CPT实验在汽车电器保护中的应用

程 谦

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

测试试验

CPT实验在汽车电器保护中的应用

程 谦

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着科学技术的发展，汽车上搭载的电气设备与系统越来越多。整车环境下，电气设备在工作过程中会受到其他设备的干扰，自身也会产生堵转、冲击等。因此，汽车电器系统的保护措施的选取就变得尤为重要。通过CPT（Circuit Protection Test）实验，可以对负载的工作电流、电压进行实时的测量，可以较好的验证汽车电气线路的保护措施是否得当。同时根据测试结果所做的优化能够避免一些电器保护措施的设计缺陷，从而消除隐患。文章首先对CPT实验的测试类型及对应的方法进行了介绍，并阐述了该实验在实际设计过程中的应用；其后结合实际的测试案列，分析了CPT实验结果对电路保护措施合理性的验证、检验。同时，结合测试案列分析了CPT实验结果在帮助优化和改进电路保护措施中的作用。

线路保护实验；负载特性；验证；消除隐患；优化

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.048

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-150-05

引言

随着社会的发展，人们对汽车的舒适性和安全性提出了更高的要求，而为满足这些要求，汽车电气系统变得越来越庞杂。然而汽车起火自然事件时有发生，据不完全统计，其中30%的车辆自燃是由汽车电路引发的。要保证汽车电气系统在汽车的生命周期中能够正常的发挥效用且安全可靠，电气线路的保护措施显得尤为重要。

汽车电器系统主要由电源、电路和电器件组成，为保证汽车电器系统的正常工作，在电路中需要增加电路保护措施和保护器件，其中，一类重要的电路保护器件是保险丝。为有效地保护电路，保险丝容量的选择，电路导线与保险丝的匹配必须合理。目前，汽车电器系统保险丝的容量、导线与保险丝的匹配在汽车产品研发的前期就已经基本确定，其确定方法一般是根据经验值或对标开发。而在实车情况下，某些电器零件的电气特性会发生变化，导致前期设计存在缺陷，如何及时、有效的发现这些缺陷，是摆在电器系统设计人员面前的一个重要问题。

通过CPT（Circuit Protection Test）实验，在实车情况下对电路的实际工作电流、电压进行测试，能直观的判断保险丝容量是合适，导线的线径与保险丝的匹配关系是否合理。乘用车研究院电气系统部目前已经对多款乘用车产品进行了比较全面的CPT测试。实验结果不但用以验证乘用车产品电路保护器件的选型是否合理，还获得了车载电器的比较详细的负载特性，为后续的设计积累了数据和经验。

本文将结合一些乘用车产品的CPT实验数据来谈谈该实验在汽车电器保护中的应用。

1、CPT实验在汽车电器保护中的应用

1.1 CPT实验测试方法及原理

CPT主要是运用示波器和电流、电压探头对电器的工作电流值、电压值进行实时监测。因此，可以用于对单个负载的特性、多个负载的总的特性进行测试，也可以测试电气线路在极端情况下的情况。下面将对CPT实验的几种典型的测试方法及原理进行阐述。

1.1.1 单负载测试

单负载测试指对具有单独电路保护器的单一负载或者某一电路保护器下的一个负载的特性进行测试。主要测量负载在开始工作的瞬间、持续稳定工作情况下的电流、电压数据。可以验证保护措施和对独立的负载的工作特性进行归档，为以后的设计提供电器件工作的电流和电压值等数据。

⑴负载所在回路的电压降是否在限定范围，负载是否工作在正常电压下；

⑵验证负载回路导线的线径的选择是否合理；

⑶验证电路保护器（主要指保险）的选用是否合理。

在给定的电压值条件下（为模拟整车正常运行时的电压，这个值一般设定为14.5V（±0.2V）），将一个直流稳压电源与蓄电池并联，用示波器、电流电压探头对要测试的负载回路的电压、电流进行测试，获得实时、连续和动态的波形。测试原理简图如图1所示：

