王偉剛

（北汽集團(tuán) 北京汽車國際發(fā)展有限公司產(chǎn)品工程中心，北京 100021）

汽車上各用電設(shè)備之間的控制及信號(hào)傳遞靠低壓電線束網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。汽車低壓電線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，是汽車的“中樞神經(jīng)”，是連接電源和各個(gè)用電設(shè)備的重要部件，是傳輸能量、傳遞各種信號(hào)的載體，線束分布遍布全車，其重要性不言而喻。通俗地講，低壓電線束由導(dǎo)線、端子、插接件和包裹膠帶、絕緣防護(hù)組成。

隨著整車用電設(shè)備的增多，留給線束的布置空間越來越小，這就要求電線束的設(shè)計(jì)必須具有更優(yōu)質(zhì)、更可靠的數(shù)據(jù)傳輸性能，同時(shí)要求節(jié)省空間，減少汽車整備質(zhì)量，要同時(shí)達(dá)到這些要求是對(duì)汽車低壓電線束一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因此汽車低壓電線束設(shè)計(jì)的綜合性能便成為重中之重。

1 整車電氣原理設(shè)計(jì)

整車電氣原理設(shè)計(jì)是為了確保所有電器設(shè)備都能正常工作，并通過熔斷器、繼電器、導(dǎo)線、開關(guān)等控制裝置與汽車電源連接起來實(shí)現(xiàn)的。

1.1 電源分配的設(shè)計(jì)

電源分配是以安全性為主，依據(jù)整車電器功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，反映蓄電池、發(fā)電機(jī)、熔斷器、繼電器以及負(fù)載的連接關(guān)系，通過如何合理地分配蓄電池或發(fā)電機(jī)的電能給用電設(shè)備供電的設(shè)計(jì)。根據(jù)點(diǎn)火開關(guān)的位置，分為常電、ACC電、ON擋電和ST擋電，如圖1所示。

圖1 電源分配圖

常電：一般稱為3 0電，由蓄電池直接供電。所接負(fù)載一般為整車的安全件、重要件，如室內(nèi)燈、防盜系統(tǒng)、前照燈、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、診斷系統(tǒng)等。

ACC電：點(diǎn)火開關(guān)處于ACC擋時(shí)的供電。當(dāng)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，ACC電卸荷。所接負(fù)載一般有音響系統(tǒng)、天窗、點(diǎn)煙器等。

ON擋電：一般稱為15電，點(diǎn)火開關(guān)處于ON擋時(shí)的供電，分為IG1和IG2。當(dāng)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，IG2電卸荷。所接負(fù)載一般有鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)門窗、組合儀表等。

ST擋電：給起動(dòng)機(jī)供電，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車起動(dòng)后，鑰匙自動(dòng)回位ON擋。

在進(jìn)行電源分配設(shè)計(jì)時(shí)，車型配置表是重要的輸入文件，通過對(duì)配置表的深入分析、配置對(duì)比，可以幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出較合理的整車電源分配，一般按照車型的最高配置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 熔斷器的選型設(shè)計(jì)

熔斷器串聯(lián)在電源和用電設(shè)備之間，作用是保護(hù)用電設(shè)備和相關(guān)線路免受電路過載和/或短路帶來的損害。

1.2.1 熔斷器的分類

熔斷器一般分為慢熔式熔斷器和快熔式熔斷器。

慢熔式熔斷器：顧名思義在同等較高溫度下，熔斷的時(shí)間比快熔式熔斷器時(shí)間更長，其結(jié)構(gòu)的寬窄或厚薄決定了容量的大小。慢熔式熔斷器的主要部件是高溫合金片，常用的有插入式、旋緊式和平板式，見圖2。

快熔式熔斷器：在較高溫度下，熔斷時(shí)間較短。其主要部件是低溫合金導(dǎo)線，它封裝在片式塑料板、陶瓷管或玻璃管內(nèi)。常用的有片式和管式，如圖3所示。

1.2.2 熔斷器的選型

熔斷器的選型，需要考慮負(fù)載的類型、環(huán)境溫度、電流范圍、安裝環(huán)境等因素。

圖2 慢熔式熔斷器

圖3 快熔式熔斷器

根據(jù)電路負(fù)載特性，當(dāng)負(fù)載沖擊電流?。ɑ驎r(shí)間短）及為阻性負(fù)載時(shí)，可以選用快熔式熔斷器；當(dāng)負(fù)載沖擊電流較大（或時(shí)間較長）及為感/容性負(fù)載時(shí)，可以選慢熔式熔斷器；根據(jù)裝配位置，優(yōu)先選用占用空間較小的熔斷器。

