汽車中央配電盒的設(shè)計(jì)和開發(fā)

谷孝衛(wèi)，王勝利，陳海濤，蔣廷云

（河南天海電器有限公司線束研發(fā)中心，河南 鶴壁 458030）

1 中央配電盒設(shè)計(jì)概述

中央配電盒 （又稱熔斷絲盒或保險(xiǎn)盒）是整車用電器的電力分配集中裝置，一般由基體和熔斷絲、繼電器、拔片器、匯流條、PCB（Print Circuit Board）、塑料支架、接線柱和插接件等構(gòu)成。集中式布置有利于節(jié)約整車的空間、降低成本和維護(hù)方便。一輛汽車一般來說擁有兩個(gè)中央配電盒，發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室各有一個(gè)，有些車型在蓄電池正極上會(huì)掛接一個(gè)小型的配電盒，負(fù)責(zé)整車大電流的分配。在較高端的車型中，中央配電盒的數(shù)量會(huì)增至3~4個(gè)，比如在行李廂布置一個(gè)，或者駕駛室布置兩個(gè)。

按照項(xiàng)目整體的控制成本和對(duì)產(chǎn)品性能穩(wěn)定的要求，在能夠滿足新開發(fā)車型熔斷絲、繼電器回路要求的情況下，盡量?jī)?yōu)先考慮直接借用現(xiàn)有產(chǎn)品。這不僅能降低開發(fā)成本和管理成本、縮短開發(fā)周期、 同時(shí)也能保證產(chǎn)品的品質(zhì)；如果不能直接借用現(xiàn)有產(chǎn)品，可以考慮在現(xiàn)有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行局部更改，這樣也可以縮短一定的開發(fā)周期和后續(xù)試驗(yàn)周期；對(duì)于沒有借用可能，需要全新開發(fā)的產(chǎn)品，一定要經(jīng)過嚴(yán)格的各種試驗(yàn)才能裝車投入市場(chǎng)。

中央配電盒是整車電路的心臟，設(shè)計(jì)的合理與優(yōu)劣對(duì)整車的電氣性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，而它的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)極為復(fù)雜的工作，需要注意的要點(diǎn)很多，我們將在下面的內(nèi)容中逐一闡述。

2 中央配電盒的設(shè)計(jì)

2.1 中央配電盒的選型

中央配電盒較為常見的有4種，分別為插線式配電盒、匯流條式配電盒、PCB板式配電盒和智能配電盒，這4種配電盒均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也均有各自的使用領(lǐng)域，我們應(yīng)依據(jù)車型的狀況和客戶的要求來選擇合適的配電盒。

2.1.1 插線式配電盒

該配電盒可以定義為：以配電盒為母體，將壓接好導(dǎo)線的端子穿入配電盒內(nèi)，然后安裝相應(yīng)的熔斷絲和繼電器。繼電器和熔斷絲之間的相互關(guān)系完全靠線束來完成，圖1就是一款典型的插線式配電盒。

1）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于更改和產(chǎn)品改型，適用范圍廣 （能滿足大電流熔斷絲和繼電器及高低溫環(huán)境），成本是4種配電盒中最低的，一般用于市場(chǎng)定位較低的車型中。

2）缺點(diǎn)：線束裝配復(fù)雜，不便于維修和更換，性能可靠性略差，不易防錯(cuò)，易產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷 （如繼電器端子退位等）。

2.1.2 匯流條式配電盒

該配電盒是以銅合金板的形式來實(shí)現(xiàn)熔斷絲和繼電器之間的相互關(guān)系，各層銅合金板之間又分別布置了絕緣板。該類型的配電盒目前也得到了廣泛的應(yīng)用，圖2就是一款典型的匯流條式配電盒。

1）優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，應(yīng)用范圍廣，可適用于大電流回路和不同的空間尺寸要求，適用于整車高低溫環(huán)境。與線束對(duì)接裝配方便快捷。

2）缺點(diǎn)：產(chǎn)品開發(fā)投資較大，設(shè)計(jì)更改周期長(zhǎng)且費(fèi)用較高。

2.1.3 PCB配電盒

該配電盒以PCB（雙層板）的形式通過銅箔實(shí)現(xiàn)熔斷絲和繼電器之間的相互關(guān)系，PCB的一層焊接有熔斷絲插座和繼電器插座，另一層焊接有配電盒插接件端子 （與線束對(duì)接）。圖3就是一款典型的PCB配電盒。

