一种汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法与流程

1.本发明属于汽车电气设计领域，具体涉及一种汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法。


背景技术：

2.汽车电气系统设计中，用电设备的保险丝和导线的选型设计是关键，合理选型保险丝的种类和规格，以及导线的规格，可以在保证经济性和轻量化的同时，满足整车用电设备正常使用，以及确保在设备或线路出现短路或过载条件下，保险丝可以在规定时间内熔断，保护导线。如果保险丝，导线选型不当，则有可能导致保险丝在不该熔断时发生熔断，导致保险丝下相应设备功能失效，或者保险丝在应该熔断时不能及时熔断，导致线路发烟起火引起烧车的重大事故风险。例如保险丝规格与导线规格，导线长度不匹配，导致发生短路或过载，保险丝不能及时熔断保护线路，使导线发烟起火。又例如电机类负载保险丝规格选型未考虑堵转电流，或对有脉冲电流冲击负载保险丝选型未考虑脉冲电流热冲击对保险丝寿命影响，导致在电机堵转条件下或一定次数的脉冲电流热冲击后保险丝熔断，使相应设备功能失效。
3.现有的对整车用电设备的保险丝和导线的选型设计存在保险丝和导线匹配校验验算过程缺失，负载的工作特性考虑不完整，忽视环境温度补偿等情况，导致保险丝和导线的选型设计方案存在功能失效风险或保安防灾风险。
4.而且，汽车整车用电设备数量约一百多个，这些设备都需要进行保险丝和导线选型设计，工程师的设计工作量大，时间周期长，而且容易出错。
5.目前，保险丝和导线设计选型匹配验证是通过线束实物试验实现。通过试制线束样件以及电源分配盒，并准备相关试验设备(编程电源、编程电子负载、电流探枪、示波器、数据采集仪、蓄电池等)。通过对实物样件加载电流测试、验证短路、堵转、过载等条件，确认保险丝的熔断电流和熔断时间是否符合要求以及检查导线是否发生绝缘层融化、发烟等损坏，操作非常麻烦，验证效率低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种一种汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法，该方法使得保险丝与导线的选型变得简单，且保险丝与导线验证操作方便，验证效率高。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法，其包括如下步骤：
9.s1、输入汽车用电设备的相关工作参数；
10.s2、读取一个用电设备工作参数；
11.s3、进行该用电设备的负载电流、保险丝容量计算；
12.s4、根据s3中的负载电流、保险丝容量计算结果，及保险丝数据库；获得该用电设
备保险丝的初步类型和初步容量；
13.s5、如有堵转电流，进行堵转保护验证；
14.s6、如有脉冲冲击电流的负载，进行脉冲系数验证；
15.s7、根据s3-s6，确定该用电设备保险丝的最终类型和最终容量；
16.s8、根据环境温度选定该用电设备的导线耐温等级；确定该用电设备的导线的绝缘层规格；
17.s9、计算导线最佳负载电流；根据导线数据库，确定该用电设备的导体截面积规格；
18.s10、进行该用电设备导线长度验算；
19.s11、进行该用电设备导线过载电流验算，确定该用电设备导线的最终类型；
20.s12、进行该用电设备的短路电流仿真计算；得到的短路电流，调用查询保险丝数据库，确定保险丝的熔断时间；保存该用电设备的保险丝类型和容量，导线丝规格，和短路电流值和保险丝熔断时间；
21.s13、重复s2至s12，直至完成所有用电设备的保险丝和导线匹配设计及仿真验证；
22.s14、输出所有用电设备的保险丝的类型和容量，导线的类型，以及仿真验证结果。
23.按上述方案，所述汽车用电设备的相关工作参数为设备名称、设备标称电压un、额定功率p、系统电源额定电压ur、设备使用环境温度、导线长度、连接器电阻、用电设备负载类型；
24.所述用电设备负载类型包括有无堵转电流、有无堵转保护时间、有无脉冲电流。
