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淺談新能源汽車線束應(yīng)用布置
2023-05-05
【摘要】隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車的電器要求越來(lái)越高，而汽車線束作為汽車電器的核心零部件之一，對(duì)其要求也日益增加。汽車線束布置走向?qū)π履茉雌嚨目煽啃院头€(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此如何將新能源汽車線束布置得科學(xué)合理、安全美觀且便于維修安裝，是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。文章以新能源汽車整車線束布置為核心，明確汽車高壓線束和低壓線束的設(shè)計(jì)布置原則，為新能源汽車線束布置提供借鑒。
汽車線束是連接汽車電源、執(zhí)行器和傳感器等電子和電器設(shè)備的重要零部件，也被認(rèn)為是汽車的“神經(jīng)系統(tǒng)”。
如果沒(méi)有汽車線束，汽車電路也將消失，進(jìn)而導(dǎo)致汽車所有電氣功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前汽車呈現(xiàn)出電動(dòng)化、智能化以及網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)，極大地促進(jìn)了汽車線束的發(fā)展，同時(shí)對(duì)汽車線束的要求越來(lái)越高。近年來(lái)新能源汽車蓬勃發(fā)展，其對(duì)汽車線束的依賴程度更高，也因此對(duì)汽車線束的布置走向提出了更為嚴(yán)格的要求。
汽車線束是新能源汽車電器零部件的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)新能源汽車的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此有必要對(duì)汽車線束走向布置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升汽車線束的可靠性。在本文中以新能源汽車為例，介紹了新能源汽車線束布置原則，為后續(xù)新能源汽車線束布置提供一定的借鑒和幫助。
汽車線束一般是指用塑料膠管等材料將銅線、鋁線等各金屬導(dǎo)體包裹然后與線束插針壓接并固定在線束連接器中，通過(guò)尼龍膠帶將各線束分支捆扎在一起。汽車線束一般是由線纜、端子、連接器、固定裝置等各零部件組合而成。
線纜是汽車線束的主體，是連接汽車各電氣零部件和傳遞各電氣信號(hào)的關(guān)鍵零部件之一。電流承載能力是在選用線纜時(shí)的重要指標(biāo)之一，其電流承載能力主要受線徑、線長(zhǎng)、電阻率及環(huán)境溫度的影響。
線束連接器也被稱為線束插接件，主要是將線束與汽車各電氣零部件有效連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)線束連接導(dǎo)通功能。
線束連接器是汽車線束的另一重要零部件，線束連接器的性能決定了線纜能否與汽車電氣零部件有效導(dǎo)通，屬于相對(duì)較為精密線束零部件。線束連接器成對(duì)出現(xiàn)使用，通常要求成套使用公母插接件，母插接件常被用于線束端，從而確保汽車線束與汽車各電氣零部件的連接性能，避免出現(xiàn)虛接問(wèn)題等，一般不可以交換使用。
另外，汽車線束在實(shí)際布置走線時(shí)，不可避免地出現(xiàn)與汽車其他零部件接觸，因此線束包裹保護(hù)材料是不可或缺的。線束包裹保護(hù)材料根據(jù)保護(hù)材料的不同通常分為PVC膠帶、波紋管、絨布膠帶、海綿膠帶、布基膠帶和鋁箔膠帶等。線束包裹保護(hù)材料的使用一般是根據(jù)線束的使用環(huán)境、耐溫要求、耐磨性等進(jìn)行選擇。由于線束屬于柔性連接，與汽車各零部件一直處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，因此對(duì)線束實(shí)施必要的固定裝置將線束按照設(shè)計(jì)布置線束走向進(jìn)行走線，避免出現(xiàn)線束走向混亂，對(duì)線束可靠性造成影響。線束常用的固定裝置主要包括：橡膠護(hù)套、扎帶、線束支架、卡扣等。線束固定裝置輔助線束走向并將線束固定，主要是根據(jù)線束的使用環(huán)境、附近的固定裝置等進(jìn)行選擇使用。線束還包括熔斷器、標(biāo)簽等，需要根據(jù)汽車線束的使用條件進(jìn)行選擇。
2.1 汽車線束結(jié)構(gòu)布置