1）優(yōu)點(diǎn)：易于標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)品開發(fā)投入較低，設(shè)計(jì)更改容易且費(fèi)用低，與線束裝配對(duì)接方便快捷。

2）缺點(diǎn)：使用范圍較窄，因?yàn)镻CB的特性和銅箔對(duì)電流的限制，該類型配電盒不適用于高溫環(huán)境（如發(fā)動(dòng)機(jī)艙）和大電流回路。

2.1.4 智能配電盒

智能配電盒是最近幾年逐漸興起的新生代產(chǎn)品，由于汽車的發(fā)展越來越快，電路也越來越復(fù)雜，這樣整車線束的質(zhì)量也變得越來越大，這時(shí)候智能配電盒應(yīng)運(yùn)而生。智能配電盒是一個(gè)智能控制系統(tǒng)，它將整車BCM和部分的繼電器以及熔斷絲集成在了一個(gè)總的控制單元上，這樣就能大大減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中BCM和配電盒之間大量的導(dǎo)線，這樣的設(shè)計(jì)也使得整車電路的穩(wěn)定性得以很大的提高。圖4是一款典型的智能配電盒。

1）優(yōu)點(diǎn)：便于集中供電管理，對(duì)整車電氣性能有很大的提高，能節(jié)約大量導(dǎo)線，簡(jiǎn)化線束。

2）缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)開發(fā)難度較大，需要BCM和配電盒的協(xié)同開發(fā)，整體成本較高 （包括維修成本）。

2.2 中央配電盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電盒的設(shè)計(jì)一般分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們可按照?qǐng)D5所示的流程來逐步進(jìn)行。

2.2.1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，我們需要搜集的輸入信息有配電盒的最大邊界尺寸、配電盒的固定方式、線束在配電盒的出入方向及位置、配電盒的密閉性 （防水或是否帶上下蓋等）。

1）最大邊界尺寸一般是主機(jī)廠向我們提供的配電盒與車身其它部件不干涉的基本尺寸，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，整體外部尺寸應(yīng)略小于該尺寸，同時(shí)還應(yīng)考慮到配電盒的安裝、拆卸以及維修的方便性，在考慮這些因素后，配電盒的外部結(jié)構(gòu)尺寸也許會(huì)進(jìn)一步縮小。

2）需要根據(jù)該配電盒的安裝位置以及周邊環(huán)境來確定配電盒是以螺栓緊固還是支架卡接固定。在設(shè)計(jì)固定方式時(shí)，應(yīng)充分考慮到配電盒在行車以及極端惡劣的環(huán)境下的穩(wěn)定性，還應(yīng)考慮到主機(jī)廠工人安裝的便捷性。

3）出入口的設(shè)計(jì)因?yàn)闋可娴骄€束的整體布置，在前期階段可能并不能完全確定下來，后期有更改的可能，我們應(yīng)根據(jù)線束從配電盒的走向 （出、入或者只入不出），在確定線束出入口時(shí)，應(yīng)考慮到線束生產(chǎn)時(shí)的便利性以及線束在整車上安裝的便利性，同時(shí)應(yīng)注意整體視覺效果，保證線束的平順性，避免線束在配電盒處歪扭或者迂回。

4）密封結(jié)構(gòu)的確定是以配電盒所處的環(huán)境位置來確定的，一般發(fā)動(dòng)機(jī)艙配電盒均帶有上下盒蓋，甚至一些車型還要求密閉防水；而駕駛室內(nèi)配電盒因環(huán)境較好，且受駕駛室內(nèi)空間限制，配電盒均不帶上蓋，為了防止端子與車體其他部分接觸短路，一般要求有下蓋保護(hù)。

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)于外部結(jié)構(gòu)來說則復(fù)雜得多，需要有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)輸入，至少保證80%以上的準(zhǔn)確性。電源分配圖是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本，所以必須保證在配電盒模具開發(fā)之后不能有較大范圍的改動(dòng)。為了方便設(shè)計(jì)，需要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前依據(jù)電源分配圖統(tǒng)計(jì)出下面的數(shù)據(jù)列表。