25.按上述方案，输入汽车用电设备的相关工作参数方式为导入excel表格，该excel表格的后四列为结果输出，所述结果输出包括保险丝规格及容量、导线规格、短路电流、熔断时间。
26.按上述方案，用电设备的负载电流、熔断器环境温度修正系数、保险丝容量计算方法为：
27.用电设备负载电流计算，按用电设备类型区分:
28.1)对无堵转电流设备负载或有堵转电流但有堵转保护时间的设备负载：
29.负载电流计算公式：
[0030][0031]
2)对有堵转电流，且无堵转保护时间的设备负载：
[0032]
负载电流即是堵转电流，从输入中直接读取堵转电流值；
[0033]
保险丝容量计算：
[0034]
依据负载电流计算熔断器额定电流，分两类保险分别计算，优先mini类保险:
[0035][0036]
其中，mini熔断器环境温度修正系数＝1-[0.0015
×
(t-23)]
[0037]
式中，t为保险丝盒内最大环境温度；
[0038]
保险丝的规格，应是计算得到的熔断器额定电流向上取整；因mini类型保险最大
容量为30a；如计算得到的保险容量超过30a，则按jcase,midi保险计算:
[0039][0040]
其中，jcase,midi熔断器环境温度修正系数＝1-[0.0014
×
(t-23)]
[0041]
式中，t的值为保险丝盒内最大环境温度；
[0042]
保险丝的规格，应是计算得到的熔断器额定电流向上取整，jcase类型保险最大容量为60a,小于60a的选用jcase保险，大于60a的，选用midi保险。
[0043]
按上述方案，所述保险丝数据库包括汽车用保险丝种类、规格、应用电压、分断能力、常温内阻、公称融断热能值i2t、保险丝熔断时间-电流特性曲线、保险丝熔断时间；导线数据库包括截面积，常温下单位长度内阻，耐温等级，绝缘层厚度，导线发烟时间-电流特性曲线。
[0044]
按上述方案，s5中，如有堵转电流，进行堵转保护验证的步骤为：
[0045]
对有堵转电流，且有堵转保护时间的设备负载，做堵转保护验证，其余类型负载不做验证直接进入下一步；所述堵转保护验证方法如下:
[0046]
从设备输入参数中读取堵转电流和堵转保护时间，当堵转电流和堵转保护时间确认的点，在保险丝时间-电流特性曲线的下方，验证通过；否则，验证不通过，将保险丝向上升级一个规格，再次做验证，直至验证通过。
[0047]
按上述方案，s6中，如有脉冲冲击电流的负载，进行脉冲系数验证的步骤为：
[0048]
对有脉冲冲击电流的负载，应做脉冲系数验证，无脉冲冲击负载不做验证直接进入下一步；所述脉冲系数验证方法如下:
[0049]
脉冲能量i2t是脉冲电流平方对时间做积分，脉冲系数计算:
[0050][0051]
选型保险丝的公称热能值i2t；
[0052]
从用电设备输入参数中读取用电设备的脉冲击次数，保险丝的耐冲击次数大于等于用电设备的使用寿命次数；按照脉冲系数与耐冲击次数关系，保险丝的脉冲系数一般应满足≤0.3(系数＜0.3是10万次冲击的要求。这个系数不是固定的，只是一般情况下满足条件，对个别用电设备需满足100万次冲击(脉冲次数需求是输入参数)，则系数应＜0.22)；若脉冲系数验证不通过，则将保险丝向上升级一个规格，再次做脉冲系数验证，直至验证通过。
[0053]
按上述方案，计算导线最佳负载电流的步骤为：
[0054]
对mini保险：
[0055]
导线最佳负载电流＝保险丝额定电流
×
0.7；
[0056]
对jcase、midi保险：
[0057]
导线最佳负载电流＝保险丝额定电流
×
0.5；
[0058]
依据耐温等级和绝缘层型号，查询导线产品数据库中对应系列的导线额定电流表，确认导体截面积规格。
[0059]
按上述方案，导线长度验算方法为：见下表，在短路条件下，保险丝在规定的时间
内熔断，所以短路电流应大于下表规定的动作电流值
[0060]
保险丝类型熔断时间/s动作电流/amini快熔保险52倍保险额定容量jcase、midi慢熔保险35倍保险额定容量
[0061][0062]
环境温度系数补偿，计算工作环境温度下导线单位长度内阻：
