光纖在汽車電線束的應用技術趨勢

【摘 要】文章依據國內光纖專利情況，介紹汽車光纖線束技術的發展趨勢。初期光纖技術主要用于汽車內部裝飾，隨后逐漸聚焦于提高強度、抗干擾性以及壓接性能，以實現其在汽車電線束中的應用。近期研究人員開始探索以太網光纖技術在汽車領域的應用。

【關鍵詞】汽車光纖;線束;壓接;以太網

中圖分類號：U463.62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0039-03

Application Trend of Optical Fiber in Automotive Wiring Harness

【Abstract】Based on the situation of domestic optical fiber patents，this paper introduces the development trend of automotive optical fiber wiring harness technology. Initially，optical fiber technology was mainly used for automotive interior decoration，and then gradually focused on improving strength，anti-interference and crimping performance to achieve its application in automotive wiring harnesses. Recently，researchers have begun to explore the application of Ethernet fiber technology in the automotive field.

【Key words】automobile optical fiber;wiring harness;crimp;ethernet

電動化、輕量化、智能網聯化的相互融合推動著汽車技術的發展。隨著汽車油耗標準的不斷降低，輕量化成為汽車節能減排的重要手段之一[1-3]。多年前筆者曾提出基于光導纖維數據傳輸技術實現娛樂系統、空調系統等電子設備的互聯和控制，開發并搭載光導纖維等新型基材導線技術也是整車線束系統輕量化的發展方向之一，同時能優化改變線束布置[4]。光纖傳輸，即以光導纖維為介質進行的數據、信號傳輸。光導纖維（圖1）是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。玻璃光纖的標準直徑為125μm（0.125mm），表面覆蓋有直徑250μm或900μm的樹脂保護涂敷層。玻璃光纖傳送光的中心部分稱為“纖芯”，其周圍包層的折射率比纖芯低，從而限制了光的流失。光纖不僅可用來傳輸模擬信號和數字信號，而且可以滿足視頻傳輸的需求。光纖傳輸一般使用光纜進行，單根光導纖維的數據傳輸速率能達每秒幾億比特，在不使用中繼器的情況下，傳輸距離能達幾十公里。光纖傳輸具有7大優勢：①靈敏度高，不受電磁噪聲之干擾;②體積小、質量輕、壽命長、價格低廉;③絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適于特殊環境之工作;④幾何形狀可依環境要求調整，信號傳輸容易;⑤高帶寬，通信量大衰減小，傳輸距離遠;⑥信號串音小，傳輸品質高;⑦保密性高。本文以國內專利為基礎，分析光纖技術在汽車上的應用，以期能夠幫助研究人員了解光纖技術在汽車上的發展方向。

1 光纖技術在汽車上應用初期

早在2001年就有研究人員提出在汽車上使用一種光纖圣誕樹（圖2），其目的僅僅是作為裝飾品，調節車廂氣氛和氣味，以增加駕駛人員的多種享受[5]。在當時，并未提及光纖傳輸功能在汽車上的應用。直到2013年，研究人員為了解決汽車照明系統中分布于整車不同部位的光源因供電需要大量電纜而導致的能量損耗以及線纜易自燃問題，提出了光源集中控制的汽車光纖照明引擎[6]（圖3）。該方案能夠實現汽車所有燈具無電化的革新，使車燈的智能化程度得到提升。此方案已涉及到光纖傳輸開始在汽車上的應用理念。在這期間，網絡上也開始有報道稱國外將光纖應用到汽車線束上。

2 汽車光纖傳輸技術

研究人員賀超流[7]于2015年公開了一種高性能汽車光纖線束。其結構包括：纖芯，設置于光線線束的最內部，至少用于供光傳輸;纖芯包層，包覆于纖芯的表面外側;至少一層保護套，設置于纖芯包層的表面外側，用以保護纖芯（圖4）。在汽車線束中增加光纖進行傳輸數據信息，具有諸多優點，如高速率數據傳輸、數據量大、損耗小、品質穩定、尺寸小、質量輕、超高絕緣、耐腐蝕、靈敏度高等。此外，還能夠雙工傳輸信息、抗干擾性高（尤其抗汽車電路的脈沖干擾）;光纖允許有較高的數據傳輸速率和較高的信噪比帶寬積，可適用于發動機實時控制、車輛狀態監測和通斷負載的開關控制等要求。該方案非常明確地提出了汽車光纖傳輸線束的概念。

3 汽車光纖增強及傳輸安全技術

袁紅[8]利用銅合金絲圍繞光導纖維緊貼光導纖維進行絞合并輔以外導體和內外層來提高光纖的強度（圖5）。也有研究人員通過將光纖加熱處理后使其成為碳化修飾狀態的雙涂覆層來提高光纖強度[9]。劉德成[10]則通過含有碳納米管結構的光導纖維（圖6）提高了機械強度、減輕了質量，并通過使電流在芯線中傳播，電流傳播有效截面積不會改變，不產生趨膚效應，減少了信號在線纜傳輸過程中的衰減。

