汽車搭鐵研究及應(yīng)用

張 偉，張力元，朱亞萍，張建鋒

（1.陜西汽車集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；2.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

1 汽車電器的特點

傳統(tǒng)能源汽車電器系統(tǒng)為低電壓直流供電，一般為12V或24V；整車大多采用負(fù)極搭鐵形式；整車線束基本采用單線制，在一些特殊情況下，為保證電器系統(tǒng)可靠工作，有時也采用雙線制。新能源汽車的動力電池及電機(jī)驅(qū)動等系統(tǒng)采用高壓電。

2 汽車搭鐵原理及作用

工業(yè)電一般將大地作為電位基準(zhǔn)點，在汽車電器系統(tǒng)中的搭鐵也就是整車電位基準(zhǔn)點。蓄電池作為整車的電源之一，其作用是提供電能量同時可抑制干擾，蓄電池負(fù)極作為整車?yán)硐氲拇铊F，其一般又與車身、車架、發(fā)動機(jī)缸體等可靠連接，這些金屬部件通稱為搭鐵，整車的電器負(fù)極又與這些部件相連，構(gòu)成回路，這就是所謂的接地，也叫搭鐵。

按不同的功能分析，搭鐵的作用主要有以下幾方面。

1）功率搭鐵。指電器部件工作時的電流回路搭鐵，根據(jù)不同負(fù)載形式又分為感性負(fù)載搭鐵與阻性負(fù)載搭鐵。

2）信號搭鐵。指各類傳感器的搭鐵，為小電流，實際上是為整車電器提供一個基準(zhǔn)電位點，保證傳感器信號不會因電位浮動而產(chǎn)生誤差。針對模擬傳感器和數(shù)字傳感器，其搭鐵形式又分為模擬信號搭鐵和數(shù)字信號搭鐵。

3）保護(hù)搭鐵。指用于為電器部件提供過壓保護(hù)或靜電保護(hù)的搭鐵。

4）屏蔽搭鐵。是導(dǎo)線的屏蔽層或電器部件的外殼進(jìn)行的搭鐵，對易受電磁干擾的部件進(jìn)行防護(hù)；同時屏蔽干擾源，對其進(jìn)行有效電磁抑制，從而提高整車的EMC性能。

5）電源搭鐵。電源搭鐵是指整車電路的搭鐵，也就是整車電位基準(zhǔn)點，是用搭鐵線把蓄電池負(fù)極直接連接到車架上，車架到發(fā)動機(jī)，對于商用車來講，還需將車架通過搭鐵線連接到車身上。整個金屬車身、車架、發(fā)動機(jī)缸體構(gòu)成整車的電源搭鐵，也就是電流回路中的負(fù)極。

3 汽車負(fù)極搭鐵的形式

在進(jìn)行汽車線束設(shè)計時，搭鐵設(shè)計是非常重要的工作，它對信號的正常傳遞至關(guān)重要，如果搭鐵設(shè)計得不科學(xué)，或是共搭鐵點虛接松動，就有可能造成信號衰減，再者共搭鐵點雜波如果超過極限，將會引起共搭鐵干擾，會直接影響控制單元的正常工作，嚴(yán)重的還會產(chǎn)生整車安全性事故，如車輛自燃、失去方向控制、制動失靈等。

常用的汽車低壓電氣系統(tǒng)搭鐵方法有兩種，如圖1、圖2所示。

圖1 就近搭鐵

圖2 獨立搭鐵

搭鐵就近原則，就是將用電設(shè)備盡可能地在其附近搭鐵，如圖1所示，將多個在某一范圍內(nèi)的多個用電器的負(fù)極通過一個打釘點合并在一起，再統(tǒng)一連接到搭鐵點。優(yōu)點是可以減少導(dǎo)線的使用量，從而降低了線束的成本及質(zhì)量，缺點是可能會引起搭鐵信號的相互干擾。另一種搭鐵方法如圖2所示，每個用電器用獨立的電線搭鐵，優(yōu)點是可以降低信號相互干擾，缺點是增加了線束的使用量，造成線束質(zhì)量成本增加。一般對于關(guān)鍵且敏感用電器，如：儀表、控制單元、精密傳感器、中控等的搭鐵使用圖2所示方法；而針對不敏感的功率用電器，如：雨刮電機(jī)、燈具、冷卻風(fēng)扇、暖風(fēng)電機(jī)等就可以使用圖1所示方法。