[0063]
rt1＝r20{1 0.00393(t-20)}
[0064]
式中，rt1为环境温度下导线的单位长度内阻，t为用电设备输入参数中使用环境温度；r20为常温下导线的单位长度内阻；
[0065][0066]
导线允许长度应大于用电设备输入参数中的导线长度，否则将导线线径升一级，再次做导线长度验算，直至验算通过。
[0067]
按上述方案，进行该用电设备导线过载电流验算的步骤为：
[0068]
过载电流＝已选定保险丝容量
×
过载率
×
环境温度系数；
[0069][0070]
式中：
[0071]
其中，t为设备使用环境温度，tc为不同耐温等级导线的发烟温度；调用导线数据库中导线发烟时间-电流特性曲线，确认已选型导线通电过载电流，已选定保险丝熔断时间条件下，导线应未开始发烟；否则，将导线的耐温等级升一级或导线线径升一级再次验证过载电流；过载电流验算通过的导线规格即是选定的导线规格。
[0072]
各类型保险丝和容量的过载率和熔断时间见下表：
[0073][0074]
本发明产生的有益效果是：
[0075]
本发明只需要按要求输入汽车用电设备的相关工作参数，通过规范化的流程和方法，快速匹配计算出汽车用电设备的保险丝规格和导线规格，并同步做数据仿真验证和优化，最后直接输出用电设备的保险丝规格、导线规格以及仿真验算结果，非常简单，方便。
[0076]
只需完成用电设备的工作参数信息收集，整个用电设备的保险丝和导线选型设计过程是自动化的，可以快速准确的完成整车上百个用电设备的保险丝和导线选型设计，同步开展的仿真验算和优化，节省了工程师大量的验算过程花费的时间，极大的提高了设计效率和准确率。
[0077]
短路电流和保险丝熔断时间用数字仿真替代实物验证，节省了实物验证需要花费的人力物力代价，并缩短了设计方案试验验证周期。
[0078]
堵转保护验证，脉冲系数验证，导线长度验算，过载电流验算，短路电流计算，在设计过程同步开展的仿真验算和优化，可以有效保障保险丝和导线选型匹配设计的准确性和可靠性。
附图说明
[0079]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0080]
图1是汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法的流程示意图；
[0081]
图2是保险丝数据库中mini保险丝常温下熔断时间-电流特性曲线：
[0082]
图3是保险丝数据库中jcase保险丝常温下熔断时间-电流特性曲线：
[0083]
图4是保险丝数据库中midi保险丝常温下熔断时间-电流特性曲线：
[0084]
图5是堵转保护验证示意图。
具体实施方式
[0085]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0086]
如图1所示，本发明的实现包括建立保险丝和导线的产品数据库，设定规范的选型流程和算法，输入汽车用电设备相关工作参数，从数据库中快速匹配用电设备的保险丝和导线的规格，并同步做仿真验证和选型设计优化，计算得到短路电流，熔断时间等仿真结果。最后直接输出用电设备的保险丝种类规格和导线规格以及仿真计算的短路电流，熔断时间等。
[0087]
其中，保险丝和导线产品数据库建立为：
[0088]
1)保险丝产品规格数据库建库说明：保险丝的数据库应包括汽车用保险丝的通用种类和规格，产品特性应包括种类，规格，应用电压，分断能力，常温内阻，公称热能值i2t，保险丝熔断时间，保险丝熔断时间-电流特性曲线。
[0089]
数据库建库示意:
[0090][0091][0092]
2)导线产品规格数据库建库说明:导线数据库应包括车用导线的通用种类和规
格，产品特性应包括标称截面积，常温下单位长度内阻，耐温等级，绝缘层厚度，导线发烟时间-电流特性曲线。
[0093][0094][0095]
数据库中应包括上表中所有规格，此处仅做部分型号示意：
[0096]
t2级超薄壁导线额定电流表
[0097][0098]
参见图1，汽车用电设备保险丝与导线选型及仿真验证方法，包括如下步骤：
