汽车线束搭铁与接地设计原则、方法及内在逻辑



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线束搭铁分配也叫接地分配,需不需要单独搭铁,可不可以共用等,这些都是接地分配设计的内容。本文主要谈谈线束接地分配设计。
我们知道整车电源分配和搭铁设计是汽车线束设计中的核心部分,良好的线束搭铁设计是电源传输与信号传递的重要保证。如果搭铁点选取不当,很容易造成信号干扰,从而影响电器件的功能实现。本文将针对线束搭铁设计进行详细阐述。以下为正文。

1 单线制与负极搭铁
整车搭铁系统有两个重要的概念:单线制和负极搭铁。单线制指的是在汽车电子系统中从电源到用电设备只用一根导线相连,而用汽车车身、底盘、发动机等金属机体作为另一公用导线。由于单线制节省导线,线路简化清晰,安装和检修方便,且电器件也不需要与车体绝缘,所以现代汽车电气系统普遍采用单线制。
汽车电气系统采用单线制时,蓄电池的一个电极接到车体上,俗称“搭铁”。若蓄电池的负极与车体相接,就称负极搭铁,反之为正极搭铁。按照国家标准规定,国产汽车电气系统均采用负极搭铁。

2 搭铁点的分类与介绍

1) 电源搭铁蓄电池负极桩头上的零电位。
2) 整车搭铁整车上互相导通的,可导电的车身钣金、底盘或者发动机零部件等。
3) 电源信号搭铁整车上各类电气元器件的电源馈线。按照回路中的电流的大小/波形,可划分为“脏搭铁”或者“干净搭铁”。
干净搭铁:峰值电流小于1 A的搭铁,如传感器信号反馈或者不同零部件之间的控制信号(例如网络通信)。
脏搭铁:峰值电流大于1 A的脉冲宽度调制负载和大于1 A的开关负载,如电机类和开关类负载。
4) 射频搭铁经常被用作控制射频干扰的搭铁。这类搭铁一般都是通过装配直接装在车身钣金上,不能用作任何搭铁电流的旁路。
5) 天线搭铁如收音机天线搭铁。

3 搭铁分配设计流程
搭铁分配设计流程(图1)

4 搭铁分配

考虑电器件的整车安装位置,结合电器件负载类型及具体搭铁类别,对各电器件进行搭铁分配设计。
4.1 总体原则
1) 就近搭铁。尽可能缩短搭铁回路长度,减小回路电压降、成本和质量。
2) 尽可能减少各子系统之间不必要的互相干扰。
4.2 干扰产生的原理
理想情况下,每个电器件都需就近单独搭铁,然而这样会造成整车搭铁数量过多,极大地增加装配复杂性,增加整车质量和成本,因此这种方法并不是最佳选择。在进行搭铁设置时,必须考虑对搭铁进行共用、合并。

图2为搭铁合并干扰图
当只有零件1工作时,I1=U/(L1+R1);当只有零件2工作时,I2=U/(L1+L2+R2);当2个零件都工作时,I1+I2=U/(L1+R1)+U/(L1+L2+R2),此时如果I2明显大于I1时,那么零件1与搭铁之间的电势差会增加很大,将会影响到其正常工作。
R1—零件1的电阻, L1—铆接点到搭铁点的导线电阻, R2—零件2的电阻,L2—零件2到铆接点的导线电阻
图2 搭铁合并干扰图
通常的设计规范都会禁止脏搭铁和干净搭铁铆接在一起。如果高、低搭铁电流的大小差值超过了1/5的话,这两个搭铁回路就不能铆接在一起。但请注意,这只是相当保守的设计规范,如果对这两个回路做了详尽分析后,就可以铆接在一起。
从以上分析可以知晓,为了尽可能减少铆接引起的干扰,应该尽可能降低L1的值,即降低铆接点到搭铁之间的电阻。因此应该尽量将铆接点靠近搭铁片,同时若有必要需要增加这段的线径。

4.3 几种搭铁回路的连接方式
4.3.1 采用铆接点进行搭铁的合并形式(图3)

