淺談汽車低壓電線束設計

王偉剛

（北汽集團 北京汽車國際發展有限公司產品工程中心，北京 100021）

汽車上各用電設備之間的控制及信號傳遞靠低壓電線束網絡來實現。汽車低壓電線束是汽車電路的網絡主體，是汽車的“中樞神經”，是連接電源和各個用電設備的重要部件，是傳輸能量、傳遞各種信號的載體，線束分布遍布全車，其重要性不言而喻。通俗地講，低壓電線束由導線、端子、插接件和包裹膠帶、絕緣防護組成。

隨著整車用電設備的增多，留給線束的布置空間越來越小，這就要求電線束的設計必須具有更優質、更可靠的數據傳輸性能，同時要求節省空間，減少汽車整備質量，要同時達到這些要求是對汽車低壓電線束一個很大的挑戰，因此汽車低壓電線束設計的綜合性能便成為重中之重。

1 整車電氣原理設計

整車電氣原理設計是為了確保所有電器設備都能正常工作，并通過熔斷器、繼電器、導線、開關等控制裝置與汽車電源連接起來實現的。

1.1 電源分配的設計

電源分配是以安全性為主，依據整車電器功能設計和實現的，反映蓄電池、發電機、熔斷器、繼電器以及負載的連接關系，通過如何合理地分配蓄電池或發電機的電能給用電設備供電的設計。根據點火開關的位置，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。所接負載一般為整車的安全件、重要件，如室內燈、防盜系統、前照燈、發動機ECU、診斷系統等。

ACC電：點火開關處于ACC擋時的供電。當起動機起動時，ACC電卸荷。所接負載一般有音響系統、天窗、點煙器等。

ON擋電：一般稱為15電，點火開關處于ON擋時的供電，分為IG1和IG2。當起動機起動時，IG2電卸荷。所接負載一般有鼓風機、電動門窗、組合儀表等。

ST擋電：給起動機供電，起動發動機。汽車起動后，鑰匙自動回位ON擋。

在進行電源分配設計時，車型配置表是重要的輸入文件，通過對配置表的深入分析、配置對比，可以幫助設計者設計出較合理的整車電源分配，一般按照車型的最高配置進行設計。

1.2 熔斷器的選型設計

熔斷器串聯在電源和用電設備之間，作用是保護用電設備和相關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，熔斷的時間比快熔式熔斷器時間更長，其結構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，熔斷時間較短。其主要部件是低溫合金導線，它封裝在片式塑料板、陶瓷管或玻璃管內。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，需要考慮負載的類型、環境溫度、電流范圍、安裝環境等因素。

圖2 慢熔式熔斷器

圖3 快熔式熔斷器

根據電路負載特性，當負載沖擊電流小（或時間短）及為阻性負載時，可以選用快熔式熔斷器；當負載沖擊電流較大（或時間較長）及為感/容性負載時，可以選慢熔式熔斷器；根據裝配位置，優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%為電器負載的工作電流；當環境溫度升高時，熔斷器的載流能力下降，需考慮熔斷器的溫度修正系數。

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（可查詢溫度修正系數曲線圖）。

最后選擇現有規格里與If接近且大于計算結果的熔斷器。

2）慢熔式熔斷器額定電流的確定

對于慢熔式熔斷器額定電流的確定比較復雜，需要滿足以下3個條件：①根據穩態電流計算熔斷器的額定值電流：參照公式（1），初步選定規格合適的慢熔式熔斷器。②需滿足電氣負載啟動電流沖擊時間：將初選的慢熔式熔斷器的熔斷特性與負載的浪涌電流沖擊時間比較，需滿足負載的浪涌電流沖擊時間小于熔斷器對應的熔斷時間。③計算相對I2t參數對熔斷器壽命的影響：計算相對I2t按照公式（2）計算。

通常計算出的相對I2t需小于30%，即熔斷器承受浪涌次數10萬以上。

1.3 繼電器的選型設計

繼電器是一種當輸入量（電、熱、光、磁、聲）達到一定值，輸出量將會發生跳躍式變化實現自動控制的器件。繼電器具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），普遍應用于實現自動控制的電路中，它實際上是一種用小電流控制大電流的“自動開關”。故在電路中能夠起到轉換電路、自動調節、安全保護等作用。

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、風速繼電器、溫度繼電器、電磁繼電器、時間繼電器、固態繼電器等；②按觸點負載分為：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。

繼電器選型時應參考使用環境、負載類型、負載工作電流曲線以及其他相關要求等。

1.3.1 使用環境

1）環境溫度。導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境溫度的升高；溫升對線圈和觸點的影響也很大，漆層老化加劇，吸合、釋放參數的變化。

一般繼電器的環境工作溫度主要有2種：一種是-40～85℃，一種是-40～125℃。由于設計使用材料的不同，可直接影響到繼電器的選用成本。故根據實際環境溫度和使用情況進行合理選用。一般情況下，駕駛室選擇-40～85℃的繼電器；前機艙選擇-40～125℃的繼電器。

2）相對濕度、粉塵等。在粉塵大、高濕環境下，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部，且電器盒本身具有一定的防塵、防潮等效果。

