汽车中央配电盒的设计和开发

谷孝卫，王胜利，陈海涛，蒋廷云

（河南天海电器有限公司线束研发中心，河南 鹤壁 458030）

1 中央配电盒设计概述

中央配电盒 （又称熔断丝盒或保险盒）是整车用电器的电力分配集中装置，一般由基体和熔断丝、继电器、拔片器、汇流条、PCB（Print Circuit Board）、塑料支架、接线柱和插接件等构成。集中式布置有利于节约整车的空间、降低成本和维护方便。一辆汽车一般来说拥有两个中央配电盒，发动机舱和驾驶室各有一个，有些车型在蓄电池正极上会挂接一个小型的配电盒，负责整车大电流的分配。在较高端的车型中，中央配电盒的数量会增至3~4个，比如在行李厢布置一个，或者驾驶室布置两个。

按照项目整体的控制成本和对产品性能稳定的要求，在能够满足新开发车型熔断丝、继电器回路要求的情况下，尽量优先考虑直接借用现有产品。这不仅能降低开发成本和管理成本、缩短开发周期、 同时也能保证产品的品质；如果不能直接借用现有产品，可以考虑在现有的产品基础上进行局部更改，这样也可以缩短一定的开发周期和后续试验周期；对于没有借用可能，需要全新开发的产品，一定要经过严格的各种试验才能装车投入市场。

中央配电盒是整车电路的心脏，设计的合理与优劣对整车的电气性能会产生很大的影响，而它的设计也是一项极为复杂的工作，需要注意的要点很多，我们将在下面的内容中逐一阐述。

2 中央配电盒的设计

2.1 中央配电盒的选型

中央配电盒较为常见的有4种，分别为插线式配电盒、汇流条式配电盒、PCB板式配电盒和智能配电盒，这4种配电盒均有各自的优点和缺点，也均有各自的使用领域，我们应依据车型的状况和客户的要求来选择合适的配电盒。

2.1.1 插线式配电盒

该配电盒可以定义为：以配电盒为母体，将压接好导线的端子穿入配电盒内，然后安装相应的熔断丝和继电器。继电器和熔断丝之间的相互关系完全靠线束来完成，图1就是一款典型的插线式配电盒。

1）优点：结构简单、便于更改和产品改型，适用范围广 （能满足大电流熔断丝和继电器及高低温环境），成本是4种配电盒中最低的，一般用于市场定位较低的车型中。

2）缺点：线束装配复杂，不便于维修和更换，性能可靠性略差，不易防错，易产生设计缺陷 （如继电器端子退位等）。

2.1.2 汇流条式配电盒

该配电盒是以铜合金板的形式来实现熔断丝和继电器之间的相互关系，各层铜合金板之间又分别布置了绝缘板。该类型的配电盒目前也得到了广泛的应用，图2就是一款典型的汇流条式配电盒。

1）优点：可靠性高，应用范围广，可适用于大电流回路和不同的空间尺寸要求，适用于整车高低温环境。与线束对接装配方便快捷。

2）缺点：产品开发投资较大，设计更改周期长且费用较高。

2.1.3 PCB配电盒

该配电盒以PCB（双层板）的形式通过铜箔实现熔断丝和继电器之间的相互关系，PCB的一层焊接有熔断丝插座和继电器插座，另一层焊接有配电盒插接件端子 （与线束对接）。图3就是一款典型的PCB配电盒。

1）优点：易于标准化批量生产，产品开发投入较低，设计更改容易且费用低，与线束装配对接方便快捷。

2）缺点：使用范围较窄，因为PCB的特性和铜箔对电流的限制，该类型配电盒不适用于高温环境（如发动机舱）和大电流回路。

2.1.4 智能配电盒

智能配电盒是最近几年逐渐兴起的新生代产品，由于汽车的发展越来越快，电路也越来越复杂，这样整车线束的质量也变得越来越大，这时候智能配电盒应运而生。智能配电盒是一个智能控制系统，它将整车BCM和部分的继电器以及熔断丝集成在了一个总的控制单元上，这样就能大大减少传统设计中BCM和配电盒之间大量的导线，这样的设计也使得整车电路的稳定性得以很大的提高。图4是一款典型的智能配电盒。