隨著汽車新能源、網(wǎng)聯(lián)化、智能化等技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電器功能日趨強(qiáng)大，電磁環(huán)境更加復(fù)雜，對一些關(guān)鍵且敏感的電器部件的搭鐵可直接接到蓄電池負(fù)極，這也就是真正所謂的“雙線制”。如儀表、中控屏、發(fā)動機(jī)ECU等關(guān)鍵敏感部件，該方式由于負(fù)極線較長，增加了電壓降、整車成本及質(zhì)量，因環(huán)節(jié)多路徑復(fù)雜，也增加了負(fù)極線路損壞的風(fēng)險，同時也應(yīng)充分考慮負(fù)極線的傳導(dǎo)干擾，在實際整車線束設(shè)計開發(fā)中，這種搭鐵方式不宜過多。

4 整車搭鐵分配設(shè)計

在實際設(shè)計中，我們將傳感器、控制器間的通信等搭鐵，其峰值電流小于1A的搭鐵稱之為“干凈搭鐵”，也有叫電子搭鐵。而對于電機(jī)類和開關(guān)類負(fù)載的搭鐵，其峰值電流大于1A，則稱之為“臟搭鐵”，也有叫功率搭鐵。

設(shè)計搭鐵分配方案的原則是：為避免信號間的相互干擾，要將電子搭鐵和功率搭鐵區(qū)別設(shè)計，也要將模擬搭鐵和數(shù)字搭鐵區(qū)別設(shè)計。原因是他們對搭鐵的沖擊是不同的，較敏感的電子器件會受這種對搭鐵的沖擊影響，從而無法正常運行。而針對同一個控制器，既有模擬搭鐵也有數(shù)字搭鐵，則不能將他們布置太遠(yuǎn)，因為，如果他們距離過長，那么他們之間就會產(chǎn)生較大的電位差，也將影響控制器的正常運行。

一般的搭鐵分配方案如下。

1）蓄電池負(fù)極搭鐵：儀表、發(fā)動機(jī)ECU、后處理DCU等特別關(guān)鍵敏感部件。

2）敏感部件搭鐵：收放機(jī)、多媒體等。

3）關(guān)鍵控制器搭鐵：整車控制器VCU、空調(diào)控制器、車身控制器BCM、倒車?yán)走_(dá)控制器、行駛記錄儀、ECAS控制器、門窗控制器DCM、胎壓檢測控制器等。

4）開關(guān)繼電器搭鐵：各種開關(guān)、各種繼電器、電源插座、點煙器等。

5）電機(jī)、閥類電器搭鐵：雨刮電機(jī)、暖風(fēng)電機(jī)、門窗電機(jī)、各種電磁閥、電加熱部件、電動泵、電喇叭、調(diào)光電機(jī)等。

6）燈類搭鐵：前照燈、霧燈、小燈、各種照明燈和信號燈、蜂鳴器等。

根據(jù)實車用電器的位置不同，在不違背搭鐵分配原則的前提下，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5 整車搭鐵點的分布設(shè)計

5.1 搭鐵點的設(shè)置要求

搭鐵點的設(shè)置應(yīng)滿足以下要求。

1）儀表、發(fā)動機(jī)ECU等特別關(guān)鍵敏感部件應(yīng)單獨搭鐵，防止被干擾。

2）為保證信號正常傳輸，弱信號傳感器的搭鐵線應(yīng)盡量單獨且就近搭鐵。

3）商用汽車蓄電池負(fù)極搭鐵和發(fā)動機(jī)缸體搭鐵很重要，有多種形式，要綜合考慮，確?？煽看铊F。

4）車身和車架應(yīng)保證同電位、可靠搭鐵，保證所有搭鐵點、空間位置都便于安裝和拆卸，滿足維修要求。

5）為防止搭鐵點進(jìn)水、腐蝕，不得把搭鐵點設(shè)計布置在嚴(yán)重的飛濺區(qū)域。

6）搭鐵點有時會發(fā)熱，甚至因接觸不良產(chǎn)生火花，所以不要把搭鐵螺栓設(shè)計布置在油箱和油路的附近。

7）搭鐵線直接通過螺栓、齒形墊片，直接安裝到車身、搭鐵板（或車架）上，且搭鐵處需除漆、除銹，保證無雜物、搭鐵可靠并做防銹處理。

5.2 駕駛艙搭鐵分布設(shè)計

駕駛艙內(nèi)用電器很多，用電器種類各異，為了保證駕駛艙電器不相互干擾，同時滿足就近搭鐵的要求，一般駕駛艙設(shè)置4～7個搭鐵點，左右各兩個，中間一個，駕駛艙前圍設(shè)置一個與車架等電位連接的搭鐵點。

