汽車(chē)保護系統中的分布式架構

如今的汽車(chē)制造商正積極努力地工作，旨在減輕整車(chē)的重量，從而有助于降低二氧化碳(CO2)的排放量，提高燃料的利用效率。設計工程師們正在努力開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和設計技巧，在不犧牲系統可靠性的前提下，降低汽車(chē)中線(xiàn)束的重量。正在涌現的線(xiàn)材技術(shù)是一項可以使重量大幅降低的技術(shù)，這種技術(shù)可以以更小的線(xiàn)徑實(shí)現更大的電流承載量。如今，汽車(chē)研發(fā)工程師們正在重新采用眾所周知的成熟技術(shù)，即利用分布式架構中的聚合物正溫度系數(PPTC)過(guò)流保護器件，在改善系統可靠性的同時(shí)，減小整車(chē)布線(xiàn)線(xiàn)束的重量。
　　　
重新檢視分布式解決方案

雖然從20世紀90年代以來(lái)，在分布式解決方案中采用PPTC器件來(lái)實(shí)現保護已經(jīng)成為人人皆知的設計選項，但在OEM廠(chǎng)商中間，該項技術(shù)的普及卻變得非常緩慢。實(shí)際上，隨著(zhù)汽車(chē)功能的大幅增加，導致汽車(chē)電氣和電子電路的功能不斷增加，如今，汽車(chē)中的布線(xiàn)系統已經(jīng)變得比歷史上任何時(shí)候都更加龐大、笨重和復雜。除了對改變傳統設計方法的阻力之外，傳統上所利用的粗線(xiàn)也限制了采用PPTC器件優(yōu)點(diǎn)的充分發(fā)揮。

過(guò)去，由于機械強度的原因，車(chē)輛中所用導線(xiàn)的最小線(xiàn)徑為0.35平方毫米(美國線(xiàn)規中為22)，所承載的最大電流為8至10安培。這樣一來(lái)，對于信號電流較小(如電流小于8安培)的電路應用，采用PPTC器件的某些優(yōu)點(diǎn)就無(wú)法體現出來(lái)。然而，如今的線(xiàn)材技術(shù)正在以更細的線(xiàn)徑，同時(shí)能夠承載更大的電流，例如，線(xiàn)徑僅為0.13平方毫米(美國線(xiàn)規中為26)的導線(xiàn)，卻能夠承載高達5安培的電流。該線(xiàn)材技術(shù)使得在采用分布式架構和PPTC過(guò)流保護時(shí)，所用的導線(xiàn)重量得到進(jìn)一步的大幅降低。

汽車(chē)行業(yè)的研究結果表明，相對于傳統的采用保險絲保護的集中式架構，這種分布式解決方案具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。根據研究的結果，在中高端乘用車(chē)輛中，采用具體如圖1所示分布式架構和泰科電子的聚合物開(kāi)關(guān)器件(PolySwitch™)后，除了僅銅線(xiàn)重量就可減輕了50%左右以外，設計靈活度還得到了大幅改善。

圖1：采用傳統的保險絲方案與分布式架構兩種情況下所采用線(xiàn)材重量的比較結果。在線(xiàn)材重量的計算中，所引用的銅材料密度為8.96x10-6kg/mm3。
　　　
減輕拖車(chē)燈光電路相關(guān)的導線(xiàn)重量

應用環(huán)境的惡劣、混雜的維修、因為浸水所導致的短路及過(guò)載，都決定了拖車(chē)的燈光電路屬于高風(fēng)險的應用。為了改善可靠性，通常在拖車(chē)電路中采用冗余的連接導線(xiàn)，每條導線(xiàn)都連接各自分離的保險絲及供電電路。在這種設計方案中，通常，所有車(chē)燈都采用單獨的保險絲予以保護，這些保險絲都位于一個(gè)集中式保險絲座中。