图3 通过铆接点合并搭铁方式图
第1种方式干净搭铁回路之间的铆接是允许的,第2种脏搭铁回路之间的铆接,需要按照4.2的方法进行分析,若通过也是完全可以接受,对于第3种脏搭铁与干净搭铁回路相互铆接,通常是不允许这样的,除非得到专家的评审通过才被允许。
4.3.2 采用搭铁片共同搭铁合并形式(图4)

图4 通过接线片合并搭铁方式图
第1种方式干净搭铁回路之间的搭铁端子搭接是允许的;第2种脏搭铁回路之间的搭铁端子搭接,也是完全可以接受的;对于第3种脏搭铁与干净搭铁端子搭接,通常是可以接受的,但需要得到相关专业的评审通过。
4.3.3 在搭铁末端一并压接到搭铁端子的形式(图5)
第1种方式干净搭铁回路之间的回路并接是允许的;第2种脏搭铁回路之间的回路并接也是完全可以接受的;对于第3种脏搭铁与干净搭铁回路并接,通常是可以接受的,但需要得到相关专业的评审通过。

图5 通过并线压接端子合并搭铁图

5 搭铁点的要求

1) 搭铁点的位置应该便于安装和维修,并且搭接面能够满足扭矩要求。
2) 每个搭铁点不应该接超过2个接线片。
3) 搭铁点不应布置在强飞溅区域和积水区域。
4) 搭铁点不允许布置在通过螺栓连接的金属件上,比如车门。仪表台骨架设置搭铁点时,只有当其是焊接在车身上才允许。
5) 对于车身钣金厚度小于3mm的地方,推荐使用焊接螺母解决方案。对于大于3mm的厚板,建议使用自攻螺钉进行搭铁安装。

6 一般性的搭铁分配原则

1) 发动机ECU、ABS等对整车性能及安全影响大,易受其他用电设备干扰的电器件(如音响、油位传感器等),这些件的搭铁一定要单设。2) 安全气囊系统,搭铁点不仅要单设,还需使用复合搭铁,其目的是当其中一处搭铁失效时,系统可以通过另一搭铁点搭铁,确保系统安全工作。
3) 射频信号为避免干扰其他系统,需要单独搭铁。
4) 弱信号传感器的搭铁最好独立,搭铁点最好是在离传感器近的位置,以保证信号的真实传递。
5) 其他电器件可以根据具体的布置情况相互结合共用搭铁点。原则就是就近搭铁,避免搭铁线过长,造成不必要的电压降。
6) 蓄电池负极线,发动机搭铁线等因导线截面积较大,因此一定要控制线长和走向,减小电压降;为增加安全性,发动机、车身一般都要单独连到蓄电池负极。
7) 需要将电子搭铁和功率搭铁区分开来,将模拟信号搭铁与数字信号搭铁分开,避免信号之间的相互干扰。

7 结束语

以上是汽车低压线束搭铁设计的一些内容,实际运用过程中,应该灵活使用。设计完毕后,还需要通过一些必要的测试以保证设计的可靠性。




1  搭铁设计原则与方法

1.2 搭铁点的安装方式
1)接地螺栓。
推荐带固定垫圈的螺栓。螺栓的扭矩必须由扭矩测试来决定和验证。如果在一个接地螺栓处固定两个接地片,那么必须使用防转接地片。例如,带固定垫圈,法兰突出可以固定在钣金孔里的。
2)双头螺柱接地。
为了使接地可靠,双头螺柱的接地应该如下图所示:

其他两种接地皆不可取,如下:

1.3  总体原则
1) 就近搭铁。尽可能缩短搭铁回路长度,减小回路电压降、成本和质量。
2) 尽可能减少各子系统之间不必要的互相干扰。

1.4 搭铁点的要求

1) 搭铁点的位置应该便于安装和维修,并且搭接面能够满足扭矩要求。
2) 每个搭铁点不应该接超过2个接线片。
3) 搭铁点不应布置在强飞溅区域和积水区域。
4) 搭铁点不允许布置在通过螺栓连接的金属件上,比如车门。仪表台骨架设置搭铁点时,只有当其是焊接在车身上才允许。
5) 对于车身钣金厚度小于3mm的地方,推荐使用焊接螺母解决方案。对于大于3mm的厚板,建议使用自攻螺钉进行搭铁安装。
6)仪表台骨架或者说汽车横梁只有在焊接在车身上或者用焊接螺母紧固在车身上才可以作为接地点使用。
7)考虑到搭铁的可靠性、 安全性及整车外观等方面的要求, 以下区域不建议设置搭铁点:①支架;②油管的附近;③防火墙上;④顶棚上;⑤地板上;⑥其他严重飞溅区域。
8)关于发动机上的搭铁。这类接地应该尽量避免并且只可以用作起动机和发电机的返回接地。所有装在发动机上的电气零部件都应该和发动机缸体隔绝开来并且使用它们自己的接地回路。

