汽車用鋁導(dǎo)體電線的電流容量計算方法

2020-06-29 06:07:48周錄堯李海林

汽車電器 2020年6期

周錄堯，郭紅，李海林

（一汽解放商用車開發(fā)院，吉林長春 130011）

最新的汽車電線國際標準ISO 19642-2019其中兩部分：ISO 19642-3-2019《道路車輛汽車電纜第3部分：交流30V或直流60V單芯銅導(dǎo)體電纜的尺寸和要求》，ISO 19642-4-2019《道路車輛汽車電纜第4部分：交流30V或直流60V單芯鋁導(dǎo)體電纜的尺寸和要求》，給出了電線的尺寸和試驗方法，但沒有給出電線的電流容量計算數(shù)值。不同標準的電線尺寸不同，但結(jié)構(gòu)類似，其電流容量的計算方法是通用的。本文采用日標JASO D609的額定電流和發(fā)煙時極限過電流的計算方法，用EXCEL給出了ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線和ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線的電流容量計算數(shù)值，并比較了銅導(dǎo)體電線和鋁導(dǎo)體電線的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)，為用鋁導(dǎo)體電線替代銅導(dǎo)體電線以降重、降成本提供對比數(shù)據(jù)，也為汽車電線與熔斷器的選型匹配提供數(shù)據(jù)支持。汽車電線載流量的試驗測定方法可參見《VW 60306-3-2011汽車電線載流量的測定》。

汽車電線的電流容量為電線的額定電流、電線發(fā)煙時的極限過電流和乘以因成束額定電流的降低系數(shù)的電流值的總稱。引用日標JASO D609-2012《汽車低壓電線的電流容量》的計算公式見下文。

1 電線的額定電流

額定電流：在電線回路設(shè)計時，考慮由于溫度造成的電線絕緣的老化，從壽命的角度考慮，為防止使用的不安全，允許通過的限定電流值。并且，這個值除了基于電線的絕緣材料、周圍的環(huán)境溫度之外，也應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的通電時間。

導(dǎo)體電流產(chǎn)熱和絕緣體散熱的穩(wěn)態(tài)方程見公式（1）。

1）熱量守恒

式中：IP——電線的額定電流，A；rT1——T1下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm；T1——電線導(dǎo)體的額定溫度，℃；T2——環(huán)境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；t——時間，s。

由公式（6），可知當t=5τ，1-e-5=99.33%，可認為熱量產(chǎn)生和釋放達到平衡。并且，在T1下的導(dǎo)體電阻rT1按公式（2）折算。

2）鋁導(dǎo)體電阻折算

注：0.00403是在20℃時，100%導(dǎo)電率下鋁的溫度系數(shù)。0.00393是在20℃時，100%導(dǎo)電率下銅的溫度系數(shù)。對于鍍層電線或合金，修正系數(shù)應(yīng)由供需雙方協(xié)商確定。

3）熱阻R

式中：R1——絕緣體的熱阻，℃·cm／W；R2——表面輻射熱阻，℃·cm／W。

4）絕緣體的熱阻R1

式中：P1——絕緣的固有熱阻，℃·cm／W，聚氯乙烯混合物和交聯(lián)聚氯乙烯混合物是600℃·cm ／W，交聯(lián)聚乙烯混合物是450℃·cm／W，無鹵混合物是450℃·cm／W；d1——導(dǎo)體直徑，mm；d2——成品電線外徑，mm。

5）表面輻射熱阻R2

式中：P2——固有表面輻射熱阻，℃·cm2／W；當d2≤12.5mm時，P2=300+32d2；當d2＞12.5mm時，P2=700。

電線在額定電流下的電壓降計算公式如下：

式中：E——電線的電壓降，mV／m；IP——電線的額定電流，A；rT1——T1溫度下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm，按公式（2）。