1.1.2 全负载测试

全负载测试是指针对下挂负载在两个或两个以上的电路保护器的负载特性进行测试。通常的做法是做一个外接装置，该装置包含一个开关和将要测试的电路保护器（本文指保险丝）的插座，外接装置与需要进行测试的保险丝并联，测试时取下将要测试的保险丝，将其装在外接装置的保险丝插座上，此时，外接装置替代需要测试的保险丝串接在测试回路中。主要测量保险丝下挂负载同时开始工作时的瞬间和稳定工作状况下的电流、电压值数据。可以验证保护措施和对某一保险丝下所有的负载的运行特性进行归档，为以后的设计提供电流、电压值数据：

⑴确定电路保护器的容量是否合适；

⑵为继电器和开关的选用提供依据；

⑶为后续的设计和改进提供实验数据。

在给定的电压值条件下（为模拟整车正常运行时的电压，这个值一般设定为14.5V（±0.2V）），将一个直流稳压电源与蓄电池并联。用外接装置取代需要测试的保险丝，串接在测试回路中。测试时先合上保护器下所挂的所有负载各自的开关，再合上外接装置的开关，用示波器，电流、电压探头对要测试的回路的电压、电流值进行测试，获得测试波形。测试原理简图如图2所示：

1.1.3 短路测试

短路测试测试回路的确定需要分两类情况进行考虑。

保险丝下挂单负载回路：

测试方法是做一个外接装置，该装置包含一个开关和将要测试的负载的保险，并将外接装置串接在测试回路中。主要测量负载短路时回路的电流、电压、短路时间等数据。

保险丝下挂两个或两个以上负载回路：

在汽车的电源系统中，多数保险丝下方都有两个或两个以上的负载回路。而电气系统设计过程中，保险丝和导线的匹配必须做到可以保护每一条回路。因此，在进行短路测试时只需要对测试保险下方短路电流最小的回路进行测试。根据欧姆定律，在电压相等的情况下，电阻越大，电流越小。所以，短路测试应选择回路电阻最大的进行测试，而回路电阻主要由导线电阻组成。根据电阻率的计算公式：

其中，ρ为导体的电阻率，R为导体电阻，S为导体截面积，L为导体长度。可以得出导体电阻计算公式：

由公式2-2可知，导体电阻与导体长度成正比，与导体截面积成反比。所以，在单个保险丝下挂多个负载回路情况下，应该选择回路导线长度最长，导线截面积最小的回路进行测试，此时回路电阻最大，短路电流最小。测试方法是做一个外接装置，该装置包含一个开关和将要测试的保险丝，并将外接装置串接在测试回路中。主要测量负载短路时回路的电流、电压、短路时间等数据。

短路测试可以验证保护措施和为后续的设计提供以下数据和信息：

⑴确定电路保护器与导线的匹配是否合适；

⑵观察和记录测试回路上导线、继电器、开关盒保护器的损坏情况以分析保护措施的合理性；

⑶为后续的设计和改进提供实验数据。

在给定的电压值条件下，将一个直流稳压电源与蓄电池并联。用外接装置取代保险丝串接在测试回路中。测试时先用与测试回路线径相同、尽可能短的导线短接电器（以确保测试时回路电阻与实际的回路电阻最大程度的接近），再合上外接装置的开关，用示波器，电流、电压探头对要测试的回路的电压、电流、断路时间进行测试，获得测试波形。测试原理简图如图3所示：

1.2 CPT实验在电路保护中的应用

在汽车电器系统设计过程中，电路保护措施是至关重要的一环，电器系统的复杂性导致电路保护措施的复杂性增加，电路保护器一般有2到3级，仅通过理论的计算难以保证保护措施的合理和有效。根据上述CPT实验方法，可以验证电路保护器的容量是否合适，验证负载回路导线线径的选择是否合理，为后续的设计优化和改进提供实验数据。

1.2.1 电器保护措施验证

汽车电路保护器一般包括继电器、开关和保险丝，其中，容易损坏且直接关系到安全问题的主要是保险丝。保险丝容量选取必须合适，过大会造成电器件过载时的损坏，或发生电气线路短路时保险丝无法及时断开而引发火灾，过小则导致电器件功能无法正常实现。因此，CPT实验主要是对保险丝选用的合理性及与导线匹配的合理性进行验证，下面将结合针对某车型进行的CPT实验数据来进行具体分析。

