運(yùn)用帶PolySwitch PPTC器件進(jìn)行汽車(chē)線束保護(hù)的優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)介

為了降低二氧化碳排放水平、提高燃料能效，汽車(chē)制造企業(yè)如今正在朝著車(chē)輛減重這一方向積極努力。因此，設(shè)計(jì)師們也在不斷尋求能幫助他們有效減輕線束重量的新技術(shù)和設(shè)計(jì)手段。為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，汽車(chē)制造商還必須降低保修成本并改善用戶(hù)滿(mǎn)意度。所以，汽車(chē)設(shè)計(jì)師們正面臨著尋找一條新出路的挑戰(zhàn)—既要減輕車(chē)重，又不能犧牲系統(tǒng)可靠性。

這種行業(yè)趨勢(shì)引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員重新回顧他們所采用的防止因大故障電流而受損的汽車(chē)電力功能保護(hù)方法。盡管在過(guò)流保護(hù)上使用分散式線束技術(shù)和PPTC(聚合正溫度系數(shù))器件具有明顯的重量?jī)?yōu)勢(shì)，但許多廠家仍在使用傳統(tǒng)的熔斷保護(hù)技術(shù)，導(dǎo)致線束重量難以減輕。

這份白皮書(shū)介紹了采用分散式架構(gòu)和泰科電子PolySwitch器件保護(hù)汽車(chē)線束的巨大優(yōu)勢(shì)，并與傳統(tǒng)的熔斷器保護(hù)集中架構(gòu)進(jìn)行了比較。本文還介紹了 PolySwitch器件的特性，并提供了將這些器件用于分散式架構(gòu)的具體應(yīng)用實(shí)例，將促進(jìn)開(kāi)發(fā)更輕便、更靈活、更可靠的線束保護(hù)設(shè)計(jì)。

線束保護(hù)趨勢(shì)

雖然早在 990年代就推出了采用PPTC器件的分散式線束保護(hù)手段，但OEM采用這種方法的進(jìn)展十分緩慢。事實(shí)上，隨著現(xiàn)代車(chē)輛應(yīng)用中電氣和電子功能的不斷增加，汽車(chē)布線系統(tǒng)已經(jīng)變得比以往任何時(shí)候都要更龐大、更沉重、也更復(fù)雜。

除了改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的阻力之外，使用PPTC器件的好處一直被車(chē)輛中歷來(lái)使用的粗電線所制約。過(guò)去，機(jī)械強(qiáng)度規(guī)定車(chē)輛中使用的最細(xì)電線為0.35 mm2 (22 AWG)，可以承載8- 0A電流。這一限制抵消了針對(duì)小電流信號(hào)電路(如8A)使用PPTC器件的優(yōu)勢(shì)。如今，新型導(dǎo)線材料工藝已經(jīng)能做到讓直徑較小的導(dǎo)線承載較大的電流，比如0. 3 mm2 (26 AWG)導(dǎo)線最大可承載5 A電流。如果配合PPTC分散式保護(hù)架構(gòu)，這種進(jìn)步將會(huì)帶來(lái)更多的重量節(jié)省。

一項(xiàng)針對(duì)中、高檔乘用車(chē)、采用分散式架構(gòu)和泰科電子PolySwitch器件的研究顯示，僅銅線一項(xiàng)就節(jié)省重量約50%。此外，由于采用了分散式架構(gòu)，并用可復(fù)位PolySwitch器件替代熔斷器，系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性得到大大改善。

汽車(chē)線束保護(hù)

在汽車(chē)?yán)?，電流通過(guò)分布在全車(chē)的各種主要和次要電線總成流向不同的電氣負(fù)載。對(duì)于 2 V電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電路一般在 4 V系統(tǒng)電壓下(多數(shù)卡車(chē)和公交車(chē)中是24 V電池系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓為28 V)承載0. 0A到30A的電流。線束必須加以保護(hù)，防止因?yàn)?zāi)難性熱事件(如短路)而受損。

設(shè)計(jì)人員面臨的難題是既要增加電路保護(hù)器件、對(duì)電器系統(tǒng)中的潛在過(guò)載條件進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)又要降低總成本和重量。由于典型車(chē)輛一般含有數(shù)百個(gè)電路和超過(guò)一公里長(zhǎng)的電線，復(fù)雜的布線系統(tǒng)使傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)手段陷入困境，并會(huì)導(dǎo)致不必要的超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)方法：集中式架構(gòu)和熔斷器