1）优点：便于集中供电管理，对整车电气性能有很大的提高，能节约大量导线，简化线束。

2）缺点：设计开发难度较大，需要BCM和配电盒的协同开发，整体成本较高 （包括维修成本）。

2.2 中央配电盒的结构设计

配电盒的设计一般分为内部结构和外部结构设计，我们可按照图5所示的流程来逐步进行。

2.2.1 外部结构设计

关于外部结构设计部分，我们需要搜集的输入信息有配电盒的最大边界尺寸、配电盒的固定方式、线束在配电盒的出入方向及位置、配电盒的密闭性 （防水或是否带上下盖等）。

1）最大边界尺寸一般是主机厂向我们提供的配电盒与车身其它部件不干涉的基本尺寸，我们在设计时，整体外部尺寸应略小于该尺寸，同时还应考虑到配电盒的安装、拆卸以及维修的方便性，在考虑这些因素后，配电盒的外部结构尺寸也许会进一步缩小。

2）需要根据该配电盒的安装位置以及周边环境来确定配电盒是以螺栓紧固还是支架卡接固定。在设计固定方式时，应充分考虑到配电盒在行车以及极端恶劣的环境下的稳定性，还应考虑到主机厂工人安装的便捷性。

3）出入口的设计因为牵涉到线束的整体布置，在前期阶段可能并不能完全确定下来，后期有更改的可能，我们应根据线束从配电盒的走向 （出、入或者只入不出），在确定线束出入口时，应考虑到线束生产时的便利性以及线束在整车上安装的便利性，同时应注意整体视觉效果，保证线束的平顺性，避免线束在配电盒处歪扭或者迂回。

4）密封结构的确定是以配电盒所处的环境位置来确定的，一般发动机舱配电盒均带有上下盒盖，甚至一些车型还要求密闭防水；而驾驶室内配电盒因环境较好，且受驾驶室内空间限制，配电盒均不带上盖，为了防止端子与车体其他部分接触短路，一般要求有下盖保护。

2.2.2 内部结构设计

内部结构相对于外部结构来说则复杂得多，需要有准确的设计输入，至少保证80%以上的准确性。电源分配图是内部结构设计的根本，所以必须保证在配电盒模具开发之后不能有较大范围的改动。为了方便设计，需要在内部结构设计之前依据电源分配图统计出下面的数据列表。

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下面将依据表1中某车型的统计表来具体阐述在配电盒内部结构设计中应注意的问题 （此处以插线式配电盒设计为例）。

1）熔断丝和继电器的预留问题

在设计电源分配图时应以该项目的最高配置车型来设计，因为空间的限制，在设计时不应过多预留熔断丝和继电器位置，但为了防止后期的车型配置变更导致配电盒的重新设计，我们又不能不预留。所以合理的分配在此处尤其重要。

以驾驶室配电盒为例，该配电盒内共有4个JCASE慢熔熔断丝，一般再预留2~3个；取自常电的MINI熔断丝有16个，一般预留3~4个；取自除霜继电器的MINI熔断丝有2个，因后期无其他除霜功能可加，则不预留；取自ACC、IG1、IG2的MINI熔断丝分别为4个、7个和2个，分别预留2~3个即可。

因为以上熔断丝的取电方式均有限制，所以我们应再预留4~5个独立的熔断丝 （不通过汇流条）。

9.5 ／6.3继电器和6.3／6.3继电器目前分别有2个和3个，因为此类继电器所用较少，一般各自再预留一个即可；6.3／4.8继电器使用了9个，因为该类继电器使用范围较广，则可预留2~3个。

表1 XXXX整车继电器和熔断丝分布统计表

2）熔断丝和继电器的排布

如何在有限的空间内排布额定数量的熔断丝和继电器是一项令人头疼的工作，这需要我们认真地分析电源分配图，捋清熔断丝和继电器之间的对应关系，合理利用汇流条来进行排布。仍以表1中的驾驶室配电盒为例，16个MINI熔断丝取自常电，则可以设计一根汇流条，取自IG1的熔断丝也多达7个，同样也可以设计一根汇流条，而除霜继电器又是直接取自常电后再过熔断丝，所以就有了下面图6所示的设计方案。

