硬線式中央配電盒設(shè)計(jì)規(guī)范及故障樹分析

熊 潔，楊天峰，張 帆

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

隨著科技進(jìn)步不斷發(fā)展，車載電控單元數(shù)量不斷增加，傳感器數(shù)量也劇增，因此需要配電盒具有很多的回路集中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電控單元和電器設(shè)備的初步電源的分配以及電路保護(hù)。下文介紹AEE 2010電器架構(gòu)硬線式電源分配盒設(shè)計(jì)原理以及典型案例分析。

1 AEE 2010電器架構(gòu)電源分配系統(tǒng)

1.1 AEE 2010 ECO電器架構(gòu)電源分配框圖

圖1 AEE 2010 ECO電源分配框圖

從圖1中可以看出，整車電控單元基本都是通過BFRM（Bo?tierFusiblesRelaisMoteur發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒）以及MFRH （MatriceFusibles Relay Habitacle座艙繼電器熔斷絲盒）這2個(gè)配電盒進(jìn)行電源分配管理的。BFRM主要負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)艙電器控制單元和電器設(shè)備電路保護(hù)、電源分配和管理，BSI車身電腦／MFRH主要負(fù)責(zé)座艙電器控制單元和電器設(shè)備控制和電源分配。整車電源分為6種不同種類：+BAT：蓄電池供電；+BAT PERM：蓄電池常電供電；+APC：+APrès Contact點(diǎn)火開關(guān)通電后；+ACC：+ACCessoirie附件通電；+CAN：CAN網(wǎng)絡(luò)供電；+CPC：集成在電源管理與保護(hù)控制盒中的中央集控功率轉(zhuǎn)換器輸出電源。

1.2 硬線式繼電器熔斷絲盒產(chǎn)品定義

對(duì)于AEE 2010 ECO 架構(gòu)車型，BFRM／MFRH僅僅起到電路保護(hù)、電源分配管理以及電源切換作用，因此采用的硬線式設(shè)計(jì)，直接集成在線束總成中，成本上更有優(yōu)勢(shì)。

從結(jié)構(gòu)形式上，可以把熔斷絲盒分為直插式熔斷絲盒（PCB式）、匯流條式 （barbus硬線式）熔斷絲盒、布線式熔斷絲盒和電子集成式熔斷絲盒［1］。下面將重點(diǎn)介紹AEE2010 ECO電源分配系統(tǒng)中BFRM以及MFRH兩個(gè)硬線式熔斷絲盒。

BFRM以及MFRH可以起到電保護(hù)以及電源分配作用，主要依靠其上的熔斷絲和繼電器給設(shè)備供電。BFRM以及MFRH需要保證以下功能：①向部件和功能進(jìn)行初步電源分配；②切換某些部件和功能的供電；③通過切換部件和功能的供電，進(jìn)行二次分配；④保護(hù)下游直接連接的功率電纜；⑤與車輛的其他部件進(jìn)行機(jī)械對(duì)接，比如集成在主線束上、座艙線束上，如圖2所示。

1.3 硬線式繼電器熔斷絲盒構(gòu)成

硬線式繼電器熔斷絲盒由如下幾個(gè)部分構(gòu)成。

1）熔斷絲：主要起到保護(hù)下游回路、避免短路的作用，在線束廠進(jìn)行裝配。主要有幾種規(guī)格：JCASE、MIDI、MAX和MINI，如圖3所示。

圖2 線束接口圖示

圖3 幾種規(guī)格熔斷絲

2）繼電器：主要用于電流切換，在線束廠進(jìn)行裝配。如圖4所示。

圖4 繼電器

3）塑料件：外殼、二次鎖和底座。

4）BUSBAR：主要用于傳導(dǎo)電流，如圖5所示。

5）螺柱螺母：用于固定MIDI熔斷絲以及線束。

6）線束端子：與線束進(jìn)行機(jī)械對(duì)接集成在線束上，在線束廠進(jìn)行裝配。

繼電器熔斷絲盒爆炸圖如圖6所示。

1.4 未來發(fā)展趨勢(shì)

硬線式繼電器熔斷絲盒技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平發(fā)展大趨勢(shì)，向著小型化、集成化、模塊化、多功能化方向發(fā)展，同時(shí)要提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、品質(zhì)一致性等。

對(duì)于熔斷絲盒小型化、輕量化主要依靠繼電器和熔斷絲的小型化，比如熔斷絲演變ATO熔斷絲-Mini熔斷絲-LP Mini-Micro熔斷絲；JCASE慢熔熔斷絲-LP JCASE-Micro CASE。熔斷絲體積目前都在往小型化發(fā)展。

圖5 BUSBAR

圖6 繼電器熔斷絲盒爆炸圖

繼電器小型化案例介紹見表1。

表1 繼電器參數(shù)對(duì)比

2 硬線式繼電器熔斷絲盒設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1 設(shè)計(jì)輸入

對(duì)于熔斷絲設(shè)計(jì)輸入主要包含以下幾個(gè)方面：①電源分配原理圖：輸入／輸出特性，電壓，電流，負(fù)載類型等；②物理接口：與外部部件接口，比如與線束的接口，以及與車身接口；③使用環(huán)境要求：熱學(xué)CEM分析［2］；④概念準(zhǔn)則：車載網(wǎng)絡(luò)分布品質(zhì)；⑤售后市場：考慮售后返修可行性；⑥移植性：對(duì)于模塊件需要考慮在其他車型和平臺(tái)上的移植性、裝配性；⑦制造：考慮生產(chǎn)制造精度和生產(chǎn)工藝可行性。如圖7所示。