1.5 一般性的搭铁分配原则

1) 发动机ECU、ABS等对整车性能及安全影响大,易受其他用电设备干扰的电器件(如音响、油位传感器等),这些件的搭铁一定要单设。2) 安全气囊系统,搭铁点不仅要单设,还需使用复合搭铁,其目的是当其中一处搭铁失效时,系统可以通过另一搭铁点搭铁,确保系统安全工作。
3) 射频信号为避免干扰其他系统,需要单独搭铁。
4) 弱信号传感器的搭铁最好独立,搭铁点最好是在离传感器近的位置,以保证信号的真实传递。
5) 其他电器件可以根据具体的布置情况相互结合共用搭铁点。原则就是就近搭铁,避免搭铁线过长,造成不必要的电压降。
6) 蓄电池负极线,发动机搭铁线等因导线截面积较大,因此一定要控制线长和走向,减小电压降;为增加安全性,发动机、车身一般都要单独连到蓄电池负极。
7) 需要将电子搭铁和功率搭铁区分开来,将模拟信号搭铁与数字信号搭铁分开,避免信号之间的相互干扰。
8)在整车电路系统中,要设计一个可靠性强的接地回路,需要考虑很多东西。最重要的几个如下:尽可能缩短接地回路长度,减小回路电压降,成本和重量;尽可能减少子系统之间的不必要的互相干扰。


2 搭铁不良的问题排查方法

接触不良故障的诊断方法有:电压降检测法、电阻检测法、触摸温度检查法、模拟振动检查法等。
2.1.搭铁线接触不良
起动机运转以后,若蓄电池的搭铁线温度过高,搭铁处甚至有烧红的现象,说明蓄电池的搭铁线接触不良。
对于已经使用多年的老旧汽车,其搭铁部位都不同程度地存在氧化或者腐蚀。即使是新车,由于在制造厂或经销商的露天停车场存放了很长时间,也容易造成搭铁不良的现象。可以在不带电情况下测量搭铁点的电阻值,若存在电阻,说明搭铁不良。
2.2. 采用模拟振动法检查
对于怀疑的部位,可以在垂直方向和水平方向轻轻摆动搭铁线,模拟汽车行驶时的振动状态,同时观察相关部件的反应,检查搭铁线是否有虚焊、松动、接触不良或者导线断裂等现象。
如果挪动某一搭铁线时有故障再现或者故障消失,说明搭铁不良的地方就在此处。
2.3.测量电压降
在电路处于通电的状态下,采用万用表测量搭铁点的电压降,其读数应当尽可能低。
具体方法是:起动发动机,使用万用表的直流电压挡,将红表笔接触发电机的输出端,黑表笔接触发动机的机体,测出一个电压值;然后,用黑表笔接触车架的金属部分,再测出一个电压值,正常情况下这两个值应该是一致的,若前者数值大,后者数值小,相差0.5V 以上,说明存在0.5V 以上的电压降,它是由发动机与车架之间搭铁不良引起的。
注意:检测某点的搭铁情况时,应该测量该点对电源正极的电压,尽量不要测量该点对电源负极的电阻,这是因为万用表本身有一定的内阻,测量出的电阻值较大。
2.4.试灯检查
在使用万用表检测电路尤其是电源线和搭铁线之后,最好用有负荷的试灯加以验证,以免产生“有电压无电流”的电气陷阱。
现代轿车全身有多达几十处的搭铁点,这些搭铁点可能由于松动或锈蚀产生搭铁不良,引起车辆各种故障。但是汽车电路搭铁故障隐蔽性较强,故障不易查找。有些搭铁点甚至是多条电路的共用搭铁点,一处搭铁不良会影响数个系统的正常工作,我们必须正确对待。一旦确诊为搭铁不良故障,就应该参照有关的电路图迅速找到搭铁点并加以排除,这样往往能事半功倍。


