- 降低汽車重量設(shè)計(jì)
- 又不犧牲系統(tǒng)可靠性
- 與傳統(tǒng)的熔斷器保護(hù)集中架構(gòu)進(jìn)行比較
- 運(yùn)用帶PolySwitch™ PPTC器件進(jìn)行汽車線束保護(hù)
簡(jiǎn)介
為了降低二氧化碳排放水平、提高燃料能效，汽車制造企業(yè)如今正在朝著車輛減重這一方向積極努力。因此，設(shè)計(jì)師們也在不斷尋求能幫助他們有效減輕線束重量的新技術(shù)和設(shè)計(jì)手段。為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，汽車制造商還必須降低保修成本并改善用戶滿意度。所以，汽車設(shè)計(jì)師們正面臨著尋找一條新出路的挑戰(zhàn)—既要減輕車重，又不能犧牲系統(tǒng)可靠性。
這種行業(yè)趨勢(shì)引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員重新回顧他們所采用的防止因大故障電流而受損的汽車電力功能保護(hù)方法。盡管在過流保護(hù)上使用分散式線束技術(shù)和PPTC(聚合正溫度系數(shù))器件具有明顯的重量?jī)?yōu)勢(shì)，但許多廠家仍在使用傳統(tǒng)的熔斷保護(hù)技術(shù)，導(dǎo)致線束重量難以減輕。
這份白皮書介紹了采用分散式架構(gòu)和泰科電子PolySwitch器件保護(hù)汽車線束的巨大優(yōu)勢(shì)，并與傳統(tǒng)的熔斷器保護(hù)集中架構(gòu)進(jìn)行了比較。本文還介紹了PolySwitch器件的特性，并提供了將這些器件用于分散式架構(gòu)的具體應(yīng)用實(shí)例，將促進(jìn)開發(fā)更輕便、更靈活、更可靠的線束保護(hù)設(shè)計(jì)。
線束保護(hù)趨勢(shì)
雖然早在 990年代就推出了采用PPTC器件的分散式線束保護(hù)手段，但OEM采用這種方法的進(jìn)展十分緩慢。事實(shí)上，隨著現(xiàn)代車輛應(yīng)用中電氣和電子功能的不斷增加，汽車布線系統(tǒng)已經(jīng)變得比以往任何時(shí)候都要更龐大、更沉重、也更復(fù)雜。
除了改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的阻力之外，使用PPTC器件的好處一直被車輛中歷來使用的粗電線所制約。過去，機(jī)械強(qiáng)度規(guī)定車輛中使用的最細(xì)電線為0.35 mm2 (22 AWG)，可以承載8- 0A電流。這一限制抵消了針對(duì)小電流信號(hào)電路(如<8A)使用PPTC器件的優(yōu)勢(shì)。如今，新型導(dǎo)線材料工藝已經(jīng)能做到讓直徑較小的導(dǎo)線承載較大的電流，比如0. 3 mm2 (26 AWG)導(dǎo)線最大可承載5 A電流。如果配合PPTC分散式保護(hù)架構(gòu)，這種進(jìn)步將會(huì)帶來更多的重量節(jié)省。
一項(xiàng)針對(duì)中、高檔乘用車、采用分散式架構(gòu)和泰科電子PolySwitch器件的研究顯示，僅銅線一項(xiàng)就節(jié)省重量約50%。此外，由于采用了分散式架構(gòu)，并用可復(fù)位PolySwitch器件替代熔斷器，系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性得到大大改善。
汽車線束保護(hù)
在汽車?yán)铮娏魍ㄟ^分布在全車的各種主要和次要電線總成流向不同的電氣負(fù)載。對(duì)于 2 V電池系統(tǒng)來說，電路一般在 4 V系統(tǒng)電壓下(多數(shù)卡車和公交車中是24 V電池系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓為28 V)承載0. 0A到30A的電流。線束必須加以保護(hù)，防止因?yàn)?zāi)難性熱事件(如短路)而受損。
