光纤线束在汽车中的应用

摘要：随着汽车工业的飞速发展，汽车电子系统的复杂性不断提高，对通信系统的要求也日益严格。光纤线束作为一种先进的信号传输载体在汽车行业的应用越来越广泛。光纤以其高速率、高可靠性、低损耗、抗电磁干扰等优点正在逐渐改变着汽车的数据传输方式，在车用通信领域展现出巨大的应用潜力。本文对光纤线束基本特性及其在汽车中的应用进行探讨，分析了其优势和发展前景。

随着汽车技术的智能化、网联化，对于通信和数据传输的需求日益增加，车载电子通信系统的安全性与稳定性成为研究的重点。光纤通信技术作为一种先进的通信技术为车载电子通信系统的发展提供了新思路。本文分析光纤通信技术的特点，从多个方面分析光纤在未来汽车上的应用，并探讨其优势，展望其发展趋势。

光纤线束以光波为载波，以光纤为传输介质，具有高速率、高可靠性、低损耗和抗电磁干扰等优点。其传输速率远高于传统铜线或同轴电缆，能够满足车载系统对大数据量、高实时性的通信需求。光纤通信的链路主要由光连接器、光纤载体实现信号的高速传输。

1.1　光纤连接器

光纤连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，主要由光纤加固、光纤对准、弹性对接、头座锁紧、光缆固定、插针防转、光缆缓冲等部分构成（见图1）。光纤连接器通常采用陶瓷插针和陶瓷套管进行光纤对中，通过弹簧保证插针端面弹性对接。弹簧对接前处于预压缩状态，使插针锁紧受力不会活动，对接时由于插针回退会产生二次压缩，并将弹力反馈给插针，使两个对接的插针在对接过程中始终处于受力接触和压紧状态。

1.2　光纤导体

光纤呈圆柱形主要由纤芯、包层、涂覆层组成（见图2）。光纤的传输原理利用了光的全反射现象，即当光从光密介质（折射率相对较高） 入射到光疏介质（折射率相对较低） 时，如果入射角大于全反射临界角，光将不再发生折射，而是全部反射回原介质中，保证了光信号能够在光纤中传播而不会泄漏出去。

光纤具备如下特点：

（1） 传输速度快、距离远、内容多：光纤的传输速度非常快，可以传输数据到很远的距离，并且能够同时传输大量的数据。

（2） 不受电磁干扰：光纤传输的是光信号，不受电磁波的干扰，因此信号质量更加稳定。

（3） 频带宽：光纤具有非常宽的频带，可以支持高速数据传输。

（4） 损耗低：光纤的传输损耗非常低，理论上可以传输几百公里甚至更远的距离而不会损失信号质量。

（5） 高安全性：光纤传输信号不会产生电磁辐射，也不会被外部电磁波窃听，因此在一些对数据安全性要求较高的场景中更为适用。

（6） 体积小、重量轻：光纤相比传统的铜缆体积更小、重量更轻，方便部署和维护，尤其在大规模的通信网络中，这种优势更加明显。

当铜导线的传输速率达到10 GB/s 以上时，将需要使用更粗的铜线来满足速率要求，但在汽车的布置环境中，铜线的加粗带来了整车重量的提高和汽车的成本的提升，无法满足整车高速率、低重量的布置环境要求。而光纤线束技术能够在显著提升通信质量和可靠性、降低电磁干扰的同时，不额外增加重量，提高了车辆的安全性和稳定性。

（1） 光纤线束的传输速率远高于传统的铜线或同轴电缆，每秒可传输数百万兆字节的数据，可以满足现代汽车对大数据量、高实时性的通信需求。而传统铜线网络最高速率只能达到10GB/s，难以满足高速率传输要求。

（2） 光纤的传输损耗极低，每千米损耗通常小于0.003 5 dB/m，可保证信号在长距离传输过程中仍保持较高的质量。相比之下，传统铜线网络传输损耗为0.5 dB/m，在长距离传输过程中损耗大。

（3） 光纤通信技术利用光波在光纤中传输信号，相较于传统的铜线传输，具有显著的电磁干扰免疫性。

（4） 与传统的金属导线相比，塑料光纤（Plastic Optical Fiber，POF） 作为车用光纤的一种，可以显著减轻车辆质量，提高车辆经济性。

光纤线束目前在医学领域、通信领域、互联网领域、医学、工业等领域应用广泛，但在车载领域应用面临着缺乏基础理论、缺少技术规范标准、试验标准不明确、缺少车载应用实践等多种挑战。

3.1　光纤线束在布置区域的应用

光纤线束在汽车上的使用与其他领域使用有不同之处，需要充分考虑使用区域的环境特性。例如：发动机、底盘等区域涉及振动要求；机舱、下车体等区域需考虑到防水性能；高温区域要考虑到光纤导体与连接器的耐高温性能要求。根据汽车的不同使用环境，可将整车的布置区域大致划分湿区、潜在湿区和干区。

（1） 湿区是指在常规使用场景中，导线与连接器一定存在接触液体可能性的区域，如底盘、机舱等乘员舱外区域的线束连接器。在雨雪天气下，不论是行车过程中或停车状态下，这些区域或多或少都会接触到各种液体。