一、搭铁与接地的概念
      
先说接地,大地是可导电的,其电位通常取为零。电力系统和电气装置的中性点、电气设备的外露导电部分及装置外导电部分通过导体与大地相连,称作接地。接地的目的是使可能触及的导电部分降到接近地电位,当产生电气故障时,即使这些导电部分带电,其电位与人体所处位置的大地电位基本接近,可降低触电的危险。接地是保证人身及设备安全的措施。


所谓搭铁,是汽车行业,对接于车体的线称为搭铁(负极搭铁较为常见),就是电子行业的GND,或公用线,和接地有相似之处,但不是真的接地,两个意义不同,功用也不同。搭铁,其意思是将需要保护接地的导线与汽车上铁质材料直接相连进行接地。这个俗称尤其在福建闽南一带相当流行。在汽车上么为什么将搭铁等同于接地呢?这是因为,汽车上的铁质材料导电的面积最大,分布范围也最广,各个部位的的铁质材料又都是电气连通的,选择铁质材料作为汽车这个在电气上是独立的电系统的是很合适的。同时电流经过用电器后从车身回到蓄电池,也可以节省了很多导线,降低成本,一般传统燃油汽车电气系统工作电压低于安全电压,不会造成人身安全问题。由于汽车上的电系统通过汽车轮胎的绝缘,与大地没有联系,如果没有静电等方面因素的影响或不考虑这方面影响的话,汽车上的电系统就是一个完全与大地独立的系统,即和大地是没有关联的系统,而两个没有关联的电系统之间的电位是不能确定的。将汽车上铁质材料作为汽车的地,其电位是否与大地相等也无关紧要。


搭铁,实际上就是选定汽车车身为电位的参考点,即车上电池、各用电器件都以车身为零电位点。并非是指接“地”。在无线电技术发展初期,还闹过笑话:飞机上的无线电设备要“地线”,就有人建议在飞机上要放花盆,以为放土后就有了“地”线。

  只有一些轿车、燃油运输车,会在车身后拖一根铁链接地,汽车轮胎与地面高速摩擦会使车体带有大量电荷,车体拖的尾巴可以将电荷导入地下,从而使车身与大地等电位,以免车身吸附灰尘或静电电势过高打火花造成危险。



 提醒:对于新能源电动汽车高压线束设计应当采用双线制,此时电气系统能够产生的高压电为几百伏,已经超过人体的承受范围的安全电压,电池包负极是不能与车身连接的,车身不能被当做整车搭铁点。


二.汽车线束搭铁的设计原则

在选择搭铁点时,我们必须要将电子地和功率地区分开来,也要将模拟地和数字地分开来接,以避免信号间的相互干扰,因为他们对地的冲击是不同的,而这种对地的冲击会影响较敏感的电子电器元件的工作。但是对同一控制器而言,而不能将两者分开太远,因为,如果两者距离过远,那么两者间的电位差就越大,那么对同一控制器而言,地电位就存在比较大的差异,这个也会影响用电器的工作,搭铁分配和布置原则如下:

1)就近搭铁;

2)电机类(刮水器电机、洗涤泵电机、暖风电机、电磁阀等)接地线单独接地(分布在驾驶室内、车架上);

3)收放机地线单独接地(驾驶室内);

4)弱信号传感器的接地线(仪表地线)应单独接地(接蓄电池负极),保证信号正常传输;

5)ECU(安全气囊ECU、发动机ECU)地线易受其他零件工作时干扰,分别单独搭铁到蓄电池负极;

6)车架上各接地点之间地线互相连接,接地点直接通过螺栓、齿形垫片,安装到车架上;

7)蓄电池负极与发动机和车身分别单独搭铁;

8)搭铁点尽量布置在容易维护的地方,便于搭铁点维护;

9)搭铁点位置优先选择在各主要的梁上,除非特殊的情况外,不允许使用支架搭铁,避免搭铁不良;