2 電線發(fā)煙時的極限過電流

極限過電流：由于外部特殊原因，電線短時間通過的電流超過容許電流時，規(guī)定的和通電時間對應(yīng)的極限電流值。

導(dǎo)體電流產(chǎn)熱和絕緣體散熱的暫態(tài)方程見公式（6）。

2.1 極限過電流

式中，IO——電線的極限過電流，A；rT3——T3℃下的導(dǎo)體電阻，Ω／cm；T3——電線導(dǎo)體的極限溫度，℃，此溫度下電線的絕緣開始發(fā)煙變形；T2——環(huán)境溫度，℃；R——熱阻，℃·cm／W；α——熱時間常數(shù)τ的倒數(shù)；t——時間，s。

在T3℃下的鋁導(dǎo)體電阻rT3按公式（7）進行電阻折算：

B級PVC電線的性質(zhì)見表1。

表1 B級PVC電線性質(zhì)

B級PVC電線的額定溫度為100℃，實驗可達105℃，考慮安全余量在下文計算額定電流時取額定溫度100℃。B級PVC電線的發(fā)煙變形溫度為165℃，在計算發(fā)煙極限過電流時取熱過載溫度155℃，因為若取165℃計算發(fā)煙極限過電流時電線已損壞失效。

2.2 熱阻R見公式（3）

絕緣的熱阻R1見公式（4），表面輻射熱阻R2見公式（5）。

2.3 熱時間常數(shù)τ和熱容C按公式（8）和公式（9）折算

式中：W1——導(dǎo)體的質(zhì)量，g／cm，銅的密度為8.89g／cm3，鋁的密度為2.7g／cm3；W2——絕緣的質(zhì)量，g／cm，聚氯乙烯的密度按1.35g／cm3；H1——導(dǎo)體材料的熱容系數(shù)，J／℃·g；H2——絕緣材料的熱容系數(shù)，J／℃·g。

注：導(dǎo)體的質(zhì)量和絕緣的質(zhì)量可根據(jù)測定值。

各構(gòu)成材料的熱容系數(shù)見表2。

表2 各構(gòu)成材料的熱容系數(shù)

熱時間常數(shù)τ的倒數(shù)α按公式（10）折算：

3 由于電線成束額定電流的降低系數(shù)

多根電線成束狀態(tài)時，額定電流應(yīng)乘以表3所示的降低系數(shù)。但是這個降低系數(shù)和同時通電的電線根數(shù)有關(guān)，和整個線束的電線根數(shù)沒有關(guān)系。并且不包含如控制回路、電子回路等不產(chǎn)生溫度上升的小電流電線。

表3 由于電線成束額定電流的降低系數(shù)

4 電線的電流容量計算結(jié)果

銅導(dǎo)體電線和鋁導(dǎo)體電線電流容量的中間計算參數(shù)數(shù)值部分摘錄見表4。

表4 銅導(dǎo)體電線和鋁導(dǎo)體電線電流容量的中間計算參數(shù)數(shù)值

ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線的額定電流見表5。ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線的額定電流見表6和圖1，鋁導(dǎo)體電線發(fā)煙時間和極限過電流見表7和圖2。

5 銅導(dǎo)體電線和鋁導(dǎo)體電線對比

將ISO 19642-3-2019銅導(dǎo)體電線和ISO 19642-4-2019鋁導(dǎo)體電線的結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)摘錄，見表8、表9、表10。

舉例1：對于銅導(dǎo)體0.75mm2電線，可用鋁導(dǎo)體1.0mm2或1.25mm2電線替代，見表11。由于細電線用量很大，一般成束布置，在用鋁導(dǎo)體電線替代銅導(dǎo)體電線時，需注意因成束直徑變大帶來的影響。

舉例2：對于載重汽車起動機工作的電流回路，一般選用50mm2銅導(dǎo)體電線，起動回路電阻要求不大于4mΩ，為保證回路電阻或者滿足額定電流，一般布置空間充裕，應(yīng)用鋁導(dǎo)體電線外徑變大不是限制因素，可采用70mm2或85mm2鋁導(dǎo)體電線替代50mm2銅導(dǎo)體電線，降重降成本顯著，見表12。