在排布熔断丝和继电器时，应注意彼此之间避免交叉混乱，这样在线束装配时不至于让配电盒内的导线过于混乱。同时还应注意散热问题，在设计初期就应该考虑到，并且在后期的Abaqus电热分析中验证。装配的便利性也是我们要考虑的，合理分布继电器与熔断丝的位置，避免后期出现插拔继电器和熔断丝的时候无法下手或无法使力的状况发生。

此处并不局限于该选取哪种熔断丝和继电器端子，只要保证端子在配电盒内的保持力，端子与继电器和熔断丝的插拔力即可。导电性要考虑端子压接线束后的电压降，我们应该紧密结合积累起来的失效数据库，避免问题端子的重复选用，例如在某车型的配电盒中，音叉式熔断丝端子在熔断丝经过数次插拔后存在插拔力不足的隐患，在设计中应予以注意。

4）熔断丝和继电器的编号

内部结构确定后，则需要对继电器和熔断丝编号了，因为后面的原理图设计会用到，编号也需要再返回到电源分配图中输入。熔断丝一般按F1~F99编号，继电器按照R1~R99编号。可以将所有的熔断丝和继电器合并在一起编号，也可按照配电盒分开编号，但必须保证原理图、电源分配图、线束二维图、配电盒标识的编号一致性。

3 设计验证

3.1 电热分析

依据Abaqus软件输入热导率、潜伏热、比热、电导率、材料密度、焦耳热、对流系数、辐射率等数据参数，再根据电源分配图输入各管脚电流，最后得出相应的时间-温度曲线以及整个配电盒内的热场分布，各个回路的电压降。最后解析结果，对不合理的地方调整。

3.2 结构分析

依据Abaqus软件输入物性表 （密度、摩擦系数、泊松比、杨氏模量、应力、应变等），最后得出端子插拔力、端子插入护套力及在护套中的保持力、铰链的抗弯曲能力等，然后解析结果，对不合理的地方作出相应调整。

3.3 制造分析

依据MoldFlow软件输入STL格式3D数据以及材料参数和工艺参数等，设置相应的分析顺序，最后得出流动、冷却、翘曲参数等。然后解析结果，对不合理的地方作出相应的结构调整。

3.4 装配验证

依据数模做出快速成型件，在汽车上模拟装配，分析装配的合理性以及干涉情况，如有不合理，则继续调整相应结构。

4 总结

以上的设计流程是基于插线式配电盒来说的，当需要设计的配电盒为汇流条式和PCB配电盒时，大致思路仍然相同，需要额外注意的内容有以下几个方面。

1）因为汇流条式配电盒和PCB板配电盒均集成了部分整车电路，所以在设计的过程中，需要绘制出配电盒的原理图，这个原理图是依据电源分配图而来，最后分析该原理图的合理性及可靠性。

2）在设计铜合金板以及PCB板时，依据电流流经的方向，考虑铜板及锡箔的电流承受能力以及整体的温升。

3）插接件 （连接线束与配电盒）的选取和设计，配电盒背部的连接器在选取设计时要独立分析每一个端子的电流大小，最后选择合适的端子宽度。结合配电盒和线束，选择合适数量及规格的连接器，最后在布局上考虑装配的便利性。

5 结束语

经过反复的设计验证及设计更改之后，依据项目进度，最后确定最终的配电盒图纸，包括配电盒的3D数模、二维图纸、模具图纸、装配图纸等，然后发布开模指令。关于后期的模具开发、模具制造、材料选择等内容，本文将不再做进一步说明，但需要注意的是，在选择配电盒原材料时，需要保证原材料满足欧盟市场准入的两项环保指令，分别为WEEE（欧盟议会和欧盟理事会关于电子电气设备废弃物的指令案）和ROHS（欧盟议会和欧盟理事会关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令案）。

［1］闫新明，邱国强，田勇，等.汽车中央电器配电盒模拟负载检测法［J］. 汽车电器， 2004 （10）： 52-54.