10)不要把接地装置布置在严重的飞溅区域;

11)不要把和电有关的组成部件或接地螺丝钉布置在油箱和油管的附近;

12)电子扇需要单独接地,大功率设备单独搭铁;




3.汽车线束接地设计思路及案例分析


在进行测量、分析计算时,要找准不同接地点基于“0"电位的电势,分析才有价值


a.接地类型

按照负载性质分类:

>感性负载地

冷却风扇、车窗电机、电喇叭、鼓风机、继电器线圈、各种电磁阀.…

>阻性负载地

灯、后除霜加热丝、后视镜加热丝、点烟器传感器地

水温传感器、氧传感器、爆震传感器、外部温传感器、日照传感器.…

>控制器地

>EMS、airbag、ABS、BCM......

>无线电地(天线)屏蔽地

>Y电源地(发电机,蓄电池)


b.接地的分配

接地分配主要规划和设计接地点共用的方案。如果每一个用电器都设计一个单独的接地点,既不经济,又影响生产效率。而且线束会非常臃肿,严重影响线束的质量。因此,必须减少接地点的数量,采用共地的设计方式。


>无论什么性质的接地,感性负载与阻性负载不可共地。

>大电流与小电流不可共地。

>传感器地不可与功率负载负极共地。

>传感器尽量与其控制的ECU负极共地。

>无线电系统单独接地,以避免干扰,如音响系统。

>发动机ECU、ABS装置等对整车性能及安全影响大、而且易受其他用电设备干扰,所以将这些件的接地点单设,接地线长度尽可能做到最短。

>对于可靠性要求很高的系统,为了确保其安全可靠,还采用了复式接地。

目的是其中一处接地失效,系统可以通过另接地点接地,确保系统安全工作。



实例:对发动机冷却风扇接地点的电压降进行计算


由此可知,冷却风扇搭铁点的电压降在0.2-0.4v之间,当高速风扇工作的瞬间,电压降可达到3.88v。一般传感器电源是5v,如果传感器与其共地,将不能正常工作。一般控制器负极最高电压设定为是0.5v,如果是控制器与其共地控制器很容易受其影响而不能正常工作。


4.汽车线束接地对EMC的影响

>汽车所处电磁环境很复杂,受周围环境噪声影响很大;另一方面,汽车同时作为骚扰源,对周围环境造成影响。

>作为汽车电器系统组成部分的电器部件是造成对外骚扰的主要骚扰源;另一方面,外界环境对汽车的干扰也是通过这些电器部件体现出来。

>进行汽车电磁兼容性工作也就是为了让各电器部件以及组成的系统能够在所处的电磁环境下正常工作,而且不对外界造成不可忍受的电磁骚扰。

>任何复杂的电磁兼容问题均可采用该简化模型表示。

>EMC包含EMI(电磁干扰)和EMS(电磁敏感性)两个方面


>EMC主要的三个措施:屏蔽、滤波、接地



>不要以单点接地和多点接地的概念来指导整车或零部件产品的EMC设计.

>接地点的位置选择和接地方式更为重要

>接地不是为了把干扰引入大地或泄放到大地,而是为了引导“共模”电流

>导体的阻抗低频时与截面尺寸关系大,高频时关系小。


同样长度地导线,低频时,由于截面的尺寸不同,阻抗相差很大,而高频时相差很小。这是因为,导线电阻是由阻抗和感抗两部分组成,频率较低时,感抗很小,电阻起主导作用,电阻与导线的截面尺寸关系很大。频率较高时,感抗起主导作用,而导线的电感与导线的截面尺寸关系不大。

>在低频电路中,接地线的截面积不要选择太小,以减小接地阻抗(当然,长度短也可以减小阻抗)

>在高频电路中接地线的长度要尽量短,以减小接地线的感抗>用万用表去测回路接地线的电阻值,是不能准确的分析电磁兼容问题的。


汽车线束是汽车电路各部件联系的载体,有人曾经做过一个形象的比喻,汽车线束是血管,汽车引擎是心脏,心脏因血管而跳动,引擎因线束而运转,可见汽车线束对于汽车整 车电路正常稳定的重要性,故了解汽车线束设计中的一些设计原则是很有必要的。然而,搭铁设计尤为重要,首先是搭铁的回路增加,其次是需要搭铁的功能越来越多,因搭铁不 良而导致流经电气设备的电流发生变化,产生电位差,从而影响设备的性能。因此,汽车线束设计在电器系统设计开发中尤为重要。


