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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，對汽車的電器要求越來越高，而汽車線束作為汽車電器的核心零部件之一，對其要求也日益增加。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法實現(xiàn)。當(dāng)前汽車呈現(xiàn)出電動化、智能化以及網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢，極大地促進(jìn)了汽車線束的發(fā)展，同時對汽車線束的要求越來越高。近年來新能源汽車蓬勃發(fā)展，其對汽車線束的依賴程度更高，也因此對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，因此有必要對汽車線束走向布置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，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的關(guān)鍵零部件之一。電流承載能力是在選用線纜時的重要指標(biāo)之一，其電流承載能力主要受線徑、線長、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，實現(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，屬于相對較為精密線束零部件。線束連接器成對出現(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)虛接問題等，一般不可以交換使用。
另外，汽車線束在實際布置走線時，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運(yùn)動中，因此對線束實施必要的固定裝置將線束按照設(shè)計布置線束走向進(jìn)行走線，避免出現(xiàn)線束走向混亂，對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了一定的挑戰(zhàn)。
汽車線束布置設(shè)計一般是遵循可靠性、裝配維修方便等各方面考慮。汽車線束布置設(shè)計時，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)計布置方案將汽車線束設(shè)計出主干線和數(shù)量，然后根據(jù)拓?fù)浜推渌姎饬悴考O(shè)計對應(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)計出一主體，然后從上面設(shè)計諸多分支布置，可以有效地減少線束對接點(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)計方案分出兩個主體，然后通過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個進(jìn)行布置設(shè)計。無論是兩段式結(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，后市場維護(hù)帶來不便。當(dāng)汽車線束布置超過三段式結(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)計原則
2.2.1 汽車線束長度布置合理
汽車線束長度一般是以兩個電器件連接器之間的實際線束走向的距離為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的。線束長度預(yù)留過長，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)留長度過短，對線束裝配產(chǎn)生較大的影響。因此，汽車線束在設(shè)計時，需要考慮線束實際走向，預(yù)留長度在合理范圍內(nèi)，通常預(yù)留長度不超過200mm，以保證線束實際裝配的可靠性。
另外，當(dāng)汽車電器零部件安裝在比較隱蔽的位置時，為方便后期的維修檢查需要將對應(yīng)的線束長度增加。若汽車線束附近存在著相對運(yùn)動的零部件，線束長度設(shè)計需要考慮其相對運(yùn)動的距離，適當(dāng)增加線束長度。
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接時，可以有效保證各線束端子插針之間的絕緣并實現(xiàn)線束與傳感器、執(zhí)行器等各電器零部件可靠固定連接。在線束連接器實際選用時，應(yīng)遵循以下原則。
1） 線束連接器大小需要根據(jù)線束線徑以及通過電流大小進(jìn)行合理選擇，避免出現(xiàn)線束連接器過大導(dǎo)致汽車線束固定不牢固或者線束連接器過小導(dǎo)致汽車線束無法固定在連接器中。
2） 對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大小、顏色等特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分；在同一區(qū)域內(nèi)，型號相同的線束連接器建議增加線束顏色、定位槽等防錯措施，可以有效防止電器件發(fā)生錯誤連接。
4） 對于高壓線束等需要的金屬端子，需設(shè)計相應(yīng)的防護(hù)，避免線束不必要的接觸產(chǎn)生相關(guān)問題。
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；如果無法更改，需要增加對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)計裝配時需要遵循相應(yīng)的安全原則。
1） 線束需要進(jìn)行穿孔通過時，需要對線纜進(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)對線束性能產(chǎn)生影響，避免對線束產(chǎn)生額外的傷害。另外，汽車線束支架固定孔設(shè)計時，不應(yīng)僅考慮線束線徑的大小，同時需要考慮過孔的連接器大小；通常要求對于鈑金件汽車線束過孔直徑是連接器的2~3倍，而對于腔體空間截面直徑一般大于連接器的1.3~1.5倍；對于護(hù)套或者包裹膠帶一般大于線束過孔直徑1~2mm。
2） 汽車線束安裝區(qū)域內(nèi)存在運(yùn)動部件時，需要與運(yùn)動件應(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，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。如布線位置無法避開排氣管等溫度過高的零部件，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單操作同時維修方便，避免出現(xiàn)因線束裝配或者維修要對整車其他零部件進(jìn)行拆裝的問題。圖1為線束捆扎示意圖。
1） 在汽車低壓線束裝配時，通常每隔200~300mm距離增加相對應(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，通常在直角處使用2個，鈍角時使用1個，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對線束的損害等。
4） 若線束安裝區(qū)域固定裝置缺失，需要單獨(dú)設(shè)計線束固定沿槽或者支架等裝置。需要注意的是，線束與無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，若線束冗長則需要將多余線束進(jìn)行單獨(dú)固定或捆扎，捆扎線束時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，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)電壓并且實現(xiàn)將高壓電高效傳遞驅(qū)動車輛行駛。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，很容易發(fā)生汽車線束起火問題，對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。另外，高壓線束價格較貴、更換時間較長，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，以保證新能源汽車長期安全使用。
2.5.2 高壓線束的選配設(shè)計
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，同時具有耐腐蝕性、耐高低溫等能力并可以實現(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，其高壓系統(tǒng)電流高達(dá)數(shù)十安培甚至更高，在瞬時放電時電流會成倍增加，因此，高壓線束設(shè)計布置需要充分考慮車輛和人員的安全，有必要對高壓線束的設(shè)計布置進(jìn)行說明。
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，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；對于熱縮管需要使用不同顏色對極性進(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間距大于400mm，若在實際環(huán)境中無法實現(xiàn)該距離時，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，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度，長度不小于200mm，應(yīng)留出足夠的空間保證裝配和維修方便。