（2） 潜在湿区是指在某些日常使用场景中，如发生雨天开门、水杯倾倒、冰冻物品融化、冷凝水滴落等情形时，线束连接器可能会接触液体的区域。例如乘员舱地板、车门扶手、座椅表面等。

（3）绝对干区是指正常车辆使用场景下，线束连接器接触液体的可能性非常小的区域，如仪表台内部、顶棚内部等。需要注意的是，线束连接器的防水密封性要求从湿区、潜在湿区到干区依次降低。

3.2　光纤线束应用解决方案

光纤线束在汽车上的应用除了要满足电气性能外，往往还需要满足机械性能要求，需要考虑到光纤导线的温度等级、振动要求和防水要求，解决方案如下：

（1） 光纤线缆：首先，通过选择耐高温材料、优化整车布置方案进行散热设计，比如选用能够承受高温的导线材料，如硅胶线、XLPE 线材等，这些材料能够在高温环境下保持绝缘性。其次，通过特殊的工艺，例如采用双层涂覆和紫外光固化技术。最后，通过优化车辆中的布置方案，例如线束布置方案过程中避开发动机排气管路径以及高温旋涡区域，通过热管理得到更优化的布置方案。同时在车辆导线布置中也可选用耐高温隔热包覆，比如光纤线束外部使用耐高温铝箔玻纤管包覆，可有效保证光纤线缆在车辆高温环境下的使用，同时提升耐老化性能。同时，为了确保光纤线缆能在湿区环境中的使用，光缆也可以设计成具有多层防护结构以有效防水。

具体来说，光缆的最外层通常是塑料护层，这层护层不仅提供了机械保护，还具有一定的防水功能。塑料护层内部则是金属护套，它进一步增强了光缆的抗压和防水能力。在金属护套内，还设有遇水膨胀的阻水层，这是防止水分渗透的关键屏障。一旦有水分侵入，阻水层会迅速膨胀，封闭入侵路径，防止水分进一步扩散。光缆的缆芯部分也采取了防水措施。光纤被油膏紧密包裹，并与缆芯内的其他元件粘合在一起。这种油膏不仅起到了润滑作用，更重要的是，它能够吸收并锁定缆芯内的微量水分，防止水分对光纤造成损害。通过这一系列的多层防护结构，光缆能够在各种恶劣环境下保持光纤的干燥和稳定，确保通信信号的顺畅传输。比如长飞光纤发布的车载光学线束解决方案石英多模光纤在弯折（半径10 mm）、抗拉（150 N）、温度特性（-40 ℃~125 ℃）、老化（125 ℃ ， 3 000 h）、振动（V3） 等方面均满足车规标准。

（2） 光纤连接器：光纤连接器提高耐温性能的方法主要包括设计散热结构和选用耐高温材料。通过合理的散热设计和使用耐高温材料，可以有效提高光纤连接器在高温环境下的性能和寿命。

首先，设计散热结构是提高光纤连接器耐温性能的关键。光纤连接器在工作时会产生热量，合理的散热设计可以帮助降低连接器的温度，确保其稳定运行。以下是具体方法。

①预留金属部件，通过预留金属部件将热量传递出去，帮助散热。

②设计散热翅片：将散热翅片设计在连接器的外壳上，使其能够更好地与空气接触，通过风扇或自然风进行散热。

③使用金属外壳：采用散热性能更好的金属材料制作外壳，提高散热效率。

其次，选用耐高温材料也是提高光纤连接器耐温性能的重要手段。高温环境下，普通材料容易老化或变形，而耐高温材料则能更好地抵御高温影响。

①优质工程塑料：选用耐中低温的优质工程塑料制作连接器外壳和内部结构，提高整体的耐温性能。

②特殊合金材料：使用特殊合金材料制作连接器的关键部件， 提高其耐高温和抗变形能力。例如，莱塔斯光学推出非接触式光连接器，较传统光连接器具备插拔重复性高、插拔寿命长、插损低、灰尘敏感度低的特点。

③在防水的处理中可以使用热缩管处理：将热缩管套在连接部位上，使用热缩管加热器加热收缩热缩管。热缩管的作用是保护光纤，防止水分和污染物进入。确保热缩管紧密贴合在接头和光纤上，无缝隙。在热缩管外部涂抹适量的密封胶，以增强接头的防水性能。确保密封胶均匀涂抹，并填充所有可能的缝隙和孔隙，等待密封胶干燥硬化，进行密封处理。

（3） 高速连接通过光纤，电连接端口负责传感器供电。

综上，光纤通信技术在车用通信系统中具有广泛的应用前景和巨大的潜力。未来，光纤通信技术将继续发挥其独特的优势，为车载电子通信系统的发展提供强有力的支持。同时，随着技术的不断进步和创新以及规模化的不断完善，光纤通信在车载应用中的成本会进一步降低、方案会更加成熟，将会成为汽车智能化发展中解决高速通信需求的优选。

汽车智能化发展对通信系统提出了高速率、低损耗、抗干扰等要求。相较于 车用铜导线，光纤通信导线具有多种应用优势，本文对光纤线束的应用场景及其对策方案进行简要分析。随着汽车智能化发展，车  载光纤将在汽车中广泛应用。