1.2.3 熔斷器額定電流值的確定

1）快熔式熔斷器額定電流的確定

確定電路電流后，選用規(guī)格合適的熔斷器。在常溫（25℃）下選擇熔斷器容量的75%為電器負(fù)載的工作電流；當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，熔斷器的載流能力下降，需考慮熔斷器的溫度修正系數(shù)。

按照公式確定熔斷器容量

式中：If——熔斷器的額定電流理想值，A；In——正常工作電流值，A；RR——溫度修正系數(shù)（可查詢溫度修正系數(shù)曲線圖）。

最后選擇現(xiàn)有規(guī)格里與If接近且大于計(jì)算結(jié)果的熔斷器。

2）慢熔式熔斷器額定電流的確定

對(duì)于慢熔式熔斷器額定電流的確定比較復(fù)雜，需要滿足以下3個(gè)條件：①根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算熔斷器的額定值電流：參照公式（1），初步選定規(guī)格合適的慢熔式熔斷器。②需滿足電氣負(fù)載啟動(dòng)電流沖擊時(shí)間：將初選的慢熔式熔斷器的熔斷特性與負(fù)載的浪涌電流沖擊時(shí)間比較，需滿足負(fù)載的浪涌電流沖擊時(shí)間小于熔斷器對(duì)應(yīng)的熔斷時(shí)間。③計(jì)算相對(duì)I2t參數(shù)對(duì)熔斷器壽命的影響：計(jì)算相對(duì)I2t按照公式（2）計(jì)算。

通常計(jì)算出的相對(duì)I2t需小于30%，即熔斷器承受浪涌次數(shù)10萬以上。

1.3 繼電器的選型設(shè)計(jì)

繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、熱、光、磁、聲）達(dá)到一定值，輸出量將會(huì)發(fā)生跳躍式變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的器件。繼電器具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），普遍應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的電路中，它實(shí)際上是一種用小電流控制大電流的“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中能夠起到轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等作用。

繼電器的種類非常多，分類方法也有很多種。①按工作原理分為：加速度繼電器、風(fēng)速繼電器、溫度繼電器、電磁繼電器、時(shí)間繼電器、固態(tài)繼電器等；②按觸點(diǎn)負(fù)載分為：較大功率繼電器、中等功率繼電器、較弱功率繼電器和微功率繼電器；③按外形尺寸分為：小型繼電器、超小型繼電器、微型繼電器；④按防護(hù)特征分為：敞開繼電器、塑封繼電器、防塵罩繼電器、密封繼電器。

繼電器選型時(shí)應(yīng)參考使用環(huán)境、負(fù)載類型、負(fù)載工作電流曲線以及其他相關(guān)要求等。

1.3.1 使用環(huán)境

1）環(huán)境溫度。導(dǎo)致繼電器加速絕緣的老化，絕緣能力下降、縮短使用壽命的重要因素是環(huán)境溫度的升高；溫升對(duì)線圈和觸點(diǎn)的影響也很大，漆層老化加劇，吸合、釋放參數(shù)的變化。

一般繼電器的環(huán)境工作溫度主要有2種：一種是-40～85℃，一種是-40～125℃。由于設(shè)計(jì)使用材料的不同，可直接影響到繼電器的選用成本。故根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度和使用情況進(jìn)行合理選用。一般情況下，駕駛室選擇-40～85℃的繼電器；前機(jī)艙選擇-40～125℃的繼電器。

2）相對(duì)濕度、粉塵等。在粉塵大、高濕環(huán)境下，繼電器的金屬部件腐蝕速度顯著上升，加劇繼電器觸點(diǎn)膜電阻的生成。

目前汽車上的大部分繼電器都集成在電器盒內(nèi)部，且電器盒本身具有一定的防塵、防潮等效果。

1.3.2 負(fù)載類型

車輛上電器設(shè)備常用的負(fù)載種類有阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載，見表1。設(shè)計(jì)或選型時(shí)，應(yīng)提供負(fù)載類型。