設(shè)計(jì)人員面臨的難題是既要增加電路保護(hù)器件、對(duì)電器系統(tǒng)中的潛在過載條件進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)又要降低總成本和重量。由于典型車輛一般含有數(shù)百個(gè)電路和超過一公里長(zhǎng)的電線，復(fù)雜的布線系統(tǒng)使傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)手段陷入困境，并會(huì)導(dǎo)致不必要的超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)方法：集中式架構(gòu)和熔斷器
如圖1a 所示，汽車布線系統(tǒng)的傳統(tǒng)保護(hù)方案過去采用的是集中和分布式多負(fù)載熔斷技術(shù)。在這種類型的集中(或稱為“星形”)架構(gòu)中，每種功能都需要一條單獨(dú)導(dǎo)線。如果單根導(dǎo)線支持多種功能，那么這根導(dǎo)線及其熔斷器也必須承載所有這些功能的電流總和。當(dāng)從電氣中心發(fā)出的電路越來越多時(shí)，在單獨(dú)一個(gè)接線盒中安排所有導(dǎo)線的出入線路并將該接線盒布置在方便司機(jī)維修的位置，已經(jīng)變得幾乎不大可能了。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員曾經(jīng)訴諸于一些減少了部分最終效用的線束設(shè)計(jì)方案，如：
1. 把負(fù)載組合在一個(gè)電路中，犧牲了導(dǎo)線規(guī)格優(yōu)化和故障隔離；
2. 以提高成本為代價(jià)，把電氣中心布置在只有經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)維修人員才能接近的位置；
3. 在各種功能系統(tǒng)之間來回布線，增加了布線長(zhǎng)度、規(guī)格和成本。例如，由于熔斷器必須便于維護(hù)，傳統(tǒng)的車門模塊可能要為車窗、門鎖、LED和后視鏡功能提供單獨(dú)的電力饋線，每條饋線都要在接線盒內(nèi)用一個(gè)單獨(dú)的熔斷器進(jìn)行保護(hù)。
圖1a. 典型集中式架構(gòu)
圖1b. 典型分散式架構(gòu)
車輛的傳統(tǒng)集中式布線保護(hù)架構(gòu)依靠數(shù)量有限的大規(guī)格熔斷器來保護(hù)各種電路，防止它們因大電流故障條件而受損。雖然熔斷器相對(duì)來說不貴，但作為單一用途器件，一旦燒毀就必須更換。這一特性意味著熔斷器必須安裝在便于接觸的熔斷器盒內(nèi)—這一要求決定了系統(tǒng)架構(gòu)并迫使封裝和系統(tǒng)布局作出讓步。熔斷器在相同的外形尺寸下也具有2A到30A的標(biāo)稱額定電流，它們經(jīng)常被替換成大于設(shè)計(jì)值的熔斷器或者跳出電路的熔斷器(當(dāng)用在離域模塊中時(shí))。備選方法：使用PolySwitch器件的分散式架構(gòu)
這是一種優(yōu)化的線束保護(hù)方案，它具有樹狀層次結(jié)構(gòu)，主電力“干線”分為若干較小的“分支”，而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供過流保護(hù)。這種架構(gòu)允許使用規(guī)格更小、更節(jié)省空間的電線，從而降低了車重和成本。它還有助于改善系統(tǒng)保護(hù)并提供故障隔離，因此極大地提高了可靠性。圖1b給出了分散式架構(gòu)的示意圖，其中多個(gè)接線箱(用黃色表示)通過電源總線供電。每條從接線箱出來、接到電源、再到不同功能裝置的電線都可以用一個(gè)可復(fù)位的電路保護(hù)器件保護(hù)。圖2是局部分布式架構(gòu)的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，其中每個(gè)接線箱要么直接對(duì)一個(gè)模塊供電，要么對(duì)另一個(gè)為外圍負(fù)載提供電力的節(jié)點(diǎn)模塊供電。
