汽车中各个电气系统需要线束来实现回路功能。回路中包含电源、开关控制、电气设备或执行器、搭铁等。每个电气系统回路中的线束器件都需要线束工程师进行选型。基于对线束设计流程的梳理, 对其中的薄弱环节进行总结, 可对今后汽车线束设计开发工作提供参考。该文中的线束均指汽车低压线束。
1 汽车线束简述
从功能上来讲,汽车线束是汽车电路的网络主体,连接汽车的电气设备并使之发挥功能。
从构成上来看,线束编成的形式基本上是一样的,都是由电线、联插件和包裹胶带组成,它既要确保传送电信号,也要保证连接回路的可靠性,向电气设备供应规定的电流值,防止对周围电路的电磁干扰,并要排除设备短路。
全车系统一般有动力系统、制动系统、照明系统、多媒体系统等。所有系统的回路构建成整车网络。线束是汽车电路的网络主体,连接汽车的电气电子部件并使之发挥功能。由于回路很多,需要选择的线束零部件的数量就很多,零部件之间的搭配对于汽车安全就很重要。本文探讨的就是这部分内容。
2 汽车线束设计主要内容
首先,我们从基础回路上谈起。
从电源开始,进行梳理。
回路1:电源→熔断丝。
回路2:熔断丝→控制器。
回路3:控制器→喇叭电源回路。
回路4:喇叭搭铁线→控制器。
回路5:控制器→搭铁线。
回路6、7:CAN线控制。
根据以上回路进行实物拆分,大致分成:熔断丝、电器端连接器/端子、线束端连接器/端子、电线。
那么当电气设备流经电流已知的情况下,如何选择合适的回路器件即为本论文的中心。
3 选型原则
3.1 端子
3.1.1 母端子
一般来说,公端子都设置在设备端,由设备的电气性能来选定型号。与设备端对接的母端子,一般与公端子组合使用,不需另行选择。而线束对接用公母端子的选择,首先要知道流经回路的电流值。
常见宽度0.64mm的端子容许电流值一般为3A以下。电流值较小的回路,一般选择0.64mm端子即可(图2)。而电机等设备作动电流值较大,一般选用0.64mm、1.0mm或以上端子。端子的容许电流值与针脚数量、电线尺寸、通电时间、使用温度等有关,需要查询端子的图纸进行选择。
上述内容为端子尺寸选择。确定端子尺寸后,还需考虑是否需要镀层。常用的镀层举例:气囊系统在电流比较小时需要使用镀金端子保证安定性。
3.1.2 公端子
除去设备端,在线束对接部分也有公端子,此时的公端子选择详情同母端子。
3.2 连接器
在基本选定端子后,对于连接器的选择,需要考虑是否需要防水、孔位数等。孔位数会影响电流衰减系数和插拔力等,这些需要在实际选型中反复验证。
3.3 熔断丝容量的选择
熔断丝是为了保护设备,其主要是起过载保护作用。电路中正确安置熔断丝,熔断丝就会在电流异常升高到一定的高度和热度的时候,自身熔断切断电流,保护电路安全运行。所以需要看下游的设备流经熔断丝的电流来确定熔断丝的容量。考虑熔断丝的耐久特性的情况下,如图3所示,总额定电流应小于熔断丝容量的70%作为初选条件。除此之外,还需要考虑是否有突入电流、振荡电流等。根据实际电流情况考虑熔断丝的耐久特性
3.4 电线
3.4.1 线种
电线的线种需要考虑是否需要耐热、是否需要双绞线或屏蔽线等特殊线种、是否用在弯曲部位等。在考虑以上特殊需求后,选择相应材质。
3.4.2 线径
在电源回路中,熔断丝容量确定后,进行电线的尺寸即粗细的选定。
电线的发烟特性曲线应在熔断丝的熔断特性曲线之上,这样在短路的情况下,熔断丝才可以先熔断。
而在非电源回路中,由于没有熔断丝直接按照回路电流值选择相应电线尺寸。
例如在20℃下,0.35mm2一般电线容许电流值为9A。容许电流值随温度升高会降低,70℃时
降至约3A,所以需要按照车辆实际使用位置进行选择。
电线的尺寸从0.13mm2起,常用的电线为0.35mm2、0.5mm2、0.75mm2、1.25mm2、2.00mm2
等,按照实际电流值与各生产厂商的电线产品手册进行选定。
3.4.3 线色
通常按照产品手册进行选择,无特殊要求。作业性方面,在同一个插接件内尽量避免使用同线径用色相邻,防止作业时误插入或维修时误识别。
3.5 整体回路选型原则
很多实物选型的基本方法,其实回路中各零件的选择不是分块的,而是整体的。在电源回路中,熔断丝的存在实际上是保护整条回路不发生问题,所以熔断丝一定在回路中是最弱的。
通过熔断丝的熔断特性和电线的冒烟特性曲线选择出来的电线,需要与回路中各个端子进行压接匹配。而这时候端子容许电流非常有可能小于熔断丝的容量。此时,在发生短路的情况下,端子的压接部位由于比较弱,在熔断丝熔断之前就烧坏变形了,熔断丝也失去了保护功能。例如:15A熔断丝/0.5mm2电线/0.64端子的组合情况。
因此在最终零件选定后,要进行回路检查,确保类似这种情况不会发生。
在非电源回路中,按照上述的内容选择了端子和电线,均是容许电流之上的。由于没有电源接入,即使短路也不会有大电流接入,则不需要上述检查。
4 结论
全车回路少则几百条,多则几千条。好的回路设计是:任何情况下所有回路都不会发生问题,但这是很难达到的。即使有熔断丝的存在,有些回路由于不恰当的零件选型,产生不适当的搭配,最终可能导致发生冒烟、烧坏等可怕的后果。所以设计师在单个回路中按照方法逐一选型后进行验证,才能保证每条回路的安全。另外,选用过剩线径、线种或是大尺寸端子可以保证一些回路的安全,但这样会不利于成本降低和轻量化。所以适宜的零件选型既能保证回路安全,又能降低成本和轻量化。