以下是駕駛艙搭鐵分配布置示例，如圖3所示。

5.3 車架搭鐵分布設(shè)計

根據(jù)車型電器系統(tǒng)的復(fù)雜程度，車架一般設(shè)置3～6個搭鐵點，車架前部一個，車架中部靠近蓄電池箱處一個，車架后部一個，還有的在車架第一橫梁處設(shè)置一個與車身連接等電位搭鐵點，一些車型在靠近發(fā)動機(jī)處的縱梁上還設(shè)置了車架與發(fā)動機(jī)連接的等電位搭鐵點。

圖3 駕駛艙搭鐵分配布置示例

5.4 駕駛艙與車架的搭鐵

乘用車的車身與底盤是聯(lián)為一體的，車身與底盤始終為等電位；而商用車的車身與車架，一般是通過懸置與車架相連，而懸架是運動件，不能可靠將車身與車架導(dǎo)通，必須通過專用的導(dǎo)線將兩者連接可靠導(dǎo)通，從而使車身、車架、蓄電池負(fù)極始終處于等電位。

6 新能源汽車高壓系統(tǒng)搭鐵要求

為提升高壓系統(tǒng)的EMC性能，需進(jìn)行等電位設(shè)計，高壓系統(tǒng)搭鐵設(shè)計要求如下。

1）各高壓部件殼體搭鐵點數(shù)量設(shè)計要求：①動力電池包殼體到車架應(yīng)該要有兩個以上搭鐵點；②整車控制器（VCU）殼體到車架應(yīng)該要有一個以上搭鐵點；③電機(jī)控制器殼體到車架應(yīng)該要有兩個以上搭鐵點；④電動空調(diào)壓縮機(jī)殼體到車架應(yīng)該要有一個以上搭鐵點；⑤電動轉(zhuǎn)向泵殼體到車架應(yīng)該要有一個以上搭鐵點；⑥空氣壓縮機(jī)器殼體到車架應(yīng)該要有一個以上搭鐵點。

2）高壓電器部件必須設(shè)計專用的搭鐵點（可用螺栓或螺母），而且要求拆裝方便，不得有油漆雜物，保證可靠接觸。

3）搭鐵線要從高壓電器件殼體就近有效接到車架上（即所謂的“干凈搭鐵”），避免通過中間支架搭鐵。

4）車架搭鐵點應(yīng)除漆除雜物，并加鋸齒墊圈，按扭矩要求安裝，保證可靠接觸。

5）高壓電器外殼等電位線設(shè)計得要盡量短，根據(jù)不同的載荷，線徑滿足要求，一般線徑要求不小于16mm2。

6）各搭鐵點要進(jìn)行專項防水防腐處理。

搭鐵點測試驗證要求：為保證各搭鐵點可靠工作，需要滿足導(dǎo)通、耐腐蝕、耐振動的要求，需要通過相關(guān)試驗驗證，如：電阻測試驗證、震動性測試驗證、鹽霧測試驗證等。

7 搭鐵點的形式

7.1 駕駛艙搭鐵形式

為可靠搭鐵，駕駛艙搭鐵需設(shè)置在車身主體鈑金上，一般通過預(yù)焊螺栓或螺母來實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 搭鐵螺栓螺母示意圖

目前主流車企一般采用焊接搭鐵螺栓，為防止油漆影響搭鐵效果，在電泳漆之前，將工藝螺母與螺栓擰緊，這樣在安裝搭鐵線時，再將螺母取下，為保證搭鐵可靠，在搭鐵線端子與鈑金間增加鋸齒墊圈，通過鋸齒墊圈破除安裝面的油漆，從而實現(xiàn)可靠搭鐵，安裝完成后搭鐵點需防銹處理。