奶牛的一生要經(jīng)歷幾個(gè)成長(zhǎng)階段，每個(gè)階段都要精心呵護(hù)對(duì)待，但犢牛是基礎(chǔ)，犢牛的健康是養(yǎng)殖場(chǎng)的關(guān)鍵，是牛場(chǎng)的未來，所以養(yǎng)好牛，對(duì)奶牛牧場(chǎng)尤為重要。

下面將依據(jù)表1中某車型的統(tǒng)計(jì)表來具體闡述在配電盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 （此處以插線式配電盒設(shè)計(jì)為例）。

1）熔斷絲和繼電器的預(yù)留問題

在設(shè)計(jì)電源分配圖時(shí)應(yīng)以該項(xiàng)目的最高配置車型來設(shè)計(jì)，因?yàn)榭臻g的限制，在設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)過多預(yù)留熔斷絲和繼電器位置，但為了防止后期的車型配置變更導(dǎo)致配電盒的重新設(shè)計(jì)，我們又不能不預(yù)留。所以合理的分配在此處尤其重要。

以駕駛室配電盒為例，該配電盒內(nèi)共有4個(gè)JCASE慢熔熔斷絲，一般再預(yù)留2~3個(gè)；取自常電的MINI熔斷絲有16個(gè)，一般預(yù)留3~4個(gè)；取自除霜繼電器的MINI熔斷絲有2個(gè)，因后期無其他除霜功能可加，則不預(yù)留；取自ACC、IG1、IG2的MINI熔斷絲分別為4個(gè)、7個(gè)和2個(gè)，分別預(yù)留2~3個(gè)即可。

因?yàn)橐陨先蹟嘟z的取電方式均有限制，所以我們應(yīng)再預(yù)留4~5個(gè)獨(dú)立的熔斷絲 （不通過匯流條）。

9.5 ／6.3繼電器和6.3／6.3繼電器目前分別有2個(gè)和3個(gè)，因?yàn)榇祟惱^電器所用較少，一般各自再預(yù)留一個(gè)即可；6.3／4.8繼電器使用了9個(gè)，因?yàn)樵擃惱^電器使用范圍較廣，則可預(yù)留2~3個(gè)。

表1 XXXX整車?yán)^電器和熔斷絲分布統(tǒng)計(jì)表

2）熔斷絲和繼電器的排布

如何在有限的空間內(nèi)排布額定數(shù)量的熔斷絲和繼電器是一項(xiàng)令人頭疼的工作，這需要我們認(rèn)真地分析電源分配圖，捋清熔斷絲和繼電器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，合理利用匯流條來進(jìn)行排布。仍以表1中的駕駛室配電盒為例，16個(gè)MINI熔斷絲取自常電，則可以設(shè)計(jì)一根匯流條，取自IG1的熔斷絲也多達(dá)7個(gè)，同樣也可以設(shè)計(jì)一根匯流條，而除霜繼電器又是直接取自常電后再過熔斷絲，所以就有了下面圖6所示的設(shè)計(jì)方案。

在排布熔斷絲和繼電器時(shí)，應(yīng)注意彼此之間避免交叉混亂，這樣在線束裝配時(shí)不至于讓配電盒內(nèi)的導(dǎo)線過于混亂。同時(shí)還應(yīng)注意散熱問題，在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮到，并且在后期的Abaqus電熱分析中驗(yàn)證。裝配的便利性也是我們要考慮的，合理分布繼電器與熔斷絲的位置，避免后期出現(xiàn)插拔繼電器和熔斷絲的時(shí)候無法下手或無法使力的狀況發(fā)生。

此處并不局限于該選取哪種熔斷絲和繼電器端子，只要保證端子在配電盒內(nèi)的保持力，端子與繼電器和熔斷絲的插拔力即可。導(dǎo)電性要考慮端子壓接線束后的電壓降，我們應(yīng)該緊密結(jié)合積累起來的失效數(shù)據(jù)庫，避免問題端子的重復(fù)選用，例如在某車型的配電盒中，音叉式熔斷絲端子在熔斷絲經(jīng)過數(shù)次插拔后存在插拔力不足的隱患，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以注意。