1 负载分配设计原则 
汽车的供电系统设计是否合理,直接关系到汽车正常运行及驾驶员的安全性,因此世界各国的汽车线束设计原则基 本都是以安全为主。点火开关工作结构即整车电器负载分 配如图 1 所示。 

图 1 点火开关工作结构原理 

LOCK 档: 钥匙只有在该档位才能拔出来,此时方向 盘被锁定且发动机停止工作。

ACC 档: 钥匙旋到该档位时受该档位控制的用电器 均能操作,如收音机和点烟器。

IG1、IG2 档: 此时是 ON 档,除启动机不受控制外,其 他用电器均能启动正常工作。

START 档: 启动发动机,在此时 ACC 档和 IG2 档用电 器均断电停止使用,以便有足够的电量用以启动,但松开钥 匙后钥匙将自动回到 ON 档,所有用电器均可正常使用。 

目前国内汽车设计一般要求的电源分配如下: 
1) 常电: 控制备用电源、制动灯、喇叭、室内顶灯及门控 灯、脚踏灯、行李箱灯、防盗系统和诊断系统等用电设备,即这些用电设备的取电方式是由蓄电池直接供给。 

2) ACC 电: 主要控制音响系统、点烟器、座椅加热和电动天窗等设备。 

3) ON 电: 主要控制组合仪表、安全气囊、电动外后视镜 调节、电动玻璃升降、空调鼓风机、倒车影像和大 灯 以 及 ECU、ABS、BCM、ESP 等控制系统。 

4) ST 电: 启动机,规定启动瞬间切断ACC 和 IG2 上的 所有控制负载。

2 线路保护设计原则 
线路保护就是对线束的导线加以保护,并兼顾对回路电器件的保护,其保护装置主要有熔断器和断路器,选取时一定要按照实际情况分析,不能马虎。

2.1 熔断器的选取原则 
汽车用熔断器就是平常所说的保险丝,当汽车电路发生故障和异常时,伴随着电流不断升高,并且升高的电流有可 能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件,也有可能烧毁电 路甚至造成火灾时,熔断器将会自身熔断切断电流,从而保护整车电路的安全运行。熔断器按形状分可分为片式熔断器、方形熔断器或玻璃管式熔断器等; 按额定电压可分为高 压熔断器和低压熔断器; 按熔断速度可分为快熔和慢熔; 选取时需考虑负载的类型、工作环境温度及电流的范围。熔断 器的容量可根据下述经验公式推算: 

公式 1:在常温( 25 ℃ ) 下选择保险丝额定电流的 75% 为工作 单位,当环境温度升高时,保险丝的载流能力会下降,温度下降的系数为 0.15% /℃ :

I保 = I工作 /( 0.75* K)

其中: K = 1 -( T-25 ℃ ) * 0.15% /℃,即温度系数; I保为保 险丝的额定电流,即保险丝的容量; I工作 为负载工作的实际 电流; T 和负载工作的环境温度。 

说明: 公式中的温度系数( K) 可以根据不同类型的保险 丝温度性能曲线来确定。 

公式 2: 保险丝的额定容量 = 电路最大工作电流/80%

公式 3:保险丝容量( F) ≥ 正常工作电流/(负载特性* 峰值电流时间* 负载装配区域* 保险丝装配区域 )

负载特性包括连续负载和间断负载,连续负载是指工作 时间在 10 s 以上的用电设备,间断负载是指工作时间在 10 s 以下的用电设备。

峰值电流时间: 如出现峰值电流的时间 <0.2 s 的为 1. 0、如时间>0.3 s 的为 0.7。( 说明: 结合现在电器件的设计水平,暂定出现峰值电流时间 > 0.3) 

