汽车线束回路设计方法研究及应用

仇郭兵

摘 要：线束作为汽车上大面积使用的、电器部件之间的连接媒介，其可靠性直接影响到整车的安全性，本文首先阐述了汽车线束导线的选型，然后介绍了从成本出发和从性能出发两个不同的方面的線束回路设计方法及应用，并提出了具体的控制策略及实施途径，为线束回路设计提供了技术支撑，对线束设计人员具有较强的指导意义。

关键词：线束回路;设计方法;应用

0 引言

作为汽车电器功能的连接载体，线束产品实现各电器原件之间的电路连接。各电路连接的起点和终点构成线束产品中的回路。可以说线束环是线束产品的核心。线束回路设计的好坏直接决定着线束的安全性和可靠性。随着汽车电气化程度的提高，电器元器件数量增加，电器之间的信号交互变得越来越密切，汽车线束电路数量迅速增加，一般汽车线束电路数量已达到近1000个。如何优化这么多的电路是汽车线束设计中的一个难题[1]。

1 汽车线束导线的选型

（1）耐温性。汽车上最常使用的普通导线由线芯和绝缘皮构成，线芯发热，绝缘皮散热。同系列同线径的导线，其耐温性主要与绝缘皮的壁厚和使用材料有关。

（2）载流能力。载流能力是指导线能够长时间承载最大电流的能力。不同导线能够承载的电流峰值是不同的。同线径的导线耐温等级越高，载流的能力越强;同耐温等级的导线线径越大，载流能力越强。导线的载流能力一般与导线内芯的材料、线芯的股数和绝缘皮的等级有关。

内芯的材料一般为铜或铝，铜的载流能力比铝强，一般铜为5A/mm2、铝为3A/mm2。同等条件下，线芯的股数越多，承载电流的能力越强;绝缘皮耐温等级越高，承载电流的能力越强。

（3）降额能力。降额能力是指导线随环境温度的变化，载流能力跟着改变的一种能力。常温时导线的载流能力处于较高的水平，但随着周围环境温度的升高会逐渐降低，直到达到某一温度临界值时导线断开，完全失去承载电流的能力[2]。

导线的降额曲线是线束布置的重要依据，靠近热源的区域，需要根据环境温度选取适合的耐温导线。降额能力主要与导线绝缘皮厚度有关，和线芯使用的材料关系不大。

（4）导线温升。通电的导线自身会产生热量（Q），可根据焦耳定律Q=I2Rt计算。但一般情况下，是不考虑导线的自身发热的，因为环境温度一般相对较低，而热量一般从高温区域向低温区域扩散，导线产生的热量能够及时散出。

所以，考虑导线的温升一般是在外界高温的环境下，导线发热大于散热时，导线容易烧蚀，这是线束设计重点关注的风险项，通常可以采取加大导线线径的方式来提高导线的散热能力。

（5）电压降。电压降即连接电源到设备端的导线在传输过程中造成的电压损失。环境温度越高、导线的长度越长，导线的电阻就越大。因此，在长距离、高温的条件下传输，需要考虑导线的电压降。线束总的电压降应包含从发电机/蓄电池端开始，线束中每根导线上的电压降，直到设备的接地。导线电阻测量的理想试验温度是20℃，但是实际的测试环境温度会存在偏差，需要根据温度修正系数折合成20℃的状态。修正系数由导线厂家提供，不同品牌的修正系数各异。

每根导线的电压降=导线长度×电阻率×温度系数，除此之外，电压降还需要考虑端子压接的电压降，和与连接器对接时的电压降。所以，线路上总电压降=∑（每根导线电压降+每个压接电压降+每个连接器对接电压降）。线束电压降仿真在整车上进行，包括了线束到某元器件的所有电压降，一般只对部分敏感元器件做电压降测试，比如行车喇叭，要求阻抗小于29.10mΩ。在大多数情况下，线路的电压降是忽略不计的，但是导线的电压降必须控制，要求不得高于电器件所需电能的10%。

2 从成本出发的回路设计方法

线束回路约占线束物料成本的90%，包含导线及接插件，要控制线束设计成本，必须从线束回路设计优化着手。针对导线使用而言，如何用最少的导线长度实现回路连接功能，是回路设计首先要考虑的问题。这其中涉及两个方面的设计要素：电器零部件的布置位置和线束布置路径的选择。这两个要素独立而又相互关联，对导线长度的使用影响重大。首先需要基于零部件原理确定其回路的连接方式，进而确定在整车环境下各零部件布置的初步位置，而线束布置路径的选择则是基于零部件布置位置的基础上，用最短的线束长度覆盖尽量多的零部件布置区域，这也是整车电器拓扑的雏形。在完成整车拓扑搭建后，就需要对其进行设计校核，通过核算具体的导线用量来判断零部件的布置位置和线束布置路径是否合理[3]。

3 基于性能的回路设计方法

首先回路的设计必须要对无法探测的失效模式进行规避，熔断丝后部与继电器线圈端和触点端并接的回路，这样的设计在整车电路设计中很普遍，当继电器线圈端和触点端端子不同时，这样的设计显然是合理的，但当继电器线圈端和触点端端子相同时，这样的设计在端子插入继电器孔位插错的情况下，目前的电检设备还无法识别这样的失效方式。所以这种回路设计方式在某些情况下是不能采用的。当然不同的设计工程师面临的设计环境和制造环境有差异，具体的失效模式也会有所不同，但回路设计中失效模式的规避是首先要考虑的。另一个方面，目前汽车电子化水平显著提高，作为一个电子载体，汽车上面临的电磁环境也更复杂，而线束回路设计如何减少电磁干扰是一个不可避免的课题。导线耦合干扰、电源干扰、搭铁干扰、辐射干扰等都会对电器件正常工作产生不利影响，而线束中各回路捆扎在一起，线束回路之间，线束与金属导体之间产生的导线耦合干扰在线束上表现得尤为突出。

在回路设计中要减少导线耦合干扰，首先要区分干扰回路和敏感回路。简单点说，感性类负载回路比如点火线圈、喇叭、电机等属于干扰回路，而影像、雷达探头、低功率的LED灯、各类传感器等回路属于敏感回路，在设计过程中干扰回路和敏感回路需要分开布置。

4 结论

现有的汽车线束设计技术资料主要在线束物料选择及制造加工环节对线束设计提供设计指导，但对线束回路的规划及设计理念缺少系统的分析，本文简单的对汽车线束导线的选型以及从两个方面对线束回路设计的方法进行了说明，希望可以对以后的汽车线束回路设计有帮助。

参考文献：

[1]李军.汽车线束导线的选用研究[J].汽车电器，2015（04）：22-24.

[2]赵岩，李国辉.汽车电线束导线寿命研究[J].汽车电器，2015（07）：1-3.

[3]周成敏.汽车电路的电压降要求及其控制方法[J].时代农机，2016（01）：12-14.