然而，在分布式保護架構中，可以將PPTC器件安放在車(chē)燈組件、連接器或者結合塊中，這樣，減少了3個(gè)保險絲，一個(gè)繼電器，3組長(cháng)導線(xiàn)以及相應的連接器。該設計方案還簡(jiǎn)化了剎車(chē)設計、轉向設計、危險警示燈模塊以及開(kāi)關(guān)設計。圖2和圖3對傳統的集中式解決方案(左)和分布式保護技術(shù)（右）進(jìn)行了具體比較。在分布式解決方案中，在每個(gè)相應的節點(diǎn)上僅需要一個(gè)聚合物開(kāi)關(guān)器件來(lái)保護每個(gè)燈光電路。

圖2：傳統的集中式保護解決方案。

圖3：采用聚合物開(kāi)關(guān)PPTC器件的分布式解決方案。

減小LED中央高位剎車(chē)燈所用導線(xiàn)線(xiàn)徑

利用發(fā)光二極管(LED)降低了功耗，并提高了設計靈活度，這使得它們在當今各種燈光電路中日益得到普及，其中包括中央高位剎車(chē)燈(CHMSL)。在這種解決方案中，利用LED取代了白熾燈，所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是可以采用小線(xiàn)規的低電流導線(xiàn)，這類(lèi)導線(xiàn)可以被方便地敷設到車(chē)頂篷的線(xiàn)槽中，并可以靈活地連接到鉸合點(diǎn)，如圖4所示。

圖4：LEDCHMSL應用中的分布式保護解決方案。

由于潛在出現的電機高堵轉電流，在集中式架構解決方案中，通常利用一個(gè)很大的電路熔斷器或保險絲來(lái)進(jìn)行保護。因此在設計中，必須采用大線(xiàn)規的導線(xiàn)、體積很大的接頭端和連接器。于是，就需要安排較大的接口設備安裝區域，這樣，空間和重量都成為必須考慮的因素。

此外，由于后門(mén)窗、后門(mén)鎖以及后圍板電動(dòng)天線(xiàn)所用的各個(gè)電機都無(wú)法靠近它們各自的控制開(kāi)關(guān)，從而電機電源的輸送都將比較遠且電流大。相比較，分布式架構則允許設計師將PPTC器件靈活地安裝在這些電機的開(kāi)關(guān)、繼電器或者驅動(dòng)電路中。這樣，所用的電源饋線(xiàn)的線(xiàn)徑將會(huì )大幅減小。例如，在電動(dòng)窗電路中，傳統上所用的電源饋線(xiàn)為3.0平方毫米，同時(shí)在上游還需要一個(gè)電路熔斷器來(lái)保護。

然而，通過(guò)把PPTC器件整合到電機控制開(kāi)關(guān)電路中以后，受電壓降的影響，電源饋線(xiàn)線(xiàn)徑可以大幅減小到0.8平方毫米。由于電線(xiàn)線(xiàn)徑的減小，進(jìn)而可以采用更小的端接模塊，更小的接口連接器以及開(kāi)關(guān)。另外，在驅動(dòng)電路中，微控制電路可以選用成本更低、功率更小且無(wú)需保護的晶體管。這樣，將會(huì )使布線(xiàn)系統以及與其相關(guān)硬件的成本大幅降低。采用小線(xiàn)規可以減小線(xiàn)束的尺寸，從而提高布線(xiàn)的靈活度，還會(huì )改善布線(xiàn)的外觀(guān)和整齊度。此外，這還會(huì )減小車(chē)輛布線(xiàn)時(shí)所需的力，進(jìn)而降低在安裝過(guò)程中導致?lián)p壞的幾率。
　　　
結論

在汽車(chē)設計中采用分布式架構與PPTC過(guò)流保護相結合，可以大幅降低布線(xiàn)重量。雖然分布式解決方案已經(jīng)提出來(lái)很多年了，但隨著(zhù)如今可以利用更細線(xiàn)徑的導線(xiàn)來(lái)承載更大的電流，以及受到新興行業(yè)的激勵，如今該解決方案已經(jīng)明顯地優(yōu)于傳統的保險絲技術(shù)。由于PPTC器件具有可復位功能、低阻特性以及范圍很寬的額定電流，從而可以幫助汽車(chē)設計師減小線(xiàn)長(cháng)及重量，簡(jiǎn)化設計，提高設計靈活度并提高車(chē)輛系統的可靠性。