在该测试车型上，后雨刮电机和洗涤电机共用一个15A的插片式保险，为便于后面的叙述，将该保险编号FS01。下图4的a图、b图分别为针对FS01的瞬态和稳态电压及电流测试波形，图5是针对该保险所做的短路测试波形。在图4、图5中，我们比较关注且对分析电器保护措施合理性有帮助的几个参数是P1、P3、P6和T。

P1：负载在瞬态（稳态）状况下工作电流的最大值；

P3：负载在瞬态（稳态）状况下工作电流的平均值；

P6：负载在瞬态（稳态）状况下电压的平均值；

T：保险丝熔断时间。

在图4的a图中：P1=7.28A、P3=8.63A、P6=9.71V；b图中：P1=6.8A、P3=5.23A、P6=14.3V；

在图5中：P1=54.7A、T=128ms；

该车型雨刮电机的额定功率42W、额定工作电压为12V，洗涤电机额定功率48W，额定电压12V，两电机额定功率之和为90W。后雨刮电机和洗涤电机回路导线均为AVSS 0.85的导线。

电器负载的功率计算公式为：

其中，P为负载功率、U为负载两端电压、I为通过负载的电流。

根据测试波形可以算得负载的实际功率为：P=UI=6.8× 14.3=97.23W，与额定功率90W接近。

对插片式保险来说，在常温（24℃）下负载电流所对应的保险丝容量由以下公式计算：

其中，IC为常温条件下保险丝容量，Ie为负载的使用电流。

在40℃条件下，保险丝容量的计算公式为：

其中，-0.15%为每摄氏度的温度变化率。

对FS01而言：Ie=6.8A，因此在常温下的保险丝容量IC=6.8/70%=9.71A；40℃条件下的保险丝容量I=9.71/[100%+ (40-24)×（-0.15%）]=9.95A。

对插片式保险来说，常用的保险容量有5A、7.5A、10A、15A、20A、25A，考虑到保险下挂两个电机负载，会有较大的冲击电流和堵转现象发生，后雨刮电机及喷水电机匹配15A插片式保险较为合理。对测试车型而言，该保险丝容量选取合理。

对汽车低压电线而言，在持续通过一定电流值时，导线的温度会上升，当导线温度达到一定值时，导线绝缘层会冒烟甚至燃烧。如AV规格的导线冒烟温度为140℃，AVS系列导线的冒烟温度为150℃。因此，在进行导线与保险丝匹配设计时，需要考虑回路短路时，在保险丝的熔断时间内，导线不会冒烟（即在此时间内导线温度未上升到冒烟温度）。常用的AVS规格导线在常用的冒烟时间下的冒烟电流如下表1所示：

表1 常用AVS规格导线冒烟时间与冒烟电流

以后雨刮、后洗涤回路为例，回路保险丝FS01的短路电流及保险熔断时间由图5可知分别为54.7A、128ms其回路导线线径为AVSS 0.85。由表1可知，电流为54.7A时，其回路导线对应的冒烟时间在5s至10s，远大于回路保险丝熔断时间128ms（即0.128s），即使该回路发生短路，也不会冒烟或燃烧。

经过上述计算与分析，测试车型的后雨刮电机与洗涤电机的保险丝选用合理，保险丝与导线的匹配合理。

1.2.2 回路导线线径选择合理性的验证

汽车线束导线的选择是否合理，一个重要的衡量指标是导线的电流容量是否大于回路稳定工作时的电流，这个电线的电流容量，是基于车辆使用10年，电线绝缘体的机械特性也不会劣化来定义的，它与导线所在线束装配位置的平均使用温度有关。

常用的日标导线AVS的电流容量如下表2所示：

表2 常用AVS规格导线的电流容量

从表1可以看出，同一规格的导线，其工作时周围温度越高，其对应的电流容量越低。

CPT实验的单负载和全负载测试均有测试回路稳定工作时的工作电流，根据稳态工况下的工作电流就可以对回路导线线径的选取是否合理进行验证。如图6所示，是对某车型的空调鼓风机进行单负载稳态测试时的测试波形：

