【摘 要】通過對當前的汽車電器盒常用元器件的發(fā)熱機理進行分析，簡要闡述熔斷絲和繼電器的溫升情況及差異，以避免過高的熱量產(chǎn)生導(dǎo)致系統(tǒng)組件的老化甚至失效，影響系統(tǒng)壽命和可靠性。

【關(guān)鍵詞】汽車電器盒;溫升;繼電器;熔斷絲

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0082-03

Analysis of Temperature Rise Difference Between Fuse and Relay in Automotive Electrical Box

【Abstract】This paper analyzes the heating mechanism of the commonly used components in automotive electrical boxes，briefly describes the temperature rise and differences of fuses and relays，in order to avoid excessive heat generation that leads to aging and even failure of system components，affecting system life and reliability.

【Key words】automotive electrical box;temperature rise;relay;fuse

1 汽車電器盒概述

當前，為實現(xiàn)車輛電源分配及回路保護，普遍會用到電器盒。電器盒從結(jié)構(gòu)上又分為直插式、PCB式、混合式等多種類型，其中直插式電器盒因其成本低、適應(yīng)性強等諸多特點在汽車行業(yè)應(yīng)用范圍非常廣，幾乎覆蓋了市場大多數(shù)類型車型，從發(fā)動機艙到駕駛艙均有布置使用。該類型電器盒采用端子壓接導(dǎo)線的方式，然后裝配至絕緣殼體，插入熔斷絲、繼電器等元器件，組合成完整的回路，實現(xiàn)電源分配和回路保護功能。

基于直插式電器盒的功能要求，各回路要承擔對應(yīng)的電流負載，不同的回路所承載的電流負載也大小不同，電流的通過勢必會引起熱量的產(chǎn)生，尤其是大電流造成的發(fā)熱更為明顯，造成能量浪費的同時，過高的熱量產(chǎn)生可能會導(dǎo)致系統(tǒng)組件的老化甚至失效，影響系統(tǒng)壽命和可靠性。本文主要針對接觸電阻引起的溫升做重點介紹。

2 試驗對象選擇及測試方法

在傳統(tǒng)直插式電器盒的整個回路中，最為常見的元器件包括熔斷絲和繼電器。本文以插入式快熔熔斷絲和多觸點端子作為分析對象進行溫升測試。

2.1 熔斷絲溫升測試

常溫靜止狀態(tài)下的熔斷絲溫升測試如圖1所示。測試前，按照標準確認壓接壓降符合要求，采集10組數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做統(tǒng)計處理，繪制出溫升曲線（圖2）。經(jīng)過反向?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)繪制出的曲線與實測數(shù)據(jù)（表1）基本吻合，證明常規(guī)的數(shù)據(jù)處理是可行的。

2.2 繼電器組合的溫升測試

測量繼電器組合（2.5mm2導(dǎo)線+40AHFV15繼電器）的溫升情況。同樣的試驗條件下，圖3是插入式繼電器靜止狀態(tài)下的溫升測試。試驗前先使繼電器吸合，由于繼電器線圈也是發(fā)熱源，所以在負載端通過電流前，先持續(xù)一段時間至溫升穩(wěn)定，然后通入電流。表2為不同電流情況下的實測溫升數(shù)據(jù)，根據(jù)該實測數(shù)據(jù)繪制溫升曲線（圖4），但此時經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，繪制出的曲線與實測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏離，未能體現(xiàn)出在不同電流下相對應(yīng)的溫升值，比如15A情況下實測溫升值約為27℃，而溫升曲線所顯示的值約為70℃，這明顯是不合理的。

3 差異原因分析

從上文可以看出，作為汽車電器盒最為常用的元器件，熔斷絲和繼電器在溫升及曲線的繪制方面有著很大不同，根據(jù)熔斷絲的實測數(shù)據(jù)擬合的曲線，能夠較為線性、真實地表達不同電流下的溫升值，而根據(jù)繼電器實測數(shù)據(jù)直接擬合的曲線，卻與實際出現(xiàn)了嚴重偏差，所以造成這種差異的原因需要進一步分析。

電路發(fā)熱的原理實際很簡單，溫升是發(fā)熱的一種很直觀的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，那么在分析繪制熔斷絲和繼電器溫升曲線時所出現(xiàn)的差異時，重點無疑就要放在熱量的產(chǎn)生源上。先查看熔斷絲發(fā)熱的源頭，毋庸置疑，從整個回路上來評價，產(chǎn)生熱量的原因主要有端子自身的電阻、端子與導(dǎo)線壓接產(chǎn)生的電阻、熔斷絲自身的內(nèi)阻、熔斷絲與端子的接觸電阻。再查看繼電器發(fā)熱的源頭，包括端子的電阻、端子與導(dǎo)線壓接產(chǎn)生的電阻、繼電器觸點吸合時的內(nèi)阻、繼電器引腳與端子的接觸電阻和線圈阻抗產(chǎn)生的熱量。前4個因素與熔斷絲的發(fā)熱原理都是一樣的，此時需注意繼電器與熔斷絲還有一個區(qū)別，即線圈的發(fā)熱。這部分的熱量并不來自于回路電流，而來自于為了維持繼電器吸合的另外一個獨立的回路，所以把焦點放到線圈熱量對整個回路系統(tǒng)的影響上。前文提到，在繼電器的溫升測試開始前，先給線圈通電，吸合觸點，此時觸點不通過電流，觀察線圈的溫度大概在20℃左右。對于是不是這20℃的溫度影響到了后續(xù)的曲線擬合和繪制，嘗試對溫升數(shù)據(jù)進行處理，在擬合前將溫升值減去先前測得的線圈溫度，這個減法的修正可能是不嚴謹?shù)模俣ň€圈的溫升穩(wěn)定后受其他因素的影響較小，數(shù)據(jù)處理后擬合的曲線（圖5）與實測數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)基本吻合。同時也可以看到，溫升值起點從20℃開始，實際表示的是繼電器線圈溫度。

