汽車線束回路設(shè)計(jì)方法研究及應(yīng)用

仇郭兵

摘 要：線束作為汽車上大面積使用的、電器部件之間的連接媒介，其可靠性直接影響到整車的安全性，本文首先闡述了汽車線束導(dǎo)線的選型，然后介紹了從成本出發(fā)和從性能出發(fā)兩個(gè)不同的方面的線束回路設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，并提出了具體的控制策略及實(shí)施途徑，為線束回路設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐，對(duì)線束設(shè)計(jì)人員具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：線束回路;設(shè)計(jì)方法;應(yīng)用

0 引言

作為汽車電器功能的連接載體，線束產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)各電器原件之間的電路連接。各電路連接的起點(diǎn)和終點(diǎn)構(gòu)成線束產(chǎn)品中的回路?？梢哉f線束環(huán)是線束產(chǎn)品的核心。線束回路設(shè)計(jì)的好壞直接決定著線束的安全性和可靠性。隨著汽車電氣化程度的提高，電器元器件數(shù)量增加，電器之間的信號(hào)交互變得越來越密切，汽車線束電路數(shù)量迅速增加，一般汽車線束電路數(shù)量已達(dá)到近1000個(gè)。如何優(yōu)化這么多的電路是汽車線束設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題[1]。

1 汽車線束導(dǎo)線的選型

（1）耐溫性。汽車上最常使用的普通導(dǎo)線由線芯和絕緣皮構(gòu)成，線芯發(fā)熱，絕緣皮散熱。同系列同線徑的導(dǎo)線，其耐溫性主要與絕緣皮的壁厚和使用材料有關(guān)。

（2）載流能力。載流能力是指導(dǎo)線能夠長時(shí)間承載最大電流的能力。不同導(dǎo)線能夠承載的電流峰值是不同的。同線徑的導(dǎo)線耐溫等級(jí)越高，載流的能力越強(qiáng);同耐溫等級(jí)的導(dǎo)線線徑越大，載流能力越強(qiáng)。導(dǎo)線的載流能力一般與導(dǎo)線內(nèi)芯的材料、線芯的股數(shù)和絕緣皮的等級(jí)有關(guān)。

內(nèi)芯的材料一般為銅或鋁，銅的載流能力比鋁強(qiáng)，一般銅為5A/mm2、鋁為3A/mm2。同等條件下，線芯的股數(shù)越多，承載電流的能力越強(qiáng);絕緣皮耐溫等級(jí)越高，承載電流的能力越強(qiáng)。

（3）降額能力。降額能力是指導(dǎo)線隨環(huán)境溫度的變化，載流能力跟著改變的一種能力。常溫時(shí)導(dǎo)線的載流能力處于較高的水平，但隨著周圍環(huán)境溫度的升高會(huì)逐漸降低，直到達(dá)到某一溫度臨界值時(shí)導(dǎo)線斷開，完全失去承載電流的能力[2]。

導(dǎo)線的降額曲線是線束布置的重要依據(jù)，靠近熱源的區(qū)域，需要根據(jù)環(huán)境溫度選取適合的耐溫導(dǎo)線。降額能力主要與導(dǎo)線絕緣皮厚度有關(guān)，和線芯使用的材料關(guān)系不大。

（4）導(dǎo)線溫升。通電的導(dǎo)線自身會(huì)產(chǎn)生熱量（Q），可根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt計(jì)算。但一般情況下，是不考慮導(dǎo)線的自身發(fā)熱的，因?yàn)榄h(huán)境溫度一般相對(duì)較低，而熱量一般從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)散出。

所以，考慮導(dǎo)線的溫升一般是在外界高溫的環(huán)境下，導(dǎo)線發(fā)熱大于散熱時(shí)，導(dǎo)線容易燒蝕，這是線束設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，通?？梢圆扇〖哟髮?dǎo)線線徑的方式來提高導(dǎo)線的散熱能力。

（5）電壓降。電壓降即連接電源到設(shè)備端的導(dǎo)線在傳輸過程中造成的電壓損失。環(huán)境溫度越高、導(dǎo)線的長度越長，導(dǎo)線的電阻就越大。因此，在長距離、高溫的條件下傳輸，需要考慮導(dǎo)線的電壓降。線束總的電壓降應(yīng)包含從發(fā)電機(jī)/蓄電池端開始，線束中每根導(dǎo)線上的電壓降，直到設(shè)備的接地。導(dǎo)線電阻測(cè)量的理想試驗(yàn)溫度是20℃，但是實(shí)際的測(cè)試環(huán)境溫度會(huì)存在偏差，需要根據(jù)溫度修正系數(shù)折合成20℃的狀態(tài)。修正系數(shù)由導(dǎo)線廠家提供，不同品牌的修正系數(shù)各異。