圖7 熔斷絲盒設(shè)計(jì)要求

2.2 設(shè)計(jì)流程

熔斷絲盒的設(shè)計(jì)開發(fā)流程一般分為以下幾個(gè)步驟。

1）產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)：根據(jù)電源分配圖，對(duì)3D layout布局進(jìn)行設(shè)計(jì) （busbar數(shù)量／連接），線束端子選型等，2D圖紙生成 （尺寸、內(nèi)部原理、熔斷絲型號(hào)、端子型號(hào)等）。

2）工藝流程概念設(shè)計(jì)：根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)初版的工藝流程。

3）手工樣件：開硬模之前，需要制作手工樣件，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

4）設(shè)計(jì)驗(yàn)證：根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性。

5）產(chǎn)品設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果，進(jìn)行最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具體的2D／3D圖紙，進(jìn)行CAE仿真 （溫升／應(yīng)力等），定義凍結(jié)之前必須經(jīng)過設(shè)計(jì)審核 （硬件審核以及機(jī)械審核）對(duì)定義進(jìn)行固化。同時(shí)不斷更新和完善DFEMA。針對(duì)塑料件開展模流分析，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。

6）過程設(shè)計(jì)：根據(jù)產(chǎn)品圖紙，對(duì)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定產(chǎn)品控制計(jì)劃，同時(shí)更新PFEMA。

7）設(shè)計(jì)固化：設(shè)計(jì)審核后對(duì)設(shè)計(jì)定義進(jìn)行固化。

8）工業(yè)化開發(fā)：模具制作，生產(chǎn)線／裝配線建立以及調(diào)試。

9）產(chǎn)品過程驗(yàn)證：對(duì)出自最終工裝的零件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足工業(yè)化量產(chǎn)要求后就可以進(jìn)行量產(chǎn)了。

3 故障模式分析以及故障處理

硬線式熔斷絲盒失效模式有很多種，如下列舉出典型故障原因分析，有助于更加系統(tǒng)清晰了解引起硬線時(shí)熔斷絲盒故障的原因。

1）線束端子退出：繼電器引腳尺寸公差與熔斷絲盒基座引腳尺寸公差不匹配，造成繼電器插入力過大，從而將線束端子頂出。

2）Busbar音叉間隙偏大，導(dǎo)致零部件引腳與Busbar音叉接觸不良從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)功能失效。

3）繼電器失效：繼電器安裝力過大或者外部沖擊導(dǎo)致繼電器結(jié)構(gòu)破壞，功能失效。

4）線束廠裝配問題：繼電器和熔斷絲虛裝，導(dǎo)致功能缺失。

圖8為熔斷絲盒故障樹分析。

圖8 熔斷絲盒故障樹分析

4 典型案例分析

下文具體介紹硬線式熔斷絲盒線束端子退出以及繼電器引腳潰縮問題的分析。

4.1 故障現(xiàn)象

自2014年起，工廠零公里持續(xù)出現(xiàn)功能失效問題：比如發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)、雨刮無法工作等問題，經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)是由硬線式繼電器熔斷絲盒BFRM端子退出以及繼電器引腳潰縮而導(dǎo)致繼電器失效。

4.2 原因分析

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)繼電器引腳公差與BFRM基座尺寸不匹配，造成繼電器安裝力過大，再加上熔斷絲盒基座端子導(dǎo)向設(shè)計(jì)不合理，繼電器引腳插入時(shí)左右傾斜的角度會(huì)變大。通過模擬分析可以看出，如果當(dāng)繼電器引腳非垂直插入熔斷絲盒底座孔位時(shí)，情況會(huì)更惡劣，繼電器引腳會(huì)頂住線束端子頂部，無法順利插入線束端子內(nèi)部，導(dǎo)致線束端子將熔斷絲盒孔位中端子一次鎖破壞直至端子退出，詳見圖9現(xiàn)象1，或者繼電器結(jié)構(gòu)較弱導(dǎo)致繼電器引腳潰縮，詳見圖9現(xiàn)象2。

圖9 熔斷絲盒故障

4.3 結(jié)論總結(jié)

設(shè)計(jì)初期對(duì)于熔斷絲盒與繼電器引腳之間尺寸公差配合沒有考慮到位，沒有進(jìn)行軟件模擬，導(dǎo)致出現(xiàn)裝配問題。

對(duì)于熔斷絲盒孔位端子導(dǎo)向設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，減小導(dǎo)向角度，同時(shí)加高導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與線束端子的距離，減小繼電器引腳在插入熔斷絲盒基座時(shí)左右晃動(dòng)的角度。

4.4 行動(dòng)方案

優(yōu)化導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在繼電器底座端子孔位處增加凸臺(tái)以便增加導(dǎo)向結(jié)構(gòu)高度；同時(shí)調(diào)整熔斷絲盒基座上繼電器引腳孔位之間的公差來匹配繼電器公差。

5 結(jié)論

硬線式熔斷絲盒，由于其價(jià)格低廉深受廣大主機(jī)廠偏愛，作為回路保護(hù)、電源分配以及二次分配的部件，在PSA AEE2010電器架構(gòu)整車電源分配中起著至關(guān)重要的作用。本文主要通過講述硬線式熔斷絲盒技術(shù)原理、設(shè)計(jì)流程，并通過典型案例講解掌握熔斷絲盒故障模式以及分析方法，解決供應(yīng)商處由于產(chǎn)品或者生產(chǎn)過程不滿足標(biāo)準(zhǔn)定義要求的符合性問題，全面掌握熔斷絲盒技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)組成、故障分析解決等技術(shù)。