汽車保護系統(tǒng)中的分布式架構

如今的汽車制造商正積極努力地工作，旨在減輕整車的重量，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發(fā)新的技術和設計技巧，在不犧牲系統(tǒng)可靠性的前提下，降低汽車中線束的重量。正在涌現的線材技術是一項可以使重量大幅降低的技術，這種技術可以以更小的線徑實現更大的電流承載量。如今，汽車研發(fā)工程師們正在重新采用眾所周知的成熟技術，即利用分布式架構中的聚合物正溫度系數(PPTC)過流保護器件，在改善系統(tǒng)可靠性的同時，減小整車布線線束的重量。
　　　
重新檢視分布式解決方案

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

過去，由于機械強度的原因，車輛中所用導線的最小線徑為0.35平方毫米(美國線規(guī)中為22)，所承載的最大電流為8至10安培。這樣一來，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)點就無法體現出來。然而，如今的線材技術正在以更細的線徑，同時能夠承載更大的電流，例如，線徑僅為0.13平方毫米(美國線規(guī)中為26)的導線，卻能夠承載高達5安培的電流。該線材技術使得在采用分布式架構和PPTC過流保護時，所用的導線重量得到進一步的大幅降低。

汽車行業(yè)的研究結果表明，相對于傳統(tǒng)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的優(yōu)點。根據研究的結果，在中高端乘用車輛中，采用具體如圖1所示分布式架構和泰科電子的聚合物開關器件(PolySwitch™)后，除了僅銅線重量就可減輕了50%左右以外，設計靈活度還得到了大幅改善。

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

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載，都決定了拖車的燈光電路屬于高風險的應用。為了改善可靠性，通常在拖車電路中采用冗余的連接導線，每條導線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，所有車燈都采用單獨的保險絲予以保護，這些保險絲都位于一個集中式保險絲座中。

然而，在分布式保護架構中，可以將PPTC器件安放在車燈組件、連接器或者結合塊中，這樣，減少了3個保險絲，一個繼電器，3組長導線以及相應的連接器。該設計方案還簡化了剎車設計、轉向設計、危險警示燈模塊以及開關設計。圖2和圖3對傳統(tǒng)的集中式解決方案(左)和分布式保護技術（右）進行了具體比較。在分布式解決方案中，在每個相應的節(jié)點上僅需要一個聚合物開關器件來保護每個燈光電路。

圖2：傳統(tǒng)的集中式保護解決方案。

圖3：采用聚合物開關PPTC器件的分布式解決方案。

減小LED中央高位剎車燈所用導線線徑

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燈(CHMSL)。在這種解決方案中，利用LED取代了白熾燈，所帶來的優(yōu)點是可以采用小線規(guī)的低電流導線，這類導線可以被方便地敷設到車頂篷的線槽中，并可以靈活地連接到鉸合點，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，通常利用一個很大的電路熔斷器或保險絲來進行保護。因此在設計中，必須采用大線規(guī)的導線、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(qū)域，這樣，空間和重量都成為必須考慮的因素。

此外，由于后門窗、后門鎖以及后圍板電動天線所用的各個電機都無法靠近它們各自的控制開關，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關、繼電器或者驅動電路中。這樣，所用的電源饋線的線徑將會大幅減小。例如，在電動窗電路中，傳統(tǒng)上所用的電源饋線為3.0平方毫米，同時在上游還需要一個電路熔斷器來保護。

然而，通過把PPTC器件整合到電機控制開關電路中以后，受電壓降的影響，電源饋線線徑可以大幅減小到0.8平方毫米。由于電線線徑的減小，進而可以采用更小的端接模塊，更小的接口連接器以及開關。另外，在驅動電路中，微控制電路可以選用成本更低、功率更小且無需保護的晶體管。這樣，將會使布線系統(tǒng)以及與其相關硬件的成本大幅降低。采用小線規(guī)可以減小線束的尺寸，從而提高布線的靈活度，還會改善布線的外觀和整齊度。此外，這還會減小車輛布線時所需的力，進而降低在安裝過程中導致損壞的幾率。
　　　
結論

在汽車設計中采用分布式架構與PPTC過流保護相結合，可以大幅降低布線重量。雖然分布式解決方案已經提出來很多年了，但隨著如今可以利用更細線徑的導線來承載更大的電流，以及受到新興行業(yè)的激勵，如今該解決方案已經明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)的保險絲技術。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，從而可以幫助汽車設計師減小線長及重量，簡化設計，提高設計靈活度并提高車輛系統(tǒng)的可靠性。