每根導(dǎo)線的電壓降=導(dǎo)線長度×電阻率×溫度系數(shù)，除此之外，電壓降還需要考慮端子壓接的電壓降，和與連接器對(duì)接時(shí)的電壓降。所以，線路上總電壓降=∑（每根導(dǎo)線電壓降+每個(gè)壓接電壓降+每個(gè)連接器對(duì)接電壓降）。線束電壓降仿真在整車上進(jìn)行，包括了線束到某元器件的所有電壓降，一般只對(duì)部分敏感元器件做電壓降測(cè)試，比如行車?yán)?，要求阻抗小?9.10mΩ。在大多數(shù)情況下，線路的電壓降是忽略不計(jì)的，但是導(dǎo)線的電壓降必須控制，要求不得高于電器件所需電能的10%。

2 從成本出發(fā)的回路設(shè)計(jì)方法

線束回路約占線束物料成本的90%，包含導(dǎo)線及接插件，要控制線束設(shè)計(jì)成本，必須從線束回路設(shè)計(jì)優(yōu)化著手。針對(duì)導(dǎo)線使用而言，如何用最少的導(dǎo)線長度實(shí)現(xiàn)回路連接功能，是回路設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。這其中涉及兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)要素：電器零部件的布置位置和線束布置路徑的選擇。這兩個(gè)要素獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)，對(duì)導(dǎo)線長度的使用影響重大。首先需要基于零部件原理確定其回路的連接方式，進(jìn)而確定在整車環(huán)境下各零部件布置的初步位置，而線束布置路徑的選擇則是基于零部件布置位置的基礎(chǔ)上，用最短的線束長度覆蓋盡量多的零部件布置區(qū)域，這也是整車電器拓?fù)涞碾r形。在完成整車拓?fù)浯罱ê?，就需要?duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，通過核算具體的導(dǎo)線用量來判斷零部件的布置位置和線束布置路徑是否合理[3]。

3 基于性能的回路設(shè)計(jì)方法

首先回路的設(shè)計(jì)必須要對(duì)無法探測(cè)的失效模式進(jìn)行規(guī)避，熔斷絲后部與繼電器線圈端和觸點(diǎn)端并接的回路，這樣的設(shè)計(jì)在整車電路設(shè)計(jì)中很普遍，當(dāng)繼電器線圈端和觸點(diǎn)端端子不同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)顯然是合理的，但當(dāng)繼電器線圈端和觸點(diǎn)端端子相同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)在端子插入繼電器孔位插錯(cuò)的情況下，目前的電檢設(shè)備還無法識(shí)別這樣的失效方式。所以這種回路設(shè)計(jì)方式在某些情況下是不能采用的。當(dāng)然不同的設(shè)計(jì)工程師面臨的設(shè)計(jì)環(huán)境和制造環(huán)境有差異，具體的失效模式也會(huì)有所不同，但回路設(shè)計(jì)中失效模式的規(guī)避是首先要考慮的。另一個(gè)方面，目前汽車電子化水平顯著提高，作為一個(gè)電子載體，汽車上面臨的電磁環(huán)境也更復(fù)雜，而線束回路設(shè)計(jì)如何減少電磁干擾是一個(gè)不可避免的課題。導(dǎo)線耦合干擾、電源干擾、搭鐵干擾、輻射干擾等都會(huì)對(duì)電器件正常工作產(chǎn)生不利影響，而線束中各回路捆扎在一起，線束回路之間，線束與金屬導(dǎo)體之間產(chǎn)生的導(dǎo)線耦合干擾在線束上表現(xiàn)得尤為突出。

在回路設(shè)計(jì)中要減少導(dǎo)線耦合干擾，首先要區(qū)分干擾回路和敏感回路。簡(jiǎn)單點(diǎn)說，感性類負(fù)載回路比如點(diǎn)火線圈、喇叭、電機(jī)等屬于干擾回路，而影像、雷達(dá)探頭、低功率的LED燈、各類傳感器等回路屬于敏感回路，在設(shè)計(jì)過程中干擾回路和敏感回路需要分開布置。

4 結(jié)論

現(xiàn)有的汽車線束設(shè)計(jì)技術(shù)資料主要在線束物料選擇及制造加工環(huán)節(jié)對(duì)線束設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，但對(duì)線束回路的規(guī)劃及設(shè)計(jì)理念缺少系統(tǒng)的分析，本文簡(jiǎn)單的對(duì)汽車線束導(dǎo)線的選型以及從兩個(gè)方面對(duì)線束回路設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了說明，希望可以對(duì)以后的汽車線束回路設(shè)計(jì)有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍.汽車線束導(dǎo)線的選用研究[J].汽車電器，2015（04）：22-24.

[2]趙巖，李國輝.汽車電線束導(dǎo)線壽命研究[J].汽車電器，2015（07）：1-3.

[3]周成敏.汽車電路的電壓降要求及其控制方法[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2016（01）：12-14.