4 其他組別的繼電器溫升驗證

為了進一步論證繼電器溫升值修正的可行性，進行了其他組別的繼電器（3.0mm2導(dǎo)線+40AHFV15繼電器）溫升驗證。圖6是修正前的溫升曲線，圖7是修正后的溫升曲線，修正后的曲線與實測值接近，基本說明折減線圈溫度的修正方法在繼電器溫升曲線繪制時是可行的。

熔斷絲作為熱響應(yīng)元件，其工作原理就是靠自身阻抗引起熱量的集聚繼而融化熔絲，達到保護回路的作用，可以視其為一個電阻、一段導(dǎo)線等，根據(jù)焦耳定律可以較為容易進行計算，溫升曲線也可以直接繪制。而對于繼電器，其觸點簡化為電阻來計算，但周邊線圈的發(fā)熱量對觸點周圍的溫度產(chǎn)生了干擾，在擬合溫升曲線時，需要將這部分干擾因子予以排除，修正溫升曲線，最終才能獲得切合實際的圖形。

5 綜合散熱系數(shù)

嘗試能否從一組試驗數(shù)據(jù)中得出該類元器件相關(guān)回路系統(tǒng)中的綜合散熱系數(shù)，繼而可以快速計算其他規(guī)格熔斷絲和繼電器的溫升值。因為不同規(guī)格繼電器的外形不同，散熱面積也不同，所以在此不對繼電器做分析。而熔斷絲除了內(nèi)部熔絲部位有差異外，其外形是一致的，視為散熱面積相同（忽略因顏色差異對熱輻射的影響）。

眾所周知，溫升值的大小取決于系統(tǒng)的發(fā)熱量大小和散熱條件，發(fā)熱量較為容易計算，無外乎降低電流和減小系統(tǒng)電阻，而散熱的計算較為復(fù)雜，因為系統(tǒng)的散熱方式是zyJjrDzheyr5IMu+l8a3lbJKBftEISNBqjtClMxYnO0=多樣的，包括輻射散熱、傳導(dǎo)散熱和對流散熱等，涉及綜合散熱系數(shù)，將復(fù)雜的散熱方式統(tǒng)一為一個系數(shù)值來替代，即牛頓散熱公式：

P = Kt Aτ

式中：P——散熱功率=I2R;Kt——綜合散熱系數(shù);A——散熱面積;τ——溫升值。

使用牛頓散熱公式來確認不同規(guī)格熔斷絲的綜合散熱系數(shù)是否為定值，如果是定值，計算其他類型熔斷絲的溫升值時將會簡便很多。

表4是兩種熔斷絲的實際溫升值情況。假定抽取同樣的表面作為散熱面積A，R=R1（熔斷絲電阻）+R2（熔斷絲與端子的接觸電阻）+R3（壓接電阻），其中，兩種熔斷絲的引腳以及端子相配合的結(jié)構(gòu)相同，所以兩種熔斷回路對應(yīng)的R2相等。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，雖然散熱面積相同，但是計算出來的綜合散熱系統(tǒng)Kt并不相同，三種散熱方式、兩種熔斷絲和導(dǎo)線組合在對流和熱輻射方面的散熱差異并不大，而熱傳導(dǎo)受導(dǎo)體傳熱面積的影響，不同規(guī)格的導(dǎo)線匹配不同規(guī)格的熔斷絲的綜合散熱情況是不同的。除了散熱面積外，更大規(guī)格的導(dǎo)線通過熱傳導(dǎo)的方式對溫升的降低產(chǎn)生了明顯影響，雖然散熱面積一樣，但綜合散熱系數(shù)不同。

6 總結(jié)

以上是本文對直插式汽車電器盒熔斷絲及繼電器溫升差異的簡要對比和分析?？梢钥闯鋈蹟嘟z作為熱響應(yīng)元件，通過內(nèi)阻的發(fā)熱來實現(xiàn)回路保護，其溫升值可以直觀進行采集，并且可以便捷地繪制出溫升曲線。而繼電器除了觸電內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量外，線圈的溫度對其產(chǎn)生了干擾和影響，在分析數(shù)據(jù)時要進行處理。同時，在繼電器選型和在電器盒內(nèi)排布時，要充分考慮線圈熱量對周邊器件的溫度影響，進行合理布置，避免造成局部區(qū)域溫度過高，必要時設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)。

另一方面，從分析的過程和牛頓散熱公式也能看出在整個回路電流不變的情況下，溫升的影響因素：一是阻抗，要想辦法降低阻值，比如選用低阻值的材料，減小接觸電阻，增加導(dǎo)體面積等;二是改善散熱條件，比如提高線徑，增加導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)能力，設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)，增加散熱面積等。從公式中可以看出，綜合散熱系數(shù)Kt、阻抗R、散熱面積A的輕微變化就可以引起回路溫升值的較大變化，所以在進行回路設(shè)計時，要綜合考慮以上參數(shù)的設(shè)置，才能保證在合理的成本下將溫升值控制在要求的范圍內(nèi)。

參考文獻：

[1] 夏天偉，丁道明. 電器學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.