基于Abaqus车用熔断片电热性能分析研究

李晓英，李厚琨，杜艳平，贺占蜀

（1．河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030；2．郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001）

基于Abaqus车用熔断片电热性能分析研究

李晓英1，李厚琨1，杜艳平1，贺占蜀2

（1．河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030；2．郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001）

汽车电子电路是实现整车功能的重要组成部分，随着汽车电子的发展，越来越多的车载电器应用到整车中。考虑到汽车使用的安全性，车用熔断片在汽车电子电路中起到不可或缺的重要作用。本文就车用熔断片的电热性能进行研究，阐述熔断片电热性能一般理论，基于Abaqus软件对车用熔断片进行电热耦合分析。

熔断片；仿真；Abaqus

熔断片又称为熔断器，安装在电路中，是能够保证电路正常安全运行的电器元件。当汽车电子电路出现故障或异常，可能会出现电流不断升高，某些重要器件或贵重器件在较高电流载荷下会损坏甚至熔融，也有一些情况使汽车内线束出现高温高热，可能引发火灾，导致整车报废，更严重的会造成人身伤亡。因此，熔断片能够准确实现其功能是提高汽车电子电路及整车安全性的重要因素。良好的熔断片设计能够在电流异常升高到一定高度并且持续一定的时长，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。对熔断片的电热性能分析是熔断片设计的重要环节，决定着熔断片能否正常准确地实现其功用。

1 熔断片结构及熔断原理

1.1 车用熔断片结构分析

车用熔断片由熔体部分、电极部分及支架部分组成，分别起到不同的作用。如图1所示。

熔体部分是实现熔断片功能的核心，当过载电流增大到一定值时，通过一定时间，熔断片熔体部分发生熔断起到保护电路的作用。当熔断片的通过电流超过额定电流时，熔断片不会立刻熔断，而需要一定的过载时间，超过额定电流的值越多，熔断得就越快。熔体部分的设计无论从尺寸、材料都要保证其一致，从而保证熔断特性的一致性。

图1 熔断片结构图

电极部分是连接电路的关键部位，要保证其良好的接触导电性，且要具有合适的安装尺寸。

支架部分，熔断片的熔体部位都非常纤细柔软，支架部分能起到保护作用，同时固定3部分保证安装尺寸上的稳定，便于装配。因此，支架部分应具有良好的绝缘、耐热、阻燃性能及较好的机械强度，避免出现短路、烧蚀及裂纹变形等情况。

1.2 熔断片的熔断原理

熔断片在电路中可视为纯电阻，当电流流经熔断片时，熔断片发热，其发热量符合以下公式

式中：Q——发热量；I——流过导体的电流；R——导体电阻；T——电流流过导体的时间。

从上式分析，发热量决定着熔断片的熔断特性，影响发热量的主要因素是通过电流、通过时间、熔断片电阻。在熔断片设计时，根据国家标准，熔断片的额定电流确定下来，其熔断电流及熔断时间也基本确定。那么，导体电阻即是保证其熔断性能的主要因素。又由于熔断片熔断需要的发热量要满足材料熔断所需的热量，材料一定时，发热量也基本确定。综上所述，可以粗略地认为材料一定时，熔体部分的电阻决定着额定电流的大小。表1为不同厂家熔体电阻对照表。通过试验验证，不同厂家的同一型号的熔断片，熔体部分的电阻一致。

表1 不同厂家熔体电阻对照表 mΩ

制作熔断片时，材料确定后，熔断片熔体部分的形状尺寸决定着熔体部分的电阻。因此必须保证熔断片在生产制造过程中，控制尺寸保持一致性和加工的稳定性。

2 电热性能计算模型

2.1 电流流动方程

在导体中，电场是由麦克斯韦方程组表示，假设在稳态直流电路中，方程可简化为

式中：V——体积；S——截面积；n——面积S的外法相；J——电流密度（单位面积的电流）；rc——单位体积电流。电流的流动方程由欧姆定律表述如下

式中：σE——电导率矩阵；E——电场强度。

代入电势φ，综合上述两式可化为

2.2 热平衡方程

热传导可用能量平衡方程表述如下

式中：V——材料体积；S——表面积；ρ——材料密度；U——内能；k——热导率矩阵；q——单位面积热通量；r——体内产热。

上述分别介绍了计算材料电热性能的理论方程式，是有限元方法计算材料电热性能的理论基础。

3 基于Abaqus对熔断片进行建模分析

Abaqus电热耦合分析可以分析电场和温度场耦合的状态，实现电场和温度场的数据交互，对电场进行稳态、线性或非线性求解，对温度场进行瞬态或稳态、线性或非线性求解。

根据图纸尺寸建立熔断片三维模型，导入Abaqus，建立电热耦合分析步，划分网格，选取电热耦合单元类型DC3D10E，进行仿真分析。

4 结果分析及结论

建立相同规格不同厂家的熔断片三维模型进行分析，熔断部位为平整面（图2a），熔断部位为缩颈状（图2b）。

图2 仿真结果

对仿真结果进行分析可知：①图2a最高温度为107.2 ℃，图2b最高温度为107.3 ℃。②熔断部位为缩颈状设计，明显将产热储存在熔断片薄弱环节，更有助于熔断片熔断。

因此，在能够保证加工精度和稳定性的情况下，熔断片的设计更宜采用缩颈状设计。

［1］ Katsuhiko Ogata．现代控制工程（第3版）［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［2］ 石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析实例讲解［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［3］ Demi Ning．Circuit Protection Products and Application Training［J／OL］．Littelfuse，2008．

［4］ 江丙云，孔祥宏，罗元元．ABAQUS工程实例详解［M］．北京：人民邮电出版社，2014．

（编辑 杨 景）

Research on Electro-thermal Performance of Vehicle Fuse Based on Abaqus

LI Xiao-ying1， LI Hou-kun1， Du Yan-ping1， HE Zhan-shu2
(1. Henan THB Electric Co.， Ltd.， Hebi 458030；2. Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Automobile electronic circuit is an important part to realize vehicle functions. With the development of automotive electronics， more and more electrical appliances are used in vehicles. Taking car safety into consideration，the fuse in the automotive electronic circuits plays a significant role. In this paper， the electric thermal properties of the car fuse are studied， the general theory of the fuse tablets electric properties is expounded， and the electric and thermal coupling analysis on fuse tablets is carried out based on Abaqus.

fuse tablet；simulation；Abaqus

U463.6

A

1003-8639（2017）07-0073-02

2017-02-23

李晓英（1981-），女，主要研究方向为汽车电器产品研发；李厚琨（1989-），男，硕士，主要研究方向为汽车电器产品研发；杜艳平（1988-），女，硕士，主要研究方向为汽车电器产品研发；贺占蜀（1985-），男，力学博士后，主要研究方向为汽车电器产品研发。