圖2. 局部分布式汽車線束架構(gòu)的細(xì)節(jié)
使用PolySwitch過流保護(hù)器件可以實(shí)現(xiàn)分散式電氣系統(tǒng)架構(gòu)。鑒于汽車級(jí)器件的可用性和在繼電器上可以期待的可靠性，這些模塊可以開關(guān)(切換)并保護(hù)自身的輸出負(fù)載并安裝在不便維修的位置。
由于PolySwitch器件的采用不再需要經(jīng)過便于用戶接近的中央熔斷器座進(jìn)行配電布線，因此可以按照電源與負(fù)載之間最直接的路徑完成布線。從而縮短了電線長(zhǎng)度，減小了電線規(guī)格，不僅節(jié)省了大量空間、尺寸和成本，也減少了車輛中使用的各種端子、觸點(diǎn)、開關(guān)和電子驅(qū)動(dòng)電路。此外，分散式架構(gòu)還可以減少所需的連接器和接線箱數(shù)量及尺寸。比如，通過在車門模塊中采用PolySwitch器件，可以使用一條電力饋線，節(jié)省了電線，降低了成本和接線箱尺寸。
表. 傳統(tǒng)熔斷與分散式線束保護(hù)架構(gòu)的電線重量比較。電線重量計(jì)算以銅密度8.96x10-6kg/mm3為依據(jù)
表1給出了與傳統(tǒng)熔斷保護(hù)技術(shù)相比，采用分散式架構(gòu)和PolySwitch器件所能節(jié)省的重量。（注意，如前面所述，本例中使用的最小電線規(guī)格為0.35 mm，而有些應(yīng)用中可以使用規(guī)格更小的電線。）
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使用不需要司機(jī)維護(hù)的可復(fù)位電路保護(hù)器件為設(shè)計(jì)人員提供了大量可單獨(dú)使用也可組合使用的解決方案。位于儀表面板中的單一接線箱可能仍然要使用。與熔斷器不同的是，為便于更換，熔斷器必須安裝在接線箱上部，而PPTC器件可以嵌入接線箱內(nèi)或安裝在接線箱的其他表面上，從而減少了正面的面積需求，如圖3所示。
此外，通過把保護(hù)器件靠近連接器擺放，可以縮短軌跡長(zhǎng)度，接線箱外觀尺寸也可以縮小。也可以選擇把接線箱分成若干較小的單元，并圍繞車身重新選擇它們的位置，而不用考慮是否便于用戶接近。在這種情況下，PolySwitch器件可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)能更加嚴(yán)格地反映優(yōu)化的樹形結(jié)構(gòu)及其伴隨效益的電氣結(jié)構(gòu)。
PolySwitch器件具有各種形狀系數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)與接線箱或電器組件之間的各種接口方案。插裝式(通孔)器件和表面安裝器件使其適合安裝在使用印刷電路板的熔斷器盒或模塊內(nèi)。Strap器件則可以用于金屬電極連接。
新一代PolySwitch片式器件還可以象插片式熔斷器或雙金屬斷路器那樣插入接線盒內(nèi)。雖然這些器件可以自動(dòng)復(fù)位，不需要用戶更換它們，片式器件外形可以讓設(shè)計(jì)人員更換熔斷器或雙金屬器件，而不用等待下一次重新設(shè)計(jì)接線盒。
圖3. 傳統(tǒng)接線盒設(shè)計(jì)(左)與尺寸縮小的接線盒設(shè)計(jì)(右)之比較
提高可靠性
除了節(jié)省重量和成本之外，電路保護(hù)器件的可靠性也是決定如何保護(hù)車輛電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。與熔斷器相比，PPTC器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它們能夠耐受汽車環(huán)境中的各種過流事件—包擴(kuò)諸如導(dǎo)線絕緣層磨損和連接器中接線端子松動(dòng)等情況，而不會(huì)造成器件燒毀或降級(jí)。