為提高光纖芯的抗拉強度和彎曲度，降低傳輸損耗，蘇州妙文信息科技有限公司[11]提出了由內向外依次布置的導體、隔熱層、屏蔽層、減振層和保護層的方案。導體包括一個光纖單元和若干線芯單元，線芯單元以光纖單元為中心同向絞合而成（圖7）。該方案旨在解決現有技術中汽車線束雖采用光纖線與汽車線束結合，但由于結構、生產方法不合理，造成線束傳輸效率低、線束失真度偏高、可靠性不高的問題，同時降低線束的整體質量和體積。這樣可以高效率地完成汽車各種電氣控制過程，適應汽車的振動和高低溫工作環境。楊文騏等[12]則通過在放置腔體內部中心位置處設支撐管，空腔外壁上放置腔體內部設等間距的第1防護套，第1防護套之間支撐管外壁上設等間距的定位筋，實現了光纖線束的分隔功能，從而提高了光纖線束使用時的信號傳輸效果;如圖8所示，通過在石棉線束套外側設中空夾層，中空夾層遠離石棉線束套一側設橡膠絕緣套，石棉線束套外壁上中空夾層內部設等間距的橡膠絕緣塊以及石棉線束套，實現了光纖線束的絕緣功能，從而提高了光纖線束使用時的安全性;通過在第2防護套內部中心位置處設無機粘合劑，無機粘合劑一側第2防護套內部粘貼天然纖維抗壓層，無機粘合劑遠離天然纖維抗壓層一側第2防護套內部填充聚氨酯彈性顆粒，提高了光纖線束的韌性強度，從而延長了光纖線束的使用壽命。

4 汽車光纖壓接技術

光纖要想在汽車電線束上得到推廣應用，光纖與光纖連接器的良好壓接至關重要。光纖線束壓接機在壓接端子時，由于沖壓頭下降高度不易控制，當沖壓頭下降過深時，沖壓頭對端子壓接后繼續下降，從而對光纖線絕緣層產生刺穿或者割壞的情況，當沖壓頭下降過淺時，不能對端子起到有效的壓接，從而使光纖線束與端子之間連接過松，導致光纖線束壓接不合格。倪敏躍[13]設計了一種光纖線束壓接機（圖9），采用兩次壓接的方式分別對光纖線束和端子進行逐步壓接，減少端子外表面受損率，二次壓接裝置的設置，對合攏后的端子U形部上端再次沖壓，從而增大了光纖線束金屬與端子金屬之間的接觸面積，保證了光纖線束與端子連接的可靠性;并通過2個活動壓接模具的擠壓，使得壓接頭對合攏后的端子U形壓接部頂端再次壓接，減少了絕緣層發生刺穿或者割壞的情況;活動壓接模具下降高度固定，避免了絕緣壓接高度過高或過低的情況，增大了光纖線束金屬與端子金屬之間的接觸面積，提高了2個模具之間的有效壓接率。

5 汽車光纖以太網通信技術

以太網誕生早，具有技術成熟、帶寬高、成本低且擴展性強等優勢，在進入汽車領域前就已得到廣泛應用。由于以太網傳輸帶寬高，會導致更高的能量排放，而汽車對EMC（電磁兼容）要求十分嚴格，使得以太網直到近年汽車單對雙絞線（100Base-T1/1000Base-T1標準）的技術取得突破才得以在汽車內應用。然而在其開發過程中，需要做一系列專業的標準測試（如PMA測試），而要通過這些測試不僅需要昂貴的儀器，而且硬件調試的復雜性無疑也導致了更多的成本。汽車內電氣環境復雜，出于安全考慮，關鍵節點需做電流隔離以防止短路，但是現有汽車雙絞線以太網通信系統EMC性能較差，難以滿足對電流隔離的要求。最近，周立功等[14]設計了一種汽車光纖以太網通信裝置，如圖10所示。其技術方案通過控制模塊控制睡眠喚醒模塊的工作，在需要進行汽車光纖以太網通信時，控制睡眠喚醒模塊對光纖以太網收發器和光電轉換模塊上電，需要進行通信連線的2個節點之間通過光纖連接光電轉換模塊，實現2個通信節點的以太網數據傳輸。光電轉換模塊對以太網數據進行光電轉換，并通過光纖以太網收發器對以太網數據進行收發控制。使用光纖通信起到電流隔離的作用，也因其卓越的EMC性能，減少了關于EMC調試過程的復雜與成本，提高了汽車以太網的EMC性能，滿足了對電流隔離的要求。

6 結論

總之，在汽車智能化、輕量化以及以太網應用的背景下，汽車光纖以其速率快、靈敏度高、傳輸距離遠等優勢，開始探索在電線束行業的應用。如何提高光纖的強度、抗干擾性以及壓接安全性等，是光纖在汽車電線束上應用的關鍵所在。光纖首先在娛樂系統、空調系統等安全性要求不高的環境下探索應用路徑，是比較穩妥的策略之一。使光纖從靜態環境下的應用過渡到滿足汽車動態環境下對光纖性能的新要求是至關重要的。在最近的行業技術論壇上，多家線束行業公司提出光纖具有廣闊的應用前景，并初步驗證了其可行性。

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