负载装配区域: 如布置在室内则系数为 1. 0、如布置 在发动机舱则系数为 0.9。 

保险丝 的 安 装 区 域: 如保险丝单独连接则系数为 1.0、如安装在保险丝盒内则系数为 0.9。例: 喇叭 保 险 丝: 工 作 电 流 是 8 A,则: FUSE 的 容 量 ≥8 A/[1.1* 0.7* 0.9* 0.9]= 13 A,根据保险丝的实际规 格可选择 15A 的保险丝来保护线路。

在电路设计过程中有关保险丝的选择可以结合上面的 经验公式来选定。

2.2 继电器的选取原则 
汽车常用的继电器一般是通过小电流来控制大电流,从而达到保护用电器的作用。选取继电器时必须根据用电器 的功率和开关的承载能力来决定,如果开关的触点耐电流能 满足负载的额定电流就可以不用选择继电器来保护。常用 继电器的设备一般有刮水器、喇叭、前照灯、雾灯、除霜、风扇 和鼓风机等,目前乘用车设计所选用的继电器一般为 12 V, 其选择的相关技术要求如下: 
1) 继电器线圈: 额定电压为 12 V,工作电压范围 9 V ~ 15 V,触点吸合电压一般不大于 8 V,触点断开电压一般不小 于 2. 5 V。 

2) 继电器触点: 根据整车电器控制逻辑确定触点类型 ( 常开、常闭和双触点等) ,触点材料一般有 AgSnO、AgNiO 或 银合金,触点负载性质一般有电阻性负载、电感性负载、点击 负载和灯具负载等; 触点额定容量有 15 A、20 A、30 A、40 A、 60 A、70 A、80 A 等,其机械寿命不小于 1 × 107 次。 

3) 线圈额定电流的选择: 对没有特殊要求的继电器( 喇 叭、除霜器、雾灯等) 一般优先选用汽车普通继电器( 成本 底) ,对一些固定在 PCB 电路板上及控制模块系统中的继电 器需选用线圈上并联瞬态抑制( 又叫削峰) 二极管或电阻的 继电器( 成本高) ,此线圈的额定电流可根据相应的控制系 统来确定。 

4) 环境温度范围: 一般继电器的耐温范围在-40 ℃ ~ 85 ℃,部分耐高温继电器的耐温范围在-40 ℃ ~ 125 ℃。设计时考虑到设计成本,对继电器的耐温要求应根据继电器 所装配位置进行确定,如装配在室内,耐温范围-40 ℃ ~ 85 ℃ ; 如装配在前舱,耐温范围 -40 ℃ ~ 125 ℃。 

3 导线选取原则 
设计时首先应重点考虑线束所处的环境和功能,如: 发动机舱周围环境温度高,腐蚀性气体和液体也很多,因此,一定要选用耐高温、耐油、耐振动和耐摩擦的导线,行李箱盖上的导线要在低温下保持弹性,门内导线耐弯曲度要求高; 同 时选用不同标准的导线其性能也有很大区别,德标导线绝缘 皮薄柔韧性好,国标导线绝缘皮厚、延伸性好,日标导线绝缘 皮薄、柔韧性较好,美标导线绝缘皮一般为热塑性和热固性 弹性体,还有经过辐照工艺加工的,这些均可根据不同需求 和工作环境进行合理的选择。 

3.1 导线截面积的选取原则 
1) 根据电器件功率的大小计算流通导线的电流,长时 间工作的电气设备可选择实际载流量 60% ~ 100% 之间的 导线。 

2) 根据不同的工作环境和温度大小适当改变导线的截 面积。 

3) 根据导线的走向、连接器的数量( 即电压降的大小) 适当改变导线的截面积。截面积的选择计算可根据经验公式:
I =( S* 10 + 8 )/2

注: I—导线中通过的电流,S—导线截面积。导线截面积常用规格有 0.3 mm2 、0. 5 mm2 、0.75 mm2 、 1.0 mm2 、1.5 mm2 、2.0 mm2 、2.5 mm2 、4.0 mm2 、6.0 mm2 、 10 mm2 等,它们各自都有负载电流值,配用于不同功率用电 设备。以开瑞绿卡整车线束为例,0.5 mm2 规格线适用于仪 表灯、指示灯等; 0.75 mm2 规格线适用于牌照灯、前后小灯 等; 1.0 mm2 规格线适用于喇叭、转向灯、雾灯等。 