PolySwitch器件是用導(dǎo)電填料制造的，如炭黑，可以提供貫穿器件的導(dǎo)電通道。這種器件在正常工作條件下具有電阻較低的特性，而當(dāng)過多電流流經(jīng)該器件時(shí)，其溫度會(huì)升高，晶體狀聚合物會(huì)改變成非晶態(tài)。
如圖4所示，這種瞬態(tài)會(huì)造成聚合物膨脹，導(dǎo)電聚合物內(nèi)的導(dǎo)電通路斷路。在故障時(shí)間過程中，器件電阻一般會(huì)增大三個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。升高的電阻有助于保護(hù)電路中的設(shè)備，方法是把故障條件下流動(dòng)的電流降低至較低的穩(wěn)態(tài)水平。故障被排除、電路重新加電前該器件將始終保持在鎖閉(高電阻)位置；在這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電復(fù)合材料逐步冷卻并結(jié)晶，使PolySwitch器件恢復(fù)至低電阻狀態(tài)，并使受到影響的設(shè)備恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。
圖4. PolySwitch通過從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)來響應(yīng)過流或過溫條件，幫助保護(hù)電路
技術(shù)比較
由于熔斷器是單一用途器件，熱容量較低，在某些應(yīng)用中它們必須選擇“加大”規(guī)格，或者規(guī)定升高的額定電流，以便防止“誤燒毀(nuisanceblow)”。與之相反的是，PPTC 器件的熱容量和跳閘溫度允許更密切地配合設(shè)備的損傷電流，因此縮短了較低電流故障事件中的激活時(shí)間。在某些配置中，PPTC器件在指定故障電流下激活比熔斷器激活更快。
“誤燒毀(nuisance blow)”常常是因?yàn)榕c機(jī)動(dòng)設(shè)備上存在的特定電氣元件有關(guān)的涌入電流而造成的。例如，間歇工作的電機(jī)常常設(shè)計(jì)為工作有限的一段時(shí)間。一般來說，運(yùn)行這種產(chǎn)品的時(shí)間如果超過了設(shè)計(jì)的最大極限，就會(huì)造成堵轉(zhuǎn)、過熱最終直至失效。出現(xiàn)故障條件時(shí)仍保持通電，原因要么是接觸不良，要么就是用戶誤操作。為防止過熱，電路保護(hù)器件必須迅速“跳閘”—但不能比指定時(shí)間更短—以避免對(duì)用戶形成誤操作。
使用PPTC器件的主要優(yōu)勢(shì)在于，能夠規(guī)定該器件的跳閘電流大大低于電機(jī)的正常工作電流，但跳閘時(shí)間卻可以規(guī)定為完整系統(tǒng)工作周期的數(shù)倍，從而防止誤跳閘。
當(dāng)接觸到超過系統(tǒng)工作電流的故障條件時(shí)，熔斷器會(huì)達(dá)到不需要的溫度，卻又不足以導(dǎo)致及時(shí)激活。與此相反的是，PPTC器件的激活速度相對(duì)較快、溫度穩(wěn)定，因此故障電流對(duì)其表面溫度影響不大。
平均故障間隔時(shí)間(MTTF)是選擇電路保護(hù)器件的另一個(gè)重要考慮。MTTF與MTBF(平均無故障時(shí)間)的計(jì)算相同。其區(qū)別是MTBF是指可維修的系統(tǒng)，即一次維修到下一次故障之間的時(shí)間。而MTTF則用在無法維修的情況下，如某個(gè)單一元件。
表2按照電信行業(yè)的可靠性預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Bellcore TR332比較了PolySwitch器件與其他電路保護(hù)器件的MTTF。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)車輛的電氣/ 電子系統(tǒng)中也扮演著重要角色。AEC-Q200——被動(dòng)元件的應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，包含了用于汽車環(huán)境的PPTC器件測(cè)試要求。該試驗(yàn)方案包括一系列電氣和環(huán)境應(yīng)力測(cè)試，要求在每次受力前后進(jìn)行電氣驗(yàn)證。電氣驗(yàn)證試驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是核查器件在三種溫度下(-40℃、25℃和最高溫度)是否滿足電阻、跳閘時(shí)間和維持電流的性能要求。