表1 負(fù)載種類

1.3.3 電流的確定

繼電器額定電流、耐沖擊電流及沖擊持續(xù)時(shí)間均需大于負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流、沖擊電流及沖擊時(shí)間。容性負(fù)載所選繼電器所承受的電流值應(yīng)為用電設(shè)備正常工作電流的4倍左右；阻性負(fù)載和感性負(fù)載為了延長繼電器的使用壽命，應(yīng)當(dāng)選用大電流的繼電器，選擇繼電器所承受的電流比用電設(shè)備的電流越大，繼電器的使用壽命就越長。

1.3.4 相關(guān)要求

對(duì)具有提示功能的繼電器，選用工作時(shí)的聲音不小于50 dB的繼電器。

對(duì)不具有提示功能的繼電器，選用工作時(shí)的聲音小于50 dB的繼電器。

1.4 搭鐵設(shè)計(jì)

搭鐵：即車載用電設(shè)備、蓄電池負(fù)極與車身等金屬部件連接的導(dǎo)線稱為搭鐵。搭鐵的可靠性直接影響用電設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠涫请娏骰芈分兄陵P(guān)重要、不可或缺的一部分。如若搭鐵設(shè)計(jì)不好，會(huì)造成回路電壓降增大、回路間相互干擾、用電設(shè)備功能異常等問題。

搭鐵設(shè)計(jì)尤為重要，下面對(duì)搭鐵設(shè)計(jì)原則進(jìn)行詳細(xì)論述。

1.4.1 搭鐵類型

1）按搭鐵點(diǎn)回路數(shù)量分類。共用搭鐵：金屬部件上的一個(gè)搭鐵點(diǎn)連接多個(gè)車載用電設(shè)備；單獨(dú)搭鐵：在車身、車架等金屬部件上，一個(gè)用電設(shè)備有一個(gè)單獨(dú)的搭鐵點(diǎn)。

2）按用電設(shè)備類型分類。功率搭鐵：是指各個(gè)電控系統(tǒng)和用電設(shè)備等部件的零電位。其搭鐵好與不好，直接影響電控系統(tǒng)或用電設(shè)備等的正常工作；信號(hào)搭鐵：是指各個(gè)電子控制系統(tǒng)傳感器的零電位。其搭鐵好與不好，會(huì)影響傳感器傳遞給控制單元的信號(hào)是否準(zhǔn)確，進(jìn)而影響電控系統(tǒng)的工作。

3） 按功率型用電設(shè)備的電流特性分類。阻性搭鐵：主要指電阻型用電設(shè)備的零電位；感性搭鐵：主要指電感型用電設(shè)備的零電位。

4）按搭鐵的信號(hào)類型分類。數(shù)字搭鐵：主要指各電子控制單元內(nèi)部數(shù)字電路的零電位；模擬搭鐵：主要指發(fā)出電壓、電流等模擬信號(hào)的傳感器的零電位。

1.4.2 設(shè)計(jì)原則

1）就近搭鐵。考慮到成本、電壓降和防干擾性，搭鐵點(diǎn)盡量靠近用電設(shè)備，特別是針對(duì)弱電信號(hào)搭鐵，以保證信號(hào)傳遞的真實(shí)性。

2）安全性部件要單獨(dú)搭鐵。對(duì)于影響整車性能和安全較大的用電設(shè)備（如ABM、ECU、ESP等）要進(jìn)行單獨(dú)搭鐵，且要嚴(yán)格按照用電設(shè)備要求的導(dǎo)線規(guī)格和尺寸設(shè)計(jì)。

3）搭鐵區(qū)域的要求。在濕區(qū)（4門鈑金、地板等）區(qū)域不建議設(shè)立搭鐵點(diǎn)，便于減少用電設(shè)備的故障率。

4）強(qiáng)弱電分開搭鐵。電機(jī)類大電流用電設(shè)備，要與信號(hào)線及控制回路等小電流分開搭鐵。

5）搭鐵部位的要求。搭鐵部位不得帶有絕緣層，影響導(dǎo)電的噴漆或其他表面處理部位，應(yīng)做局部處理或前期防護(hù)，保證導(dǎo)電良好。

1.4.3 搭鐵端子的選型

根據(jù)用電設(shè)備的功率和所處環(huán)境，選擇合適的端子。

在選擇孔式搭鐵端子時(shí)，要注意：為避免減小搭鐵端子與螺栓的接觸面積，孔徑應(yīng)與搭鐵螺栓規(guī)格相匹配，孔徑一般不應(yīng)超過螺栓外徑0.5 mm。