7.2 車架搭鐵形式

車架上搭鐵形式一般有3種。

1）如圖5所示，通常采用的是普通螺栓螺母+鋸齒墊圈+凡士林形式，在安裝搭鐵線前，先用專用除漆工具將車架安裝面的油漆除去，在搭鐵線端子與車架安裝面間增加鋸齒墊圈，從而實現(xiàn)可靠搭鐵，安裝完成后搭鐵點需防銹處理。

2）一些重卡采用的專用搭鐵螺栓+普通六角螺母+鋸齒墊圈+凡士林方式，如圖6所示，螺栓與安裝孔通過花鍵體過盈配合，將安裝孔內(nèi)的油漆除去，從而實現(xiàn)可靠搭鐵，安裝完成后搭鐵點需防銹處理。

圖5 普通螺栓螺母+鋸齒墊圈+凡士林

圖6 專用搭鐵螺栓+普通六角螺母+鋸齒墊圈+凡士林

3）一些中輕卡車采用專用搭鐵螺栓+凸焊螺母+鋸齒墊圈+凡士林方式，如圖7所示，利用專用搭鐵螺栓頭部特殊結(jié)構(gòu)，在緊固時，將凸焊螺母中的油漆雜物除去，在搭鐵線端子與車架安裝面間增加鋸齒墊圈，從而實現(xiàn)可靠搭鐵，安裝完成后搭鐵點需防銹處理。

圖7 專用搭鐵螺栓+凸焊螺母+鋸齒墊圈+凡士林

8 整車搭鐵系統(tǒng)測試

8.1 測試目的

1）測試整車電氣系統(tǒng)各搭鐵點的懸浮電壓及各回路的電流參數(shù)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定各搭鐵點是否滿足整車電器設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并出具改進(jìn)方案。

2）測試整車各用電設(shè)備在對應(yīng)搭鐵點螺栓松脫狀態(tài)的工作狀況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定相關(guān)搭鐵措施是滿足技術(shù)要求，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并出具改進(jìn)方案。

8.2 判定標(biāo)準(zhǔn)

8.2.1 搭鐵懸浮電壓及電流測試

1）各搭鐵點懸浮電壓連續(xù)偏移量（＞500ms）應(yīng)在±0.5V范圍內(nèi)。

2）各搭鐵點懸浮電壓瞬態(tài)偏移量（＞500ms）應(yīng)在±2V范圍內(nèi)。

3）某一搭鐵點失效時，其余搭鐵點懸浮電壓連續(xù)偏移量（＞500ms）應(yīng)低于2V。

4）各搭鐵點電流不應(yīng)超過該搭鐵點線束最大工作電流的70%。

5）整車電器設(shè)備不應(yīng)損壞，當(dāng)出現(xiàn)斷路時，該回路電器設(shè)備不應(yīng)工作。

8.2.2 搭鐵失效測試

1）某一搭鐵點失效時，各搭鐵點懸浮電壓連續(xù)偏移量（＞500ms）應(yīng)在±0.5V范圍內(nèi)。

2）某一搭鐵點失效時，各搭鐵點懸浮電壓瞬態(tài)偏移量（＞500ms）應(yīng)在±2V范圍內(nèi)。

3）當(dāng)某一搭鐵點失效時，與該搭鐵點無關(guān)的電器設(shè)備應(yīng)能正常工作。

4）任何接點搭鐵失效后，不應(yīng)出現(xiàn)線束過載燒損現(xiàn)象。

9 結(jié)論

搭鐵方案是汽車電器系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，在整車電器架構(gòu)設(shè)計之初就應(yīng)充分考慮，并制定整體方案：包括搭鐵分配方案、線制方案、負(fù)荷計算、搭鐵點選擇、搭鐵形式、驗證策劃、搭鐵工藝、檢驗標(biāo)準(zhǔn)等。開發(fā)過程包括以下幾個階段：方案論證、各級評審、詳細(xì)設(shè)計、虛擬驗證、臺架驗證、整車測試、整車可靠性驗證等。當(dāng)今汽車電器系統(tǒng)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，整車搭鐵如設(shè)計不好，輕者會造成整車成本和質(zhì)量增加、或部分電器功能失效甚至?xí)?dǎo)致車輛停駛，重者可造成車輛失去制動、自燃等惡性事故的發(fā)生，對此設(shè)計開發(fā)人員應(yīng)高度重視。