从图6测试波形可以得出，鼓风机稳态工作时的最大电流P1=26.3A，最小电流P2=20.6A，平均工作电流P3=23.48A。该测试车型的鼓风机回路导线规格为AVS 3.0，鼓风机位于驾驶室内，平均工作温度取40℃。由表2可知，AVS 3.0导线在40℃时的电流容量值为37A，大于鼓风机稳态工作时的最大电流26.3A，且留有一定余量，回路导线线径选择合理。

1.2.3 为设计优化和改进工作提供实验数据

在进行电气系统的电源分配设计时，会尽可能的按照负载的实际工况来设计其电路保护器件的容量和回路导线的线径。但是，在实车工况下，仍有可能存在隐患，CPT实验可以在实车工况下对负载的工作的电流、电压特性进行测试，能有效的发现潜在的设计缺陷和隐患。根据实验数据，能及时对存在缺陷的设计进行优化和改进，以避免缺陷产品流入市场，给顾客和自身带来损失。

如下图7，是对某车型的散热风扇做的单负载稳态测试波形：

从图7的测试波形可以得知，该散热风扇稳态工作时的最大工作电流为23.54A，平均工作电流为20.89A，散热风扇回路保险丝的额定容量为20A，保险丝类型为J-CASE型，回路导线规格为AVSS 2.0。可以看出，该散热风扇在稳态工作情况下，其最大工作电流和平均工作电流均大于该回路的保险丝额定容量，该保险丝容量设计不合理，需要进行优化。

通常，保险丝下挂回路连续工作电流应该在保险丝额定容量的70%左右。已知该散热风扇的稳定平均工作电流为20.89A，则其保险丝额定容量需大于等于20.89/70%=29.8A，所以该散热风扇回路的保险丝容量应该优化为30A。根据前述导线电流容量的概念，取该散热风扇回路的周围温度为60℃，由表2可知，AVS 3.0规格导线在周围温度为60℃时的电流容量为26A，大于23.54A，因此，优化后的散热风扇回路导线规格应该为AVS 3.0。

2、结论

本文主要对CPT实验的测试原理与方法进行了概述，并结合测试实例进行计算分析。通过计算与分析表明，CPT实验数据可以让电器设计人员直观的判断保险丝容量的选择是否合理、导线线径的选择和与保险丝的匹配是否合理。

同时，CPT实验还能有效的发现设计缺陷和隐患，其实验结果可以为优化和改进设计提供参考和依据。在公司推进产品平台化和模块化的背景下，CPT实验有着现实和积极的意义，其实验结果能为设计人员提供真实的、第一手的电器件电气特性数据，能极大的提高设计效率、有效的提高电器系统的质量与安全性。

[1] ISO8820-2-2005 道路车辆.熔断器.第二部分.

[2] Littelfuse产品手册.

[3] JASO D609-2001 汽车零件-低压电线的载流量.

[4] Q/JQ 4006 汽车片式、插式熔断器技术条件.

[5] Q/JQ 4002.6 汽车用低压电线技术条件.

[6] 赖旭芝.电路理论基础.[M]中南大学出版社.

CPT experiment application in vehicle electrical protection

Cheng Qian
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the development of science and technology,more and more electrical equipment and systems will be carried on vehicle. Under the environment of the vehicle, Electrical equipment in the process of work will be affected by the interference of other equipment, its also can produce locked-rotor, shock, etc.Therefore, selection of the protection of vehicle electrical system becomes particularly important.Through the CPT experiments, the working current of the load, the real-time measurement of voltage, can better Test whether auto electric Circuit is properly protected. At the same time, the optimizations according to the test results can avoid some electrical protection design flaws, to eliminate hidden dangers.First of all, this discourse introduced the test types of CPT experiments and expound the applications of these experiments during actual design process; and then, combine actual test cases, analyzing the validation and checkout of rationality of circuit protection measures. At the same time, combine actual test cases, analyzing the functions of how the test results to help optimize circuit protection measures.

Circuit Protection Test; Load characteristic; Validation; Eliminate hidden dangers; Optimize

U462.1

A

1671-7988(2016)10-150-05

程谦（1988-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，从事汽车线束设计与研究工作。