如圖1a 所示，汽車(chē)布線系統(tǒng)的傳統(tǒng)保護(hù)方案過(guò)去采用的是集中和分布式多負(fù)載熔斷技術(shù)。在這種類(lèi)型的集中(或稱(chēng)為“星形”)架構(gòu)中，每種功能都需要一條單獨(dú)導(dǎo)線。如果單根導(dǎo)線支持多種功能，那么這根導(dǎo)線及其熔斷器也必須承載所有這些功能的電流總和。當(dāng)從電氣中心發(fā)出的電路越來(lái)越多時(shí)，在單獨(dú)一個(gè)接線盒中安排所有導(dǎo)線的出入線路并將該接線盒布置在方便司機(jī)維修的位置，已經(jīng)變得幾乎不大可能了。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員曾經(jīng)訴諸于一些減少了部分最終效用的線束設(shè)計(jì)方案，如：

1. 把負(fù)載組合在一個(gè)電路中，犧牲了導(dǎo)線規(guī)格優(yōu)化和故障隔離;

2. 以提高成本為代價(jià)，把電氣中心布置在只有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)維修人員才能接近的位置;

3. 在各種功能系統(tǒng)之間來(lái)回布線，增加了布線長(zhǎng)度、規(guī)格和成本。例如，由于熔斷器必須便于維護(hù)，傳統(tǒng)的車(chē)門(mén)模塊可能要為車(chē)窗、門(mén)鎖、LED和后視鏡功能提供單獨(dú)的電力饋線，每條饋線都要在接線盒內(nèi)用一個(gè)單獨(dú)的熔斷器進(jìn)行保護(hù)。

圖1a. 典型集中式架構(gòu)

圖1b. 典型分散式架構(gòu)

車(chē)輛的傳統(tǒng)集中式布線保護(hù)架構(gòu)依靠數(shù)量有限的大規(guī)格熔斷器來(lái)保護(hù)各種電路，防止它們因大電流故障條件而受損。雖然熔斷器相對(duì)來(lái)說(shuō)不貴，但作為單一用途器件，一旦燒毀就必須更換。這一特性意味著熔斷器必須安裝在便于接觸的熔斷器盒內(nèi)—這一要求決定了系統(tǒng)架構(gòu)并迫使封裝和系統(tǒng)布局作出讓步。熔斷器在相同的外形尺寸下也具有2A到30A的標(biāo)稱(chēng)額定電流，它們經(jīng)常被替換成大于設(shè)計(jì)值的熔斷器或者跳出電路的熔斷器(當(dāng)用在離域模塊中時(shí))。

備選方法：使用PolySwitch器件的分散式架構(gòu)

這是一種優(yōu)化的線束保護(hù)方案，它具有樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)，主電力“干線”分為若干較小的“分支”，而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供過(guò)流保護(hù)。這種架構(gòu)允許使用規(guī)格更小、更節(jié)省空間的電線，從而降低了車(chē)重和成本。它還有助于改善系統(tǒng)保護(hù)并提供故障隔離，因此極大地提高了可靠性。圖1b給出了分散式架構(gòu)的示意圖，其中多個(gè)接線箱 (用黃色表示)通過(guò)電源總線供電。每條從接線箱出來(lái)、接到電源、再到不同功能裝置的電線都可以用一個(gè)可復(fù)位的電路保護(hù)器件保護(hù)。圖2是局部分布式架構(gòu)的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，其中每個(gè)接線箱要么直接對(duì)一個(gè)模塊供電，要么對(duì)另一個(gè)為外圍負(fù)載提供電力的節(jié)點(diǎn)模塊供電。

圖2. 局部分布式汽車(chē)線束架構(gòu)的細(xì)節(jié)

使用PolySwitch過(guò)流保護(hù)器件可以實(shí)現(xiàn)分散式電氣系統(tǒng)架構(gòu)。鑒于汽車(chē)級(jí)器件的可用性和在繼電器上可以期待的可靠性，這些模塊可以開(kāi)關(guān)(切換)并保護(hù)自身的輸出負(fù)載并安裝在不便維修的位置。

由于PolySwitch器件的采用不再需要經(jīng)過(guò)便于用戶(hù)接近的中央熔斷器座進(jìn)行配電布線，因此可以按照電源與負(fù)載之間最直接的路徑完成布線。從而縮短了電線長(zhǎng)度，減小了電線規(guī)格，不僅節(jié)省了大量空間、尺寸和成本，也減少了車(chē)輛中使用的各種端子、觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)和電子驅(qū)動(dòng)電路。此外，分散式架構(gòu)還可以減少所需的連接器和接線箱數(shù)量及尺寸。比如，通過(guò)在車(chē)門(mén)模塊中采用PolySwitch器件，可以使用一條電力饋線，節(jié)省了電線，降低了成本和接線箱尺寸。