光纖在汽車電線束的應(yīng)用技術(shù)趨勢(shì)

【摘 要】文章依據(jù)國(guó)內(nèi)光纖專利情況，介紹汽車光纖線束技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。初期光纖技術(shù)主要用于汽車內(nèi)部裝飾，隨后逐漸聚焦于提高強(qiáng)度、抗干擾性以及壓接性能，以實(shí)現(xiàn)其在汽車電線束中的應(yīng)用。近期研究人員開始探索以太網(wǎng)光纖技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】汽車光纖;線束;壓接;以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：U463.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化、輕量化、智能網(wǎng)聯(lián)化的相互融合推動(dòng)著汽車技術(shù)的發(fā)展。隨著汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)的不斷降低，輕量化成為汽車節(jié)能減排的重要手段之一[1-3]。多年前筆者曾提出基于光導(dǎo)纖維數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)娛樂系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等電子設(shè)備的互聯(lián)和控制，開發(fā)并搭載光導(dǎo)纖維等新型基材導(dǎo)線技術(shù)也是整車線束系統(tǒng)輕量化的發(fā)展方向之一，同時(shí)能優(yōu)化改變線束布置[4]。光纖傳輸，即以光導(dǎo)纖維為介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸。光導(dǎo)纖維（圖1）是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。玻璃光纖的標(biāo)準(zhǔn)直徑為125μm（0.125mm），表面覆蓋有直徑250μm或900μm的樹脂保護(hù)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(hào)和數(shù)字信號(hào)，而且可以滿足視頻傳輸?shù)男枨?。光纖傳輸一般使用光纜進(jìn)行，單根光導(dǎo)纖維的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)每秒幾億比特，在不使用中繼器的情況下，傳輸距離能達(dá)幾十公里。光纖傳輸具有7大優(yōu)勢(shì)：①靈敏度高，不受電磁噪聲之干擾;②體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉;③絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適于特殊環(huán)境之工作;④幾何形狀可依環(huán)境要求調(diào)整，信號(hào)傳輸容易;⑤高帶寬，通信量大衰減小，傳輸距離遠(yuǎn);⑥信號(hào)串音小，傳輸品質(zhì)高;⑦保密性高。本文以國(guó)內(nèi)專利為基礎(chǔ)，分析光纖技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，以期能夠幫助研究人員了解光纖技術(shù)在汽車上的發(fā)展方向。

1 光纖技術(shù)在汽車上應(yīng)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(diào)節(jié)車廂氣氛和氣味，以增加駕駛?cè)藛T的多種享受[5]。在當(dāng)時(shí)，并未提及光纖傳輸功能在汽車上的應(yīng)用。直到2013年，研究人員為了解決汽車照明系統(tǒng)中分布于整車不同部位的光源因供電需要大量電纜而導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用理念。在這期間，網(wǎng)絡(luò)上也開始有報(bào)道稱國(guó)外將光纖應(yīng)用到汽車線束上。

2 汽車光纖傳輸技術(shù)

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(jié)構(gòu)包括：纖芯，設(shè)置于光線線束的最內(nèi)部，至少用于供光傳輸;纖芯包層，包覆于纖芯的表面外側(cè);至少一層保護(hù)套，設(shè)置于纖芯包層的表面外側(cè)，用以保護(hù)纖芯（圖4）。在汽車線束中增加光纖進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)信息，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高速率數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)量大、損耗小、品質(zhì)穩(wěn)定、尺寸小、質(zhì)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(shù)據(jù)傳輸速率和較高的信噪比帶寬積，可適用于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)和通斷負(fù)載的開關(guān)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(qiáng)及傳輸安全技術(shù)

袁紅[8]利用銅合金絲圍繞光導(dǎo)纖維緊貼光導(dǎo)纖維進(jìn)行絞合并輔以外導(dǎo)體和內(nèi)外層來提高光纖的強(qiáng)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(tài)的雙涂覆層來提高光纖強(qiáng)度[9]。劉德成[10]則通過含有碳納米管結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)纖維（圖6）提高了機(jī)械強(qiáng)度、減輕了質(zhì)量，并通過使電流在芯線中傳播，電流傳播有效截面積不會(huì)改變，不產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，減少了信號(hào)在線纜傳輸過程中的衰減。