3.2 导线颜色的选取原则 
为了便于识别和检修汽车电器设备,在设计时通常将电 线束中的低压线采用不同颜色,而线色的选配应优先选用单色,再选用双色,双色线的导线颜色由两种颜色组合而成,其 标注的第一色为主色,第二色为辅助色。 

在各种汽车电器中功率搭铁线应用黑色电线,黑色电线 除作功率搭铁线外,不作其它用途; 而电子搭铁线应用棕色 电线,棕色电线除作电子搭铁线外,不作其它用途; 双绞线的 颜色在黄/黄棕、黄白/黄红、黄黑/黄绿、黄蓝/绿黄四组中选取; CAN 双绞线的颜色为绿/黄、绿黑/黄黑、绿红/黄红
表 1 线束的颜色及代号


表 2 双色线的选用顺序



4 线束布置 
汽车线束布置是一个复杂的过程,需要考虑的方方面面很多,布置时注意事项如下: 
1) 线束布置要顺其自然,在视觉上不感觉走向牵强,在装配中不和其他零部件干涉,在维修中不感觉难于操作。 
2) 接地线要按照假想的回路设置搭铁点,且搭铁点要 布置在大的构件上。 
3) 线束要避免与周围部件干涉,线束和周围零部件间 隙均匀,和热源保持足够距离,同时避开油路。
4) 信号线尽可能避开大电流导线和干扰源,防止电磁 干扰。 
5) 在满足功能的情况下,尽量避免重复走线,尽可能地 减少导线的长度和根数,从而达到减轻重量及降低成本,同时要保证线束质量,安全可靠。 
6) 通过利用防护橡胶套来保证线束穿过金属孔时避免 被切断或割裂。 
7) 与运动零部件之间的间隙应大于 25 mm。 
8) 保险丝和继电器更换的方便性,使用频率高的用电 器,其保险丝和继电器在保险丝盒内的位置布置在易寻找、 易操作的位置,在保险丝盒内的布置,要将其散热量大小和 其工作时间考虑在内,避免局部早期失效。 
9) 利用 CATIA 软件中的 Electrical Harness Assembly 模 块进行整车线束走向的模拟,明确固定点和避免干涉点并确 定线束长度。 

5 汽车搭铁设计分析 
搭铁设计在汽车线束设计中尤为重要,否则会造成信号 干扰,从而影响某些电器件的正常功能实现,下面将具体论 述汽车搭铁的类型、功能及在整车中的分配: 

1) 整车地: 顾名思义就是整车电路的地,它是由蓄电池 负极直接接到车身,使车身成为一个大的负极,所有的搭铁 点都是通过车身搭铁,因此汽车电路中的接地又被称之为 搭铁。 

2) 功率地: 主要是指大功率用电设备的搭铁,例如发动 机冷却风扇、刮水电机、玻璃升降电动机、空调鼓风机等,这 些用电器的电流一般较大,会对其他弱电流或信号线产生 干扰。 

3) 信号地: 一般指小电流信号的搭铁,有模拟信号、数 字信号等,信号一般比较敏感,容易被干扰。 

4) 屏蔽层搭铁: 对于娱乐系统天线及高压工作用电器, 由于其工作过程中对周围电磁场影响较大,必须采用单芯屏 蔽线,以达到保证接收信号准确,且对周围线束电磁场影响 最小作用。 

上述搭铁点的设计均要遵循强弱电分开搭铁原则、安全 件单独搭铁原则和就近搭铁原则,避免搭铁线过长,造成不 必要的电压降。 

6 结论 
汽车线束设计的是否合理在很大程度上影响着汽车的 整体性能,目前开瑞绿卡所研发车型的整车线束设计方法及 搭铁点布置均按照上述设计原则进行,首先根据整车配置进 行合理的电源分配,其次按照用电器的功率大小而合理地选择导线线径、保险丝容量和继电器大小,最后通过三维线束 布置模拟出线束的基本走向、固定位置、固定方式和线束分 支的长短,从而保证线束满足汽车的环境性能、电气性能和 机械性能等要求,实现电信号的传递,确保用电设备的正常 工作.


来源:线束设计工程师、线束专家、线束世界





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