汽車線束布置設(shè)計(jì)通常指將汽車線束按照汽車各電氣零部件位置進(jìn)行走線布置并使用卡箍、管夾等各種固定裝置固定在合適的位置，構(gòu)成汽車的電器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)汽車的各種電氣功能。新能源汽車的特點(diǎn)是電器功能復(fù)雜，空間窄小，電器零部件分布相對(duì)較廣，且需要將汽車高壓線束和低壓線束分開布置，減少相互間干擾，保證汽車電氣系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，這給新能源汽車線束布置帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。
汽車線束布置設(shè)計(jì)一般是遵循可靠性、裝配維修方便等各方面考慮。汽車線束布置設(shè)計(jì)時(shí)，通常利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理和汽車電氣零部件的模塊設(shè)計(jì)布置方案將汽車線束設(shè)計(jì)出主干線和數(shù)量，然后根據(jù)拓?fù)浜推渌姎饬悴考O(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的分支，這樣可以有效地提高線束裝配性和經(jīng)濟(jì)性。
從汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，一般整車線束分為一段式結(jié)構(gòu)、兩段式結(jié)構(gòu)和三段式結(jié)構(gòu)布置。其中，一段式結(jié)構(gòu)主要是將汽車線束布置設(shè)計(jì)出一主體，然后從上面設(shè)計(jì)諸多分支布置，可以有效地減少線束對(duì)接點(diǎn)、線束連接器，可以提高線束經(jīng)濟(jì)性等。兩段式結(jié)構(gòu)通常是根據(jù)新能源汽車電氣零部件模塊設(shè)計(jì)方案分出兩個(gè)主體，然后通過(guò)額外的線束連接器進(jìn)行連接。三段式結(jié)構(gòu)與兩段式結(jié)構(gòu)類似，主要是將線束主干分為3個(gè)進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。無(wú)論是兩段式結(jié)構(gòu)還是三段式結(jié)構(gòu)，線束維修方便，裝配可以隨著電氣零部件布置調(diào)整方便，但是增加線束數(shù)量，后市場(chǎng)維護(hù)帶來(lái)不便。當(dāng)汽車線束布置超過(guò)三段式結(jié)構(gòu)后，線束連接點(diǎn)增加，線束可靠性降低，數(shù)量種類增加，因此不建議采用。
2.2 汽車線束設(shè)計(jì)原則
2.2.1 汽車線束長(zhǎng)度布置合理
汽車線束長(zhǎng)度一般是以兩個(gè)電器件連接器之間的實(shí)際線束走向的距離為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。線束長(zhǎng)度預(yù)留過(guò)長(zhǎng)，極容易造成線束冗余繁雜或者與周圍其他汽車零部件干涉，進(jìn)而引起汽車故障；若是預(yù)留長(zhǎng)度過(guò)短，對(duì)線束裝配產(chǎn)生較大的影響。因此，汽車線束在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮線束實(shí)際走向，預(yù)留長(zhǎng)度在合理范圍內(nèi)，通常預(yù)留長(zhǎng)度不超過(guò)200mm，以保證線束實(shí)際裝配的可靠性。
另外，當(dāng)汽車電器零部件安裝在比較隱蔽的位置時(shí)，為方便后期的維修檢查需要將對(duì)應(yīng)的線束長(zhǎng)度增加。若汽車線束附近存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件，線束長(zhǎng)度設(shè)計(jì)需要考慮其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離，適當(dāng)增加線束長(zhǎng)度。
2.2.2 汽車線束連接器選用原則
汽車線束連接器是保證各電器零部件正常工作的重要器件。因此，線束連接器選用對(duì)新能源汽車的可靠性產(chǎn)生較大的影響。線束連接器在線束對(duì)接時(shí)，可以有效保證各線束端子插針之間的絕緣并實(shí)現(xiàn)線束與傳感器、執(zhí)行器等各電器零部件可靠固定連接。在線束連接器實(shí)際選用時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。
