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汽车线束回路设计方法研究及应用

2019-11-27 09:49:22 来源:线束中国

【大比特导读】线束产品作为汽车电器功能的连接载体,实现各电器零部件之间的电路连接。而各电路连接的起点和终点则构成了线束产品内的回路。

1前言

线束产品作为汽车电器功能的连接载体,实现各电器零部件之间的电路连接。而各电路连接的起点和终点则构成了线束产品内的回路。可以说线束回路是线束产品的核心,线束产品的回路设计的品质直接决定整车线束的安全与可靠性。随着车辆电气化程度的提高,电器部件数据增加,各电器之间的信号交互也越来越密切,汽车线束回路的数量也急剧增加,一般车型的线束回路数据已达近1000条(图1)。

如何优化统筹如此众多的回路数,是汽车线束设计所面临的难题。

现有的汽车线束设计技术资料主要在线束物料选择及制造加工环节对线束设计提供设计指导,但对线束回路的规划及设计理念缺少系统的分析,本文从成本和性能两个方面,对线束回路设计的相关重点进行了说明,并提供了具体的控制路径,对线束回路设计具有一定指导作用。

线束

2基于成本的回路设计方法

线束回路约占线束物料成本的90%,包含导线及接插件,要控制线束设计成本,必须从线束回路设计优化着手。针对导线使用而言,如何用最少的导线长度实现回路连接功能,是回路设计首先要考虑的问题。这其中涉及两个方面的设计要素:电器零部件的布置位置和线束布置路径的选择。这两个要素独立而又相互关联,对导线长度的使用影响重大。

首先需要基于零部件原理确定其回路的连接方式,进而确定在整车环境下各零部件布置的初步位置,而线束布置路径的选择则是基于零部件布置位置的基础上,用最短的线束长度覆盖尽量多的零部件布置区域,这也是整车电器拓扑的雏形。

在完成整车拓扑搭建后,就需要对其进行设计校核,通过核算具体的导线用量来判断零部件的布置位置和线束布置路径是否合理(目前市面上已有大量软件可实现该功能),具体方法为通过对零部件逐一调整的方式来进行对比,如图2和图3中对比BCM不同布置位置的设计,来校核整车导线使用长度用量,进而确定BCM布置在哪个位置更优。

在这个过程中往往会出现相互影响的情况:零部件A布置调整会影响到零部件B位置的选择。所以在逐一确定完各零部件及线束路径对导线使用长度的影响后,将对导线长度影响较大的作为首轮优选方案,在此基础上重新搭建拓扑,再次对其它次要方案进行对比分析,从而实现导线长度最省的拓扑设计平台。

完善的拓扑可以确保导线用量最省,同时针对导线使用而言,传统的设计理念中对导线的选用有明确的要求,为了避免端子插接的混淆,往往会采用较多的线色来进行区分,但随着制造水平及检验方式的不断完善,其实导线的线色可以进行适当的设计调整,以最少的导线种类来实现回路功能,也是从设计角度减少回路设计成本的方法。

针对接插件而言,如何最少的使用接插件和减少转接回路是回路设计中需要重点关注的内容。在这里线束设计工程师需要转变成系统设计工程师,需要将减少接插件使用和转接回路的设计工作前移到电器零部件的设计与规划中,主要有两个方面需要考虑。

一方面是可以根据车型配置进行电器零部件功能回路区分,比如安全气囊控制器,可以将基本的功能回路设计在同一接插件内,而高配或扩展功能布置在另一接插件中,这样就可以在低配车型上仅用一个接插件,也可实现电器回路功能。

另一方面也可根据回路的连接区域进行规划,比如同样是安全气囊控制器,有的设计人员会考虑将底盘的功能设计在同一接插件中,将接仪表台板的功能设计在另一接插件中,这样的规划就可以减少各区域回路的相互转接。这种基于区域的功能回路设计对于连接引脚较多的电器部件(例如BCM控制器)效果尤为显著。

3基于性能的回路设计方法

线束回路是实现电路连接的核心,其电路连接的安全与可靠性是必须要满足的要求,回路设计中的导线和接插件都必须遵循负载、环境的要求,这些内容在其它的设计资料上已有详细的描述,本文仅从回路的路径选择上说明如何确保回路性能的设计。

首先回路的设计必须要对无法探测的失效模式进行规避,如图4所示的熔断丝后部与继电器线圈端和触点端并接的回路,这样的设计在整车电路设计中很普遍,当继电器线圈端和触点端端子不同时,这样的设计显然是合理的,但当继电器线圈端和触点端端子相同时,这样的设计在端子插入继电器孔位插错的情况下,目前的电检设备还无法识别这样的失效方式。

所以这种回路设计方式在某些情况下是不能采用的。当然不同的设计工程师面临的设计环境和制造环境有差异,具体的失效模式也会有所不同,但回路设计中失效模式的规避是首先要考虑的。

另一个方面,目前汽车电子化水平显著提高,作为一个电子载体,汽车上面临的电磁环境也更复杂,而线束回路设计如何减少电磁干扰是一个不可避免的课题。导线耦合干扰(图5)、电源干扰、搭铁干扰、辐射干扰等都会对电器件正常工作产生不利影响,而线束中各回路捆扎在一起,线束回路之间,线束与金属导体之间产生的导线耦合干扰在线束上表现得尤为突出。

在回路设计中要减少导线耦合干扰,首先要区分干扰回路和敏感回路。简单点说,感性类负载回路比如点火线圈、喇叭、电机等属于干扰回路,而影像、雷达探头、低功率的LED灯、各类传感器等回路属于敏感回路,在设计过程中干扰回路和敏感回路需要分开布置。试验表明,增加导线间距可降低高频干扰(图6),在无法进行区分的情况下,需通过导线注入干扰的方式进行功能测试,以判断回路设计的正确。

同时为降低线束辐射及耦合的影响,应尽可能降低电路回路面积和线束长度。在汽车整车设计中,需要尽量缩小线束的回路面积,特别是电源线与搭铁线,要求回路中线束尽量并行走线,同时尽量紧贴金属车身固定,减少回路面积,分开走线距离不超过50cm。

除了干扰回路和敏感回路的布置考虑外,对于线束上使用的抗干扰部件双绞线和屏蔽线也需要在回路设计中予以重视,以达到屏蔽预期:绞合双绞线的两根电线线径、长度应相同,绞距最好为10~20mm,具体绞距以试验测试为准;屏蔽层搭铁端子应在始末两端将屏蔽层360°与屏蔽外壳进行连接,屏蔽层与屏蔽外壳对信号线形成完全屏蔽。对于屏蔽线缆连接的部件外壳不是金属结构的,可以使用金属导电卡子将屏蔽层压装在与车身可靠连接的金属板上,屏蔽效能应达到60dB。

4结论

本文从成本和性能两个方面,对汽车线束回路设计方法进行分析,并结合工作实践对具体方法的应用进行了说明,提炼出线束回路设计的关重点,对线束设计工程师在回路设计过程中具有指导意义。

参考文献:

[1]何筱荣.如何提高汽车线束设计的可靠性[J].科技风,2010:253.

[2]李莉,李卫兵,王学刚,等.二平行传输线间的串扰分析[J].电波科学学报,2001,16(2):271-275.

[3]钟晓玲.线束产品抗电磁干扰防护设计及应用[J].机电元件,2013,33(2):20-23.

注:本文摘自《汽车电器》2019年第9期即《汽车电器—汽车线束专刊》,作者:龙昭灯,王强,苟荣非(重庆长安汽车股份有限公司长安汽车工程研究院)

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