定式熔断器（图4）u选择0.18%／℃，熔断器的额定电流是在环境温度23℃下设定的

熔断器的选择还需考虑导线长度，导线的短路电流应大于熔断器在其工作温度下额定电流的200%（慢熔断器为500%）。所以要求熔断器匹配的导线电阻应小于等于熔断器容许的电阻。如果设计不满足式（7），就需要修改设计，要么重新布线减短导线长度L线，或者加粗导线的标称截面积。

式中：r线—与熔断器匹配导线的容许电阻值，Ω；L线—与熔断器匹配导线的长度，m。

2 试验测试

2.1短路测试

短路指车载导线未经过任何用电器或者负载直接搭铁接通所形成的闭合回路。短路引起的导线失效一般是因为流经导线导体的电流超大，瞬间产生大量焦耳热，导致导线温度变得异常高，甚至接近1000℃，而引发绝缘层起火的过程。导线导体为金属铜所做，而铜的熔点在1000℃以上，但导线绝缘层一般为聚氯乙烯树脂或者塑料等有机高聚物，其粘流态温度一般为300℃左右。所以线路在短路瞬间，金属导体一般不会有明显变化，而导线绝缘层会被这瞬间的高温所融化或者点燃冒白烟。

所以短路对于车辆是致命的，进行必要的短路测试是OEM制造商的责任。模拟支路短接到车架测试，支路之间的短路测试，负载内部短路测试，以及间歇性支路短路到车架测试等，短路测试需重点监测熔断器的熔断时间和导线绝缘层的温升。线束短路过载测试台架见图5

图 5 线束短路过载测试台架

2.2 过载测试

过载指在工作环境中流经车载导线的电流过大产生大量焦耳热，再热传递给导线绝缘层引起绝缘层的温度上升并超过了导线绝缘层的粘流态温度极限的过程。过载后一般情况下熔断器是不会马上熔断的，在熔断器熔断之前的这段时间里导线绝缘层的温升就很重要，温升过高导线绝缘层就会软化、热老化，从而影响导线寿命甚至引发火灾。进行如单路过载测试、多路过载测试、间歇性过载测试以及高温过载测试等（图5），是为了验证整车线束可能出现的过载情况下导线绝缘层的温升是否在设计的范围内。

以上短路和过载测试的目的是验证新车型线束匹配设计是否合理、可靠和满足整车需要，为预防和减少由车载线束设计不合理而引起的烧车事故。

3 结束语

在汽车轻量化设计的今天，车载线束轻量化也是关注的一个方向，但是保证汽车线路安全可靠更是有社会责任心企业不可推脱的责任。通过以上车载低压导线选型设计来完成新车型的线束开发，可以有效减少汽车线束短路和过载现象,避免由车载线束设计不合理而引起的汽车烧车等不安全事故的发生。