在設(shè)計(jì)時(shí)，①要充分考慮搭鐵端子的安裝空間和裝配工藝，如裝配時(shí)搭鐵端子變形或與周邊零部件干涉，應(yīng)優(yōu)先選用帶防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的端子；②處在暴露區(qū)域的端子，其表面處理不能采用影響導(dǎo)電性能的方法，且必須要有鍍層，鍍層包括鍍錫、鍍鋅合金等。

2 線束三維布置設(shè)計(jì)

線束三維布置設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)工程師要對(duì)其他系統(tǒng)零部件（車身、動(dòng)力、底盤、內(nèi)外飾等）有系統(tǒng)的了解，并能提出合理的要求。

整車線束的布置形式有多種，比如H、L、E、R等形式，常見的布置形式有H型、E型。

下文對(duì)線束三維布置的原則進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1 考慮裝配方便性和工藝可行性

1）線束的搭鐵端子、插接件等要布置在合理的位置，或簡(jiǎn)單拆卸一些零件后，便可觸及的位置；對(duì)于空間狹小只能伸進(jìn)一只手拔插插接件時(shí)，插接件一端需有固定且固定牢靠。

2）為了拆裝方便，儀表、音響、空調(diào)面板等零部件的對(duì)接線束分支要預(yù)留一定長度（80～100 mm）。

3） 相鄰線束分支的插接件和顏色要有防錯(cuò)，避免裝配時(shí)誤插。

2.2 考慮線束的固定和保護(hù)

1） 線束上兩固定點(diǎn)之間的距離不大于300 mm，拐角處加固定點(diǎn)。

2）為了減少插接件內(nèi)部端子承受振動(dòng)和線束質(zhì)量，建議在主干線束的分支處增加固定點(diǎn)和距離插接件120 mm處增加固定。

3）在空間較小的位置，為了保證線束與周邊零部件的間隙，建議使用護(hù)線盒防護(hù)。

4）為了保證線束的方向性，應(yīng)使用帶定位方向的卡扣。

5） 距離排氣管較近的部位采用150°的閉口波紋管防護(hù)，防止外漏的導(dǎo)線部分與車身產(chǎn)生摩擦，應(yīng)使用波紋管進(jìn)行防護(hù)。

2.3 考慮與周邊零部件的間隙

發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域裝配間隙見表2，儀表板區(qū)域裝配間隙見表3，地板和頂棚區(qū)域裝配間隙見表4，5門區(qū)域裝配間隙見表5，底盤區(qū)域裝配間隙見表6。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域

表3 儀表板區(qū)域

表4 地板和頂棚區(qū)域

表5 5門區(qū)域

表6 底盤區(qū)域

2.4 考慮線束布置的過孔

1）設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮過孔的位置及結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)也要考慮過孔和其他件的相對(duì)位置關(guān)系。

2）線束如從駕駛室內(nèi)向室外通過鈑金孔，外部線束必須低于過線孔，避免線上的液體進(jìn)入室內(nèi)。

3）4門線束和座艙線束連接時(shí)，車門上過孔應(yīng)低于車身側(cè)圍上的過孔。

2.5 考慮線束的運(yùn)動(dòng)校核

1）4門線束在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮開、關(guān)門時(shí)線束預(yù)留的長度要合理。

2）為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)時(shí)（柴油機(jī)抖動(dòng)量大些）線束受到拉力，發(fā)動(dòng)機(jī)線束與機(jī)艙線束對(duì)接部位要預(yù)留一定的長度。

3）座椅線束要預(yù)留一定長度，且保證在座椅運(yùn)動(dòng)時(shí)，不能與周邊零部件摩擦。

4）與車身發(fā)生平行運(yùn)動(dòng)的部分線束且容易發(fā)出聲音的部位，應(yīng)增加海綿或固定，以免產(chǎn)生噪聲。

3 結(jié)束語

為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對(duì)汽車安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性的更高需求，整車用電設(shè)備逐漸增多，線束設(shè)計(jì)難度越趨復(fù)雜。線束的平臺(tái)化、模塊化、輕量化、傳遞信息多元化成為當(dāng)今發(fā)展的趨勢(shì)。

［1］ 劉振超，谷孝衛(wèi)，周鋒，等.淺談汽車線束布置設(shè)計(jì)及原則.汽車電器，2016（2）：12-13.

［2］ 張秋新，祖潤青.整車電源分配的設(shè)計(jì)研究.汽車電器，2017（5）：57-60.