[0099]
步骤1，用电设备相关工作参数输入，该用电设备相关工作参数包括：
[0100]
设备名称；
[0101]
设备标称电压un，额定功率p；
[0102]
系统电源额定电压ur；
[0103]
设备使用环境温度，单位℃；
[0104]
导线长度，单位m；
[0105]
连接器电阻，应为回路中连接器端子总的压接和接触电阻之和，单位mω；
[0106]
用电设备负载类型：有无堵转电流，有则输入堵转电流，无则填无。对有堵转电流的设备，有无堵转保护时间，有则输入保护时间，无则填无；有无脉冲电流，有则输入脉冲能量i2t和脉冲冲击次数要求，无则填无。
[0107]
用电设备工作参数输入信息应按照要求规范填写输入，以导入excel表格的形式，可以一次性完成整车上百个用电设备的参数输入。规范表格填写示意如下表，标称电压列至脉冲能量列是输入，按用电设备工作实际参数填写，后四列是设计和仿真结果，输出时自动导出。
[0108][0109]
步骤2，读取一个(行)用电设备输入，用电设备负载电流计算，按用电设备类型区分:
[0110]
1)对无堵转电流设备负载或有堵转电流但有堵转保护时间的设备负载：
[0111]
负载电流计算公式：
[0112][0113]
2)对有堵转电流，且无堵转保护时间的设备负载：
[0114]
负载电流即是堵转电流，从输入中直接读取堵转电流值，堵转电流由用电设备提供。
[0115]
步骤3，保险丝容量计算：
[0116]
依据负载电流计算熔断器额定电流，分两类保险分别计算，优先mini类保险:
[0117][0118]
mini保险环境温度修正系数＝1-[0.0015
×
(t-23)]，
[0119]
t为保险丝盒内最大环境温度；
[0120]
保险丝的规格，应是计算得到的熔断器额定电流向上取整，例如计算得熔断器的额定电流值为11a，则应选定保险丝规格为15a；mini类型保险最大容量为30a；
[0121]
如计算得到的保险容量超过30a，则按jcase,midi保险计算:
[0122][0123]
jcase,midi保险环境温度修正系数＝1-[0.0014
×
(t-23)]
[0124]
t为保险丝盒内最大环境温度；
[0125]
保险丝的规格，应是计算得到的熔断器额定电流向上取整，例如计算得熔断器的额定电流值为32a，则应选定保险丝规格为40a。jcase类型保险最大容量为60a,小于60a的选用jcase保险，大于60a的，选用midi保险。
[0126]
步骤4，堵转保护验证
[0127]
对有堵转电流，且有堵转保护时间的设备负载，应做堵转保护验证，其余类型负载不做验证直接进入下一步。验证方法如下:
[0128]
参见5，从设备输入参数中读取堵转电流和堵转保护时间，当堵转电流和堵转保护时间确认的点，在保险丝时间-电流特性曲线(调用保险丝产品数据库)的下方，判断验证通过。否则，判断验证不通过，将保险丝向上升级一个规格，例如15a升级为20a，再次做验证，直至验证通过。
[0129]
步骤5，脉冲系数验证
[0130]
对有脉冲冲击电流的负载，应做脉冲系数验证，无脉冲冲击负载不做验证直接进入下一步。验证方法如下:
[0131]
脉冲能量i2t是脉冲电流平方对时间做积分，脉冲系数计算:
[0132][0133]
选型保险丝的公称热能值i2t，从保险丝产品数据库中调用，保险丝的脉冲系数与耐冲击次数关系：
[0134]
脉冲系数耐冲击次数
0.2210000000.31000000.432300.54000.6450.710
[0135]
从用电设备输入参数中读取用电设备的脉冲击次数，保险丝的耐冲击次数应大于等于用电设备的使用寿命次数，一般为10万次。按照脉冲系数与耐冲击次数关系，保险丝的脉冲系数一般应满足≤0.3。若脉冲系数验证不通过，则将保险丝向上升级一个规格，再次做脉冲系数验证，直至验证通过。
[0136]
步骤6，用电设备的保险丝规格选定，对无步骤4、5的设备负载，由步骤3得到的保险丝规格即是选定的规格。对有步骤4,5的设备负载，通过验证的保险丝规格即是选定的规格。
[0137]