泰科電子的PolySwitch器件具有汽車環(huán)境要求的穩(wěn)健特性，符合嚴(yán)格的測(cè)試程序，這些程序定義了應(yīng)力測(cè)試前后的性能極限。用于汽車等級(jí)器件鑒定的泰科電子PS400規(guī)范涵蓋了AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，并采納了各種ANSI、ISO、JEDEC、UL和軍方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有關(guān)物理、功能、環(huán)境、電氣和機(jī)械要求。
表2. 電信應(yīng)用中電路保護(hù)器件的MTTF比較
應(yīng)用PolySwitch器件和分散式架構(gòu)
配電分散化為電氣及電子系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新提供了許多機(jī)遇。下面列舉了若干實(shí)例，說明了可復(fù)位電路保護(hù)所起的作用。
縮小了直流電機(jī)和執(zhí)行器的導(dǎo)線、端子、連接器及開關(guān)尺寸
由于失速電流較高，典型集中式配置中的電機(jī)電路一般通過大規(guī)格斷路器或熔斷器加以保護(hù)。這種設(shè)計(jì)必須使用規(guī)格更粗的導(dǎo)線，因此接口引腳和連接器的規(guī)格也必須較大。其結(jié)果就是借口封裝面積必須更大，從而帶來了空間和重量問題。此外，由于后門車窗、門鎖和后艙電動(dòng)天線的電機(jī)距離其控制開關(guān)較遠(yuǎn)，電機(jī)饋線可能又長(zhǎng)又重。
與此相反，分散式架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員把PPTC器件安裝在控制電機(jī)的開關(guān)、繼電器或電子驅(qū)動(dòng)電路上，實(shí)現(xiàn)了電路保護(hù)器件的合理分布。PPTC器件還限制了經(jīng)饋線電路流向受保護(hù)電機(jī)的電流。這樣就可以大大縮小饋線規(guī)格。以電動(dòng)車窗為例，如果采用上游斷路器進(jìn)行保護(hù)的話，饋電一般要使用3.0 mm2導(dǎo)線。如果在電機(jī)控制開關(guān)中采用PPTC器件，饋線規(guī)格可以縮小到0.8mm2，由壓降決定。
導(dǎo)線規(guī)格縮小又可以使用尺寸更小的端子、接口連接器和開關(guān)。此外，微調(diào)(微控)電路也可以在驅(qū)動(dòng)電路中使用成本更低、功率更小的無保護(hù)晶體管。最終大大節(jié)省了導(dǎo)線總成及其相關(guān)硬件的成本。使用小規(guī)格導(dǎo)線減小了布線總成線束的尺寸，提高了導(dǎo)線的靈活性。改善了布線總成的外觀。也減小了在車輛中安裝導(dǎo)線需要的外力，因而降低了安裝過程中造成損壞
的可能性。以下實(shí)例說明了這種好處的實(shí)用性。
縮短了氣囊安全電路中的饋線長(zhǎng)度
汽車安全氣囊是解釋對(duì)安全電路布線總成提出嚴(yán)格要求的最佳例證。這些裝置包括絞接信號(hào)線、專用電路接頭、連接器接口上的短路棒和冗余饋線。
在典型的集中式線束保護(hù)方案中，氣囊裝置中的饋線從點(diǎn)火開關(guān)到開關(guān)到熔斷器座再到儀表面板中央的氣囊控制模塊。而分散式保護(hù)方案則可以合理地把PPTC器件布置在轉(zhuǎn)向柱底座上。這樣就可以讓饋線直接從點(diǎn)火開關(guān)連接到氣囊控制模塊。這種方式使饋線縮短了一米多。