1.3.2 負載類型

車輛上電器設備常用的負載種類有阻性負載、感性負載、容性負載，見表1。設計或選型時，應提供負載類型。

表1 負載種類

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時間均需大于負載的穩態電流、沖擊電流及沖擊時間。容性負載所選繼電器所承受的電流值應為用電設備正常工作電流的4倍左右；阻性負載和感性負載為了延長繼電器的使用壽命，應當選用大電流的繼電器，選擇繼電器所承受的電流比用電設備的電流越大，繼電器的使用壽命就越長。

1.3.4 相關要求

對具有提示功能的繼電器，選用工作時的聲音不小于50 dB的繼電器。

對不具有提示功能的繼電器，選用工作時的聲音小于50 dB的繼電器。

1.4 搭鐵設計

搭鐵：即車載用電設備、蓄電池負極與車身等金屬部件連接的導線稱為搭鐵。搭鐵的可靠性直接影響用電設備功能的實現，因為其是電流回路中至關重要、不可或缺的一部分。如若搭鐵設計不好，會造成回路電壓降增大、回路間相互干擾、用電設備功能異常等問題。

搭鐵設計尤為重要，下面對搭鐵設計原則進行詳細論述。

1.4.1 搭鐵類型

1）按搭鐵點回路數量分類。共用搭鐵：金屬部件上的一個搭鐵點連接多個車載用電設備；單獨搭鐵：在車身、車架等金屬部件上，一個用電設備有一個單獨的搭鐵點。

2）按用電設備類型分類。功率搭鐵：是指各個電控系統和用電設備等部件的零電位。其搭鐵好與不好，直接影響電控系統或用電設備等的正常工作；信號搭鐵：是指各個電子控制系統傳感器的零電位。其搭鐵好與不好，會影響傳感器傳遞給控制單元的信號是否準確，進而影響電控系統的工作。

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

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

1.4.2 設計原則

1）就近搭鐵。考慮到成本、電壓降和防干擾性，搭鐵點盡量靠近用電設備，特別是針對弱電信號搭鐵，以保證信號傳遞的真實性。

2）安全性部件要單獨搭鐵。對于影響整車性能和安全較大的用電設備（如ABM、ECU、ESP等）要進行單獨搭鐵，且要嚴格按照用電設備要求的導線規格和尺寸設計。

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

4）強弱電分開搭鐵。電機類大電流用電設備，要與信號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，影響導電的噴漆或其他表面處理部位，應做局部處理或前期防護，保證導電良好。

1.4.3 搭鐵端子的選型

根據用電設備的功率和所處環境，選擇合適的端子。

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

在設計時，①要充分考慮搭鐵端子的安裝空間和裝配工藝，如裝配時搭鐵端子變形或與周邊零部件干涉，應優先選用帶防轉結構的端子；②處在暴露區域的端子，其表面處理不能采用影響導電性能的方法，且必須要有鍍層，鍍層包括鍍錫、鍍鋅合金等。

2 線束三維布置設計

線束三維布置設計，要求設計工程師要對其他系統零部件（車身、動力、底盤、內外飾等）有系統的了解，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。

下文對線束三維布置的原則進行詳細論述。

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，或簡單拆卸一些零件后，便可觸及的位置；對于空間狹小只能伸進一只手拔插插接件時，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、空調面板等零部件的對接線束分支要預留一定長度（80～100 mm）。

3） 相鄰線束分支的插接件和顏色要有防錯，避免裝配時誤插。

2.2 考慮線束的固定和保護

1） 線束上兩固定點之間的距離不大于300 mm，拐角處加固定點。

2）為了減少插接件內部端子承受振動和線束質量，建議在主干線束的分支處增加固定點和距離插接件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，建議使用護線盒防護。

4）為了保證線束的方向性，應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，防止外漏的導線部分與車身產生摩擦，應使用波紋管進行防護。

2.3 考慮與周邊零部件的間隙

發動機區域裝配間隙見表2，儀表板區域裝配間隙見表3，地板和頂棚區域裝配間隙見表4，5門區域裝配間隙見表5，底盤區域裝配間隙見表6。

表2 發動機區域

表3 儀表板區域

表4 地板和頂棚區域

表5 5門區域

表6 底盤區域

2.4 考慮線束布置的過孔

1）設計初期就應考慮過孔的位置及結構形狀，同時也要考慮過孔和其他件的相對位置關系。

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

3）4門線束和座艙線束連接時，車門上過孔應低于車身側圍上的過孔。

2.5 考慮線束的運動校核

1）4門線束在設計時，要考慮開、關門時線束預留的長度要合理。

2）為了防止發動機抖動時（柴油機抖動量大些）線束受到拉力，發動機線束與機艙線束對接部位要預留一定的長度。

3）座椅線束要預留一定長度，且保證在座椅運動時，不能與周邊零部件摩擦。

4）與車身發生平行運動的部分線束且容易發出聲音的部位，應增加海綿或固定，以免產生噪聲。

3 結束語

為了滿足人們日益增長的對汽車安全性、舒適性、經濟性的更高需求，整車用電設備逐漸增多，線束設計難度越趨復雜。線束的平臺化、模塊化、輕量化、傳遞信息多元化成為當今發展的趨勢。

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

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