步骤7，导线规格初选，包括耐温等级，绝缘层规格，导体截面积规格
[0138]
耐温等级选定，读取输入的环境温度，确认导线的耐温等级t1～t8，
[0139]
等级温度范围/℃t1-40～ 85t2-40～ 100t3-40～ 125t4-40～ 150t5-40～ 175t6-40～ 200t7-40～ 225t8-40～ 250
[0140]
绝缘层规格，对同一导体截面积，不同厚度绝缘层的导线，数据库中建立优先级，优先顺序依次为超薄壁，薄壁，厚壁，按优先等级选定绝缘层的型号；
[0141]
导体截面积选定，首先计算导线最佳负载电流
[0142]
对mini保险：
[0143]
导线最佳负载电流＝保险丝额定电流
×
0.7
[0144]
对jcase、midi保险：
[0145]
导线最佳负载电流＝保险丝额定电流
×
0.5
[0146]
依据前面已经确认的耐温等级和绝缘层型号，查询导线产品数据库中对应系列的导线额定电流表，确认导体截面积规格。
[0147]
步骤8，导线长度验算：在短路条件下，保险丝在规定的时间内熔断，所以短路电流应大于下表规定的动作电流值；
[0148]
保险丝类型熔断时间/s动作电流/amini快熔保险52倍保险额定容量jcase、midi慢熔保险35倍保险额定容量
[0149][0150]
计算工作环境温度下导线单位长度内阻：
[0151]
rt1＝r20{1 0.00393(t-20)}
[0152]
式中，rt1为环境温度下导线的单位长度内阻，t为用电设备输入参数中使用环境温度，
[0153]
r20为常温下导线的单位长度内阻，从产品数据库中调取；
[0154][0155]
导线允许长度应大于用电设备输入参数中的导线长度，否则将导线线径升一级，再次做导线长度验算，直至验算通过。
[0156]
步骤9，过载电流验算：
[0157]
在特定失效条件下，负载电流小于短路电流，但大于保险丝额定容量，保险丝熔断需要较长的时间；在过载电流条件下，保险丝熔断之前，导线不应过热发烟；各类型保险丝和容量的过载率和熔断时间见下表：
[0158][0159][0160]
过载电流验算方法：
[0161]
过载电流＝已选定保险丝容量
×
过载率
×
环境温度系数
[0162][0163]
式中：t为设备使用环境温度，从输入参数读取；tc为不同耐温等级导线的发烟温度，取值如下表：
[0164]
耐温等级t1t2t3t4t5t6t7t8tc150170190200225250275300
[0165]
调用导线数据库中导线发烟时间-电流特性曲线，确认已选型导线通电过载电流，持续已选定保险丝熔断时间条件下，导线应未开始发烟。否则，将导线的耐温等级升一级或导线线径升一级再次验证过载电流。过载电流验算通过的导线规格即是选定的导线规格。
[0166]
步骤10，短路电流仿真计算：
[0167][0168]
计算得到短路电流，调用查询保险丝数据库，确定保险丝的熔断时间；保存该用电设备的保险丝类型和容量，导线丝规格、短路电流值和保险丝熔断时间。
[0169]
步骤11，重复步骤2至步骤10，直至完成所有用电设备的保险丝和导线匹配设计及仿真验证
[0170]
步骤12，输出设计和仿真验证结果。
[0171]
工程师只需完成用电设备的工作参数信息收集，按步骤1要求规范输入用电设备工作参数。步骤2至步骤10用电设备的保险丝和导线选型设计过程是自动化的，应用规范的流程和方法，可以快速准确的完成整车上百个用电设备的保险丝和导线选型设计。节省了工程师大量的匹配验算过程花费的时间，提高了设计效率和准确率。
[0172]
步骤4堵转保护验证，步骤5脉冲系数验证，步骤8导线长度验算，步骤9过载电流验算，步骤10短路电流计算，在设计过程同步开展的仿真验算和优化，可以有效保障保险丝和导线选型匹配设计的准确性和可靠性。短路电流和保险丝熔断时间用数字仿真替代实物验证，节省了实物验证需要花费的人力物力代价，并缩短了设计方案试验验证周期。
[0173]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。