減輕了拖車牽引燈電路的導(dǎo)線重量
野蠻使用、維護(hù)不一致以及進(jìn)水導(dǎo)致的短路和過載使拖車牽引電路成為一種高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用。為了提高可靠性，拖車牽引燈電路一般獨(dú)立使用一個(gè)熔斷器和饋電線路。在這種設(shè)計(jì)中，所有車燈一般都通過安裝在集中熔斷器座內(nèi)的單個(gè)熔斷器加以保護(hù)。
然而在分散式架構(gòu)中，PolySwitch器件可以安裝在車燈總成、連接器或搭接塊上，有效減少了三個(gè)熔斷器、一個(gè)繼電器、三條長(zhǎng)導(dǎo)線和相關(guān)的連接器。這種方案也簡(jiǎn)化了制動(dòng)、方向和危險(xiǎn)模塊及開關(guān)的設(shè)計(jì)。圖5a和圖5b比較了傳統(tǒng)集中式設(shè)計(jì)和分散式保護(hù)設(shè)計(jì)，后者在每個(gè)對(duì)應(yīng)的交匯節(jié)點(diǎn)上使用PolySwitch器件保護(hù)各車燈電路。
圖5a. 傳統(tǒng)的集中式保護(hù)方案圖
5b. 使用PolySwitch PPTC器件的分散式保護(hù)方案
通過使用分散式架構(gòu)，當(dāng)發(fā)生短路或過載時(shí)，由PolySwitch器件對(duì)車輛布線進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)拖車與電源斷開后，PolySwitch器件會(huì)自動(dòng)復(fù)位。與傳統(tǒng)電路保護(hù)手段不同，在發(fā)生瞬時(shí)過載時(shí)，這種設(shè)計(jì)不需要司機(jī)找出、更換燒毀的熔斷器。
除此以外，連接各車燈到交匯節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線只需承載流向此車燈的電流——而采用共用饋線及其熔斷器的設(shè)計(jì)就必須承載流向所有車燈的電流總和。最重要的一點(diǎn)是，無論哪個(gè)拖車牽引燈電路發(fā)生過流故障，受影響的只有這個(gè)電路，其他車燈將正常工作。
縮小了LED中置高位剎車燈電路的導(dǎo)線規(guī)格
發(fā)光二極管(LED)所具有的低功耗和設(shè)計(jì)靈活性使其在照明電路中的應(yīng)用日益普及，包括中置高位剎車燈(CHMSL)。在這種應(yīng)用中用LED取代白熾燈的好處在于，能使用小規(guī)格低電流導(dǎo)線方便地在車頂內(nèi)襯和靠近鉸鏈處不容易彎曲的連接中輕松地進(jìn)行布線，如圖6所示。采用PolySwitch器件和分散式架構(gòu)保護(hù)LED CHMSL照明應(yīng)用提高了設(shè)計(jì)靈活性，減少了導(dǎo)線數(shù)量和重量并提高了可靠性。
圖6. LED CHMSL應(yīng)用中的分布式線束保護(hù)
結(jié)論
采用帶PPTC過流保護(hù)的分散式架構(gòu)可以大大降低汽車設(shè)計(jì)重量。雖然分散式方法已經(jīng)成熟多年，但直到能承載大電流的細(xì)導(dǎo)線近期具備可用性、新的行業(yè)激勵(lì)因素出現(xiàn)時(shí)才使得這種方法比之傳統(tǒng)熔斷保護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)凸顯出來。
在分散式線束保護(hù)方案中使用泰科電子的PolySwitch PPTC器件提供了許多重要的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。由于其功能可以恢復(fù)、低電阻特性、額定電泛，PolySwitch器件可以幫助汽車設(shè)計(jì)師減少導(dǎo)線長(zhǎng)度和重量，同時(shí)提高設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)可靠性。
