为什么启动电路不受保护?

电器工程 安全 汽车 电路保护
2022-01-28 13:16:39

在大多数汽车和卡车中,一根粗电缆将电池直接连接到启动器(螺线管)。为什么这些电路没有任何类型的过流保护?

这是整个机动车辆行业公认的做法。这里有两个单独的标准,专门免除启动器电路的过流保护。(这些都适用于后果更大的船只;你不能离开海上的火灾。)

蓄电池的每个未接地输出导体都必须具有手动复位、无跳闸断路器或保险丝,除非输出导体位于从电池到发动机起动马达的主供电电路中。

这些只是例子;我毫不怀疑 SAE 和 ABYC 等组织的标准中有类似的规定。数以百万计的车辆以这种方式连接。

除了从电池到起动马达和电动转向马达的主电源外,所有电路都应提供防止过载和短路的电气保护(即应安装熔断器或断路器)。

我在询问这些豁免背后的工程原理。即使电缆比起动绕组厚得多,机械故障或冲击仍可能造成对地短路。产生的电流很容易超过 500A,足以焊接厚钢。

我知道启动器需要比任何其他电路更多的电流,但肯定可以找到一种具有成本效益的解决方案——例如熔断器。还是我弄错了?

以下是一些对我来说没有意义的可能原因:

  • 电缆很粗(相对于电池的大小),不需要保护。在电缆熔化之前,启动器会燃烧或电池会爆炸。虽然从“保护电线”的角度来看,这肯定是正确的,但我相信这是对启动电路进行过流保护的更强有力的理由……以保护整个车辆。

  • 该电路发生故障的风险极小。确实,启动器是坚固的设备,粗电缆具有更高的机械强度。然而,故障仍然可能发生,并且在现实世界中时常发生。此外,该电路故障的影响可能是灾难性的,导致车辆完全损失或死亡。因此,我预计问题的严重性会压倒故障模式分析中的(诚然)低可能性。

为未来的读者编辑: 大多数答案都集中在可用性上。这非常重要,但与选择保险丝作为保护装置有关的次要原因。断路器将减轻因滋扰故障而搁浅的风险。(有人提到可能会失去转向,但包括英菲尼迪 Q50 在内的所有量产车辆仍然有机械备份。)幸运的是,有一个简洁的答案可以解释为什么即使是断路器或熔断器也不适合。

4个回答

如果工作电流和故障电流之间有足够的余量,那么尝试用保险丝保护电路只有任何意义,以确保保险丝在正常工作时不会熔断,并且在故障条件下会熔断。

不幸的是,一旦您考虑了所有的公差,您就没有可以选择的电流级别来保证避免误跳闸并且仍然有合理的工作机会,例如,如果启动电机被锁定。传统的启动电机是串联绕组的,以便在启动时拉出非常高的电流。

通向发动机启动器的电路上的电源保险丝熔断可能会导致严重的安全问题,尤其是在无法启动发动机可能意味着导航能力有限或没有导航能力的船舶系统中。在汽车上,这可能意味着在紧急情况下无法启动。有些汽车曾经有它。有一次,我在高速公路弯道中间追尾一辆旧丰田汽车,该车有一个,女司机在熄火后试图重新启动她的汽车时熔断了保险丝,这导致她的整个电气系统死亡,包括她的危险灯、前灯等。几年后我的妻子想买一辆丰田,我问他们是否还有那个,他们向我保证他们已经放弃了,因为这对他们来说是一种安全责任。

我在汽车电子行业工作了多年。从安全的角度来看,您不是在尝试“保护车辆”,而是在尝试“保护人”。通常这个人是司机或乘员,但有时这个人可能是行人(想想碰撞和碰撞区)、旁观者(避免油箱爆炸)甚至紧急救援人员(电动汽车不需要暴露可能致命的高压救援人员)。

但是,大多数安全问题都没有普遍适用的解决方案。你得到的是一个权衡,你选择了最不坏的选择。存在诸如 FMEA 或 FTA 之类的正式方法,可以让您对此进行量化,因此如果出现问题,您可以证明您已遵循最佳实践。

您遇到的最常见问题是容错与可用性之间的权衡。如果您对任何问题的第一反应是停车并迫使司机呼叫救援卡车,这最初似乎是一个好主意和最安全的解决方案。我为福特开发了一款混合动力电动汽车,当软件发现自己处于不确定的情况时,它确实采用了这种方法,因为结果可能是车辆不受控制地移动。考虑到美国的法律状况,这似乎是最好的方法。

在开发过程中,我们与沃尔沃的工程师进行了交谈,发现他们采用了完全不同的方法。沃尔沃安全案例是,除非您能证明车辆继续行驶绝对不安全,否则您不得停车。您可以降低其运行速度或降低可用功率,但车辆不得停止。为什么?因为如果你的车在斯堪的纳维亚的冬天熄火,你还有大约 2 小时的时间冻死。沃尔沃的安全案例表明,如果车辆出现故障,最好承担一些低速、低功率碰撞的风险,并接受这种情况会更频繁地发生,而且大多不是致命的后果,而不是较少的——车辆在绝对致命的情况下经常发生熄火的风险。此外,即使汽车不再对油门、刹车和档位选择的电子控制做出正确响应,驾驶员仍然可以通过关闭点火装置来采取一些措施来减轻故障。

启动器电路中的保险丝遵循相同的原理。没有保险丝的最坏情况是什么?答:线路或电池过热,您会在发动机舱内着火,并蔓延到汽车的其他部分。通常电池电压会在事情变得太糟糕之前下降。驾驶员可以通过长时间不连续转动来缓解这种情况。他们还可以减轻这种故障,因为发动机和乘客舱之间有一个防火隔板,让他们有足够的时间逃离车辆。即使在中央门锁无法锁定和电动车窗无法关闭的情况下,紧急逃生锤也可以轻松打破窗户逃生。(你一个,对吧?如果没有,买一个——它们很便宜。)这种情况有纵深防御。

保险丝最坏的情况是什么?好吧,你不能在需要的时候启动引擎。在车里,这可能会让你陷入困境——我们正处于“2 小时内冻死”的场景。在船上,你完全被困住了。

汽车有警告不要使用启动器超过 x 秒并等待 xx 秒以防止电池过热和放气。因此,CCA 额定值必须超过负载,因此使用足够的电池和电缆设计,除非人为错误(将扳手跌落电池端子或在重负载下持续使用启动器超过 1 分钟时忽略安全警告),否则不可能发生短路。在这种情况下启动马达温度会很高,然后会增加电阻,电池会很快耗尽,但不会引起火灾。如果电池因内部短路而发生故障,它会自行放电,并且可能会因 H2 附近的火花而起火,但风险相对较低

保险丝不适合,因为它们会增加 ESR,降低 CCA 容量,这会在寒冷天气中丧失启动性能。你宁愿让你的电机驱动的转向过热,也不愿在驾驶时让保险丝烧断。 所以简而言之(双关语)保险丝会降低可靠性和安全性。

电动汽车有所不同,枝晶存在内部短路的风险,因此必须使用温度感应进行熔合。