1） 線束連接器大小需要根據(jù)線束線徑以及通過(guò)電流大小進(jìn)行合理選擇，避免出現(xiàn)線束連接器過(guò)大導(dǎo)致汽車線束固定不牢固或者線束連接器過(guò)小導(dǎo)致汽車線束無(wú)法固定在連接器中。
2） 對(duì)線束連接器要求較高的電器零部件，建議采用鍍金等高可靠性線束連接器。
3） 線束連接器需要通過(guò)大小、顏色等特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分；在同一區(qū)域內(nèi)，型號(hào)相同的線束連接器建議增加線束顏色、定位槽等防錯(cuò)措施，可以有效防止電器件發(fā)生錯(cuò)誤連接。
4） 對(duì)于高壓線束等需要的金屬端子，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)，避免線束不必要的接觸產(chǎn)生相關(guān)問(wèn)題。
5） 線束連接器插拔需要留出足夠的空間，保證連接器裝配穩(wěn)定。
6） 汽車線束連接器固定應(yīng)該遠(yuǎn)離水濺或者遭受砂石撞擊的地方，需要使用防水線束連接器；如果無(wú)法更改，需要增加對(duì)線束連接器必要的防護(hù)裝置。
2.3 汽車線束安全原則
汽車線束安全穩(wěn)定是保證汽車正常運(yùn)行的前提條件之一，因此汽車線束在布置設(shè)計(jì)裝配時(shí)需要遵循相應(yīng)的安全原則。
1） 線束需要進(jìn)行穿孔通過(guò)時(shí)，需要對(duì)線纜進(jìn)行增加護(hù)套或者包裹膠帶等特殊防護(hù)裝置，避免線束受到傷害。需要注意的是，線束防護(hù)裝置不應(yīng)對(duì)線束性能產(chǎn)生影響，避免對(duì)線束產(chǎn)生額外的傷害。另外，汽車線束支架固定孔設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)僅考慮線束線徑的大小，同時(shí)需要考慮過(guò)孔的連接器大??；通常要求對(duì)于鈑金件汽車線束過(guò)孔直徑是連接器的2~3倍，而對(duì)于腔體空間截面直徑一般大于連接器的1.3~1.5倍；對(duì)于護(hù)套或者包裹膠帶一般大于線束過(guò)孔直徑1~2mm。
2） 汽車線束安裝區(qū)域內(nèi)存在運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，需要與運(yùn)動(dòng)件應(yīng)至少有50mm的間距。
3） 汽車線束安裝區(qū)域內(nèi)存在熱源時(shí)，需盡量遠(yuǎn)離熱源。與溫度高于150℃的零部件的距離需大于50mm。如布線位置無(wú)法避開排氣管等溫度過(guò)高的零部件，應(yīng)增加隔熱墊以保護(hù)線束，并且至少保證距離在125mm以上，有效降低線束周圍的溫度。
4） 線束搭鐵點(diǎn)需要穩(wěn)定可靠，接觸面平整，當(dāng)搭鐵點(diǎn)產(chǎn)生腐蝕部分損壞后也可靠運(yùn)行。汽車低壓線束搭鐵點(diǎn)通常選用車身或者底盤上，高壓線束不能選用該部位應(yīng)單獨(dú)設(shè)置。
5） 由于新能源汽車存在高低壓線束，因此需要將高低壓線束區(qū)分間隔大于300mm，避免汽車線束產(chǎn)生電氣干擾。
2.4 汽車線束布置固定裝配原則
汽車線束的整體布置及固定需要保證簡(jiǎn)單操作同時(shí)維修方便，避免出現(xiàn)因線束裝配或者維修要對(duì)整車其他零部件進(jìn)行拆裝的問(wèn)題。圖1為線束捆扎示意圖。
1） 在汽車低壓線束裝配時(shí)，通常每隔200~300mm距離增加相對(duì)應(yīng)的固定裝置，在特殊惡劣環(huán)境下可以適當(dāng)增加，但是間隔距離不應(yīng)大于150mm。
2） 在線束拐點(diǎn)使用固定時(shí)，通常在直角處使用2個(gè)，鈍角時(shí)使用1個(gè)，不建議出現(xiàn)線束銳角走向。
3） 在線束連接器小于120 mm安裝位置處需要增加固定點(diǎn)，減少因線束端子振動(dòng)對(duì)線束的損害等。
4） 若線束安裝區(qū)域固定裝置缺失，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)線束固定沿槽或者支架等裝置。需要注意的是，線束與無(wú)鋒利邊緣汽車零部件的間隙在6mm（含）以上，與有鋒利邊緣的零部件至少在30mm以上。
5） 在汽車線束裝配時(shí)，若線束冗長(zhǎng)則需要將多余線束進(jìn)行單獨(dú)固定或捆扎，捆扎線束時(shí)最小彎曲半徑不能小于線束直徑的2倍。
綜上所述，汽車線束在裝配時(shí)，需要保證線束走向平順、固定裝置、位置合理等。
2.5 新能源汽車高壓線束布置
2.5.1 高壓線束的特點(diǎn)