為提高光纖芯的抗拉強(qiáng)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(nèi)向外依次布置的導(dǎo)體、隔熱層、屏蔽層、減振層和保護(hù)層的方案。導(dǎo)體包括一個(gè)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(xiàn)有技術(shù)中汽車線束雖采用光纖線與汽車線束結(jié)合，但由于結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)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(shí)降低線束的整體質(zhì)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(yīng)汽車的振動(dòng)和高低溫工作環(huán)境。楊文騏等[12]則通過在放置腔體內(nèi)部中心位置處設(shè)支撐管，空腔外壁上放置腔體內(nèi)部設(shè)等間距的第1防護(hù)套，第1防護(hù)套之間支撐管外壁上設(shè)等間距的定位筋，實(shí)現(xiàn)了光纖線束的分隔功能，從而提高了光纖線束使用時(shí)的信號(hào)傳輸效果;如圖8所示，通過在石棉線束套外側(cè)設(shè)中空夾層，中空夾層遠(yuǎn)離石棉線束套一側(cè)設(shè)橡膠絕緣套，石棉線束套外壁上中空夾層內(nèi)部設(shè)等間距的橡膠絕緣塊以及石棉線束套，實(shí)現(xiàn)了光纖線束的絕緣功能，從而提高了光纖線束使用時(shí)的安全性;通過在第2防護(hù)套內(nèi)部中心位置處設(shè)無機(jī)粘合劑，無機(jī)粘合劑一側(cè)第2防護(hù)套內(nèi)部粘貼天然纖維抗壓層，無機(jī)粘合劑遠(yuǎn)離天然纖維抗壓層一側(cè)第2防護(hù)套內(nèi)部填充聚氨酯彈性顆粒，提高了光纖線束的韌性強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)了光纖線束的使用壽命。

4 汽車光纖壓接技術(shù)

光纖要想在汽車電線束上得到推廣應(yīng)用，光纖與光纖連接器的良好壓接至關(guān)重要。光纖線束壓接機(jī)在壓接端子時(shí)，由于沖壓頭下降高度不易控制，當(dāng)沖壓頭下降過深時(shí)，沖壓頭對(duì)端子壓接后繼續(xù)下降，從而對(duì)光纖線絕緣層產(chǎn)生刺穿或者割壞的情況，當(dāng)沖壓頭下降過淺時(shí)，不能對(duì)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(dǎo)致光纖線束壓接不合格。倪敏躍[13]設(shè)計(jì)了一種光纖線束壓接機(jī)（圖9），采用兩次壓接的方式分別對(duì)光纖線束和端子進(jìn)行逐步壓接，減少端子外表面受損率，二次壓接裝置的設(shè)置，對(duì)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(gè)活動(dòng)壓接模具的擠壓，使得壓接頭對(duì)合攏后的端子U形壓接部頂端再次壓接，減少了絕緣層發(fā)生刺穿或者割壞的情況;活動(dòng)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(gè)模具之間的有效壓接率。

5 汽車光纖以太網(wǎng)通信技術(shù)

以太網(wǎng)誕生早，具有技術(shù)成熟、帶寬高、成本低且擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)入汽車領(lǐng)域前就已得到廣泛應(yīng)用。由于以太網(wǎng)傳輸帶寬高，會(huì)導(dǎo)致更高的能量排放，而汽車對(duì)EMC（電磁兼容）要求十分嚴(yán)格，使得以太網(wǎng)直到近年汽車單對(duì)雙絞線（100Base-T1/1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)）的技術(shù)取得突破才得以在汽車內(nèi)應(yīng)用。然而在其開發(fā)過程中，需要做一系列專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（如PMA測(cè)試），而要通過這些測(cè)試不僅需要昂貴的儀器，而且硬件調(diào)試的復(fù)雜性無疑也導(dǎo)致了更多的成本。汽車內(nèi)電氣環(huán)境復(fù)雜，出于安全考慮，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需做電流隔離以防止短路，但是現(xiàn)有汽車雙絞線以太網(wǎng)通信系統(tǒng)EMC性能較差，難以滿足對(duì)電流隔離的要求。最近，周立功等[14]設(shè)計(jì)了一種汽車光纖以太網(wǎng)通信裝置，如圖10所示。其技術(shù)方案通過控制模塊控制睡眠喚醒模塊的工作，在需要進(jìn)行汽車光纖以太網(wǎng)通信時(shí)，控制睡眠喚醒模塊對(duì)光纖以太網(wǎng)收發(fā)器和光電轉(zhuǎn)換模塊上電，需要進(jìn)行通信連線的2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過光纖連接光電轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。光電轉(zhuǎn)換模塊對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并通過光纖以太網(wǎng)收發(fā)器對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)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(guān)于EMC調(diào)試過程的復(fù)雜與成本，提高了汽車以太網(wǎng)的EMC性能，滿足了對(duì)電流隔離的要求。

6 結(jié)論

總之，在汽車智能化、輕量化以及以太網(wǎng)應(yīng)用的背景下，汽車光纖以其速率快、靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，開始探索在電線束行業(yè)的應(yīng)用。如何提高光纖的強(qiáng)度、抗干擾性以及壓接安全性等，是光纖在汽車電線束上應(yīng)用的關(guān)鍵所在。光纖首先在娛樂系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等安全性要求不高的環(huán)境下探索應(yīng)用路徑，是比較穩(wěn)妥的策略之一。使光纖從靜態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用過渡到滿足汽車動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)光纖性能的新要求是至關(guān)重要的。在最近的行業(yè)技術(shù)論壇上，多家線束行業(yè)公司提出光纖具有廣闊的應(yīng)用前景，并初步驗(yàn)證了其可行性。

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