4）熔斷絲和繼電器的編號(hào)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定后，則需要對(duì)繼電器和熔斷絲編號(hào)了，因?yàn)楹竺娴脑韴D設(shè)計(jì)會(huì)用到，編號(hào)也需要再返回到電源分配圖中輸入。熔斷絲一般按F1~F99編號(hào)，繼電器按照R1~R99編號(hào)。可以將所有的熔斷絲和繼電器合并在一起編號(hào)，也可按照配電盒分開編號(hào)，但必須保證原理圖、電源分配圖、線束二維圖、配電盒標(biāo)識(shí)的編號(hào)一致性。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 電熱分析

依據(jù)Abaqus軟件輸入熱導(dǎo)率、潛伏熱、比熱、電導(dǎo)率、材料密度、焦耳熱、對(duì)流系數(shù)、輻射率等數(shù)據(jù)參數(shù)，再根據(jù)電源分配圖輸入各管腳電流，最后得出相應(yīng)的時(shí)間-溫度曲線以及整個(gè)配電盒內(nèi)的熱場(chǎng)分布，各個(gè)回路的電壓降。最后解析結(jié)果，對(duì)不合理的地方調(diào)整。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)Abaqus軟件輸入物性表 （密度、摩擦系數(shù)、泊松比、楊氏模量、應(yīng)力、應(yīng)變等），最后得出端子插拔力、端子插入護(hù)套力及在護(hù)套中的保持力、鉸鏈的抗彎曲能力等，然后解析結(jié)果，對(duì)不合理的地方作出相應(yīng)調(diào)整。

3.3 制造分析

依據(jù)MoldFlow軟件輸入STL格式3D數(shù)據(jù)以及材料參數(shù)和工藝參數(shù)等，設(shè)置相應(yīng)的分析順序，最后得出流動(dòng)、冷卻、翹曲參數(shù)等。然后解析結(jié)果，對(duì)不合理的地方作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

3.4 裝配驗(yàn)證

依據(jù)數(shù)模做出快速成型件，在汽車上模擬裝配，分析裝配的合理性以及干涉情況，如有不合理，則繼續(xù)調(diào)整相應(yīng)結(jié)構(gòu)。

4 總結(jié)

以上的設(shè)計(jì)流程是基于插線式配電盒來說的，當(dāng)需要設(shè)計(jì)的配電盒為匯流條式和PCB配電盒時(shí)，大致思路仍然相同，需要額外注意的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

1）因?yàn)閰R流條式配電盒和PCB板配電盒均集成了部分整車電路，所以在設(shè)計(jì)的過程中，需要繪制出配電盒的原理圖，這個(gè)原理圖是依據(jù)電源分配圖而來，最后分析該原理圖的合理性及可靠性。

2）在設(shè)計(jì)銅合金板以及PCB板時(shí)，依據(jù)電流流經(jīng)的方向，考慮銅板及錫箔的電流承受能力以及整體的溫升。

3）插接件 （連接線束與配電盒）的選取和設(shè)計(jì)，配電盒背部的連接器在選取設(shè)計(jì)時(shí)要獨(dú)立分析每一個(gè)端子的電流大小，最后選擇合適的端子寬度。結(jié)合配電盒和線束，選擇合適數(shù)量及規(guī)格的連接器，最后在布局上考慮裝配的便利性。

5 結(jié)束語

經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)更改之后，依據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度，最后確定最終的配電盒圖紙，包括配電盒的3D數(shù)模、二維圖紙、模具圖紙、裝配圖紙等，然后發(fā)布開模指令。關(guān)于后期的模具開發(fā)、模具制造、材料選擇等內(nèi)容，本文將不再做進(jìn)一步說明，但需要注意的是，在選擇配電盒原材料時(shí)，需要保證原材料滿足歐盟市場(chǎng)準(zhǔn)入的兩項(xiàng)環(huán)保指令，分別為WEEE（歐盟議會(huì)和歐盟理事會(huì)關(guān)于電子電氣設(shè)備廢棄物的指令案）和ROHS（歐盟議會(huì)和歐盟理事會(huì)關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令案）。

［1］閆新明，邱國強(qiáng)，田勇，等.汽車中央電器配電盒模擬負(fù)載檢測(cè)法［J］. 汽車電器， 2004 （10）： 52-54.