汽車線束回路設計方法研究及應用

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線的選型，然后介紹了從成本出發和從性能出發兩個不同的方面的線束回路設計方法及應用，并提出了具體的控制策略及實施途徑，為線束回路設計提供了技術支撐，對線束設計人員具有較強的指導意義。

關鍵詞：線束回路;設計方法;應用

0 引言

作為汽車電器功能的連接載體，線束產品實現各電器原件之間的電路連接。各電路連接的起點和終點構成線束產品中的回路。可以說線束環是線束產品的核心。線束回路設計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，電器元器件數量增加，電器之間的信號交互變得越來越密切，汽車線束電路數量迅速增加，一般汽車線束電路數量已達到近1000個。如何優化這么多的電路是汽車線束設計中的一個難題[1]。

1 汽車線束導線的選型

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

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

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

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

導線的降額曲線是線束布置的重要依據，靠近熱源的區域，需要根據環境溫度選取適合的耐溫導線。降額能力主要與導線絕緣皮厚度有關，和線芯使用的材料關系不大。

（4）導線溫升。通電的導線自身會產生熱量（Q），可根據焦耳定律Q=I2Rt計算。但一般情況下，是不考慮導線的自身發熱的，因為環境溫度一般相對較低，而熱量一般從高溫區域向低溫區域擴散，導線產生的熱量能夠及時散出。

所以，考慮導線的溫升一般是在外界高溫的環境下，導線發熱大于散熱時，導線容易燒蝕，這是線束設計重點關注的風險項，通常可以采取加大導線線徑的方式來提高導線的散熱能力。

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

每根導線的電壓降=導線長度×電阻率×溫度系數，除此之外，電壓降還需要考慮端子壓接的電壓降，和與連接器對接時的電壓降。所以，線路上總電壓降=∑（每根導線電壓降+每個壓接電壓降+每個連接器對接電壓降）。線束電壓降仿真在整車上進行，包括了線束到某元器件的所有電壓降，一般只對部分敏感元器件做電壓降測試，比如行車喇叭，要求阻抗小于29.10mΩ。在大多數情況下，線路的電壓降是忽略不計的，但是導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 從成本出發的回路設計方法

線束回路約占線束物料成本的90%，包含導線及接插件，要控制線束設計成本，必須從線束回路設計優化著手。針對導線使用而言，如何用最少的導線長度實現回路連接功能，是回路設計首先要考慮的問題。這其中涉及兩個方面的設計要素：電器零部件的布置位置和線束布置路徑的選擇。這兩個要素獨立而又相互關聯，對導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，進而確定在整車環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上，用最短的線束長度覆蓋盡量多的零部件布置區域，這也是整車電器拓撲的雛形。在完成整車拓撲搭建后，就需要對其進行設計校核，通過核算具體的導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 基于性能的回路設計方法

首先回路的設計必須要對無法探測的失效模式進行規避，熔斷絲后部與繼電器線圈端和觸點端并接的回路，這樣的設計在整車電路設計中很普遍，當繼電器線圈端和觸點端端子不同時，這樣的設計顯然是合理的，但當繼電器線圈端和觸點端端子相同時，這樣的設計在端子插入繼電器孔位插錯的情況下，目前的電檢設備還無法識別這樣的失效方式。所以這種回路設計方式在某些情況下是不能采用的。當然不同的設計工程師面臨的設計環境和制造環境有差異，具體的失效模式也會有所不同，但回路設計中失效模式的規避是首先要考慮的。另一個方面，目前汽車電子化水平顯著提高，作為一個電子載體，汽車上面臨的電磁環境也更復雜，而線束回路設計如何減少電磁干擾是一個不可避免的課題。導線耦合干擾、電源干擾、搭鐵干擾、輻射干擾等都會對電器件正常工作產生不利影響，而線束中各回路捆扎在一起，線束回路之間，線束與金屬導體之間產生的導線耦合干擾在線束上表現得尤為突出。

在回路設計中要減少導線耦合干擾，首先要區分干擾回路和敏感回路。簡單點說，感性類負載回路比如點火線圈、喇叭、電機等屬于干擾回路，而影像、雷達探頭、低功率的LED燈、各類傳感器等回路屬于敏感回路，在設計過程中干擾回路和敏感回路需要分開布置。

4 結論

現有的汽車線束設計技術資料主要在線束物料選擇及制造加工環節對線束設計提供設計指導，但對線束回路的規劃及設計理念缺少系統的分析，本文簡單的對汽車線束導線的選型以及從兩個方面對線束回路設計的方法進行了說明，希望可以對以后的汽車線束回路設計有幫助。

參考文獻：

[1]李軍.汽車線束導線的選用研究[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].時代農機，2016（01）：12-14.