高壓線束需要承載60~1500V的高壓電，是新能源汽車高壓系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，可以為新能源汽車提供高強(qiáng)電壓并且實(shí)現(xiàn)將高壓電高效傳遞驅(qū)動(dòng)車輛行駛。高壓線束具有高電壓強(qiáng)電流、線徑粗且多的特點(diǎn)，因此新能源汽車高壓線束布置設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)。
高壓線束一般是在高電壓、強(qiáng)電流的狀態(tài)下持續(xù)工作，如果高壓線束散熱不及時(shí)，很容易發(fā)生汽車線束起火問(wèn)題，對(duì)線束耐熱性提出了較高要求；由于新能源汽車存在高壓電氣零部件，在電壓發(fā)生變化時(shí)其他低壓電氣零部件極容易產(chǎn)生電磁干擾，因此高壓線束的抗電磁干擾也需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。另外，高壓線束價(jià)格較貴、更換時(shí)間較長(zhǎng)，所以高壓線束的使用壽命需要進(jìn)行專門考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證新能源汽車長(zhǎng)期安全使用。
2.5.2 高壓線束的選配設(shè)計(jì)
新能源汽車高壓線束與低壓線束相比，主要區(qū)別是高壓線束的防護(hù)層比低壓線束要求更高，需要金屬層編制結(jié)構(gòu)等進(jìn)行防護(hù)，其他結(jié)構(gòu)構(gòu)成與低壓線束一致，主要包括線纜、連接器和防護(hù)結(jié)構(gòu)等。其中，高壓線束的線束連接器對(duì)電流承載能力、導(dǎo)通性及抗電磁干擾性等要求更高，一般需要較大的接通面積，同時(shí)具有耐腐蝕性、耐高低溫等能力并可以實(shí)現(xiàn)多次插拔能力，以保證高壓線束穩(wěn)定的連接特性和導(dǎo)通能力。高壓線束的防護(hù)也需要進(jìn)行專門考慮，特別是對(duì)電磁干擾的防護(hù)，常見的防護(hù)結(jié)構(gòu)包括波紋管、膠帶、防護(hù)接頭、金屬編織網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。高壓線束的其他防護(hù)、固定裝置與低壓線束基本相同，在布置時(shí)盡力遠(yuǎn)離低壓線束及低壓零部件。
2.5.3 高壓線束布置原則
在新能源汽車正常工作時(shí)，其高壓系統(tǒng)電流高達(dá)數(shù)十安培甚至更高，在瞬時(shí)放電時(shí)電流會(huì)成倍增加，因此，高壓線束設(shè)計(jì)布置需要充分考慮車輛和人員的安全，有必要對(duì)高壓線束的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行說(shuō)明。
1） 新能源汽車髙壓線束的線纜不可發(fā)生外露現(xiàn)象，其線纜和插接件必須采用橙色設(shè)計(jì)，以和低壓線束等常規(guī)低壓電器零部件進(jìn)行容易區(qū)分，避免人員誤操作引起事故。線纜應(yīng)增加波紋管和熱縮管等防護(hù)，其中，波紋管、插接件、膠帶、護(hù)套均使用橙色；對(duì)于熱縮管需要使用不同顏色對(duì)極性進(jìn)行區(qū)分，正極為紅色，負(fù)極為藍(lán)色，U相為黃色，V相為綠色，W相為紅色。
2） 高壓線束本身分版塊合理布置，供電系統(tǒng)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，防止出現(xiàn)高壓零部件不工作部件仍然帶電的現(xiàn)象。
3） 高壓線束布置應(yīng)該遠(yuǎn)離燃油管路，如果需要靠近燃油管路則至少留出100mm距離。
4） 汽車高低壓線束并列走向時(shí)間距大于400mm，若在實(shí)際環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)該距離時(shí)，建議高低壓線束呈垂直走線，避免低壓線束受到電磁干擾。
5） 高壓線束在布置走向時(shí)，避免出現(xiàn)小彎曲半徑，通常線束最小彎曲半徑≥線束外徑的5倍；需要注意高壓線束避免接頭存在外露現(xiàn)象，否則極容易引起線束接頭因密封失效而發(fā)生漏電現(xiàn)象。
6） 高壓線束在布置安裝完成后建議增加防護(hù)裝置，防止外界環(huán)境對(duì)高壓線束進(jìn)行污染損壞。
7） 考慮到高壓線束連接器較大，線束插拔或連接部分應(yīng)預(yù)留出適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，長(zhǎng)度不小于200mm，應(yīng)留出足夠的空間保證裝配和維修方便。
