運(yùn)用帶PolySwitch PPTC器件進(jìn)行汽車線束保護(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，汽車制造企業(yè)如今正在朝著車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，汽車制造商還必須降低保修成本并改善用戶滿意度。所以，汽車設(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。

這份白皮書介紹了采用分散式架構(gòu)和泰科電子PolySwitch器件保護(hù)汽車線束的巨大優(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)代車輛應(yīng)用中電氣和電子功能的不斷增加，汽車布線系統(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、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。

汽車線束保護(hù)

在汽車?yán)?，電流通過(guò)分布在全車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)卡車和公交車中是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)。在這種類型的集中(或稱為“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)的車門模塊可能要為車窗、門鎖、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，也減少了車輛中使用的各種端子、觸點(diǎn)、開關(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)在車門模塊中采用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。