汽車(chē)保護(hù)系統(tǒng)中的分布式架構(gòu)

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

雖然從20世紀(jì)90年代以來(lái)，在分布式解決方案中采用PPTC器件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)已經(jīng)成為人人皆知的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，但在OEM廠商中間，該項(xiàng)技術(shù)的普及卻變得非常緩慢。實(shí)際上，隨著汽車(chē)功能的大幅增加，導(dǎo)致汽車(chē)電氣和電子電路的功能不斷增加，如今，汽車(chē)中的布線系統(tǒng)已經(jīng)變得比歷史上任何時(shí)候都更加龐大、笨重和復(fù)雜。除了對(duì)改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)的充分發(fā)揮。

過(guò)去，由于機(jī)械強(qiáng)度的原因，車(chē)輛中所用導(dǎo)線的最小線徑為0.35平方毫米(美國(guó)線規(guī)中為22)，所承載的最大電流為8至10安培。這樣一來(lái)，對(duì)于信號(hào)電流較小(如電流小于8安培)的電路應(yīng)用，采用PPTC器件的某些優(yōu)點(diǎn)就無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)。然而，如今的線材技術(shù)正在以更細(xì)的線徑，同時(shí)能夠承載更大的電流，例如，線徑僅為0.13平方毫米(美國(guó)線規(guī)中為26)的導(dǎo)線，卻能夠承載高達(dá)5安培的電流。該線材技術(shù)使得在采用分布式架構(gòu)和PPTC過(guò)流保護(hù)時(shí)，所用的導(dǎo)線重量得到進(jìn)一步的大幅降低。

汽車(chē)行業(yè)的研究結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的采用保險(xiǎn)絲保護(hù)的集中式架構(gòu)，這種分布式解決方案具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)研究的結(jié)果，在中高端乘用車(chē)輛中，采用具體如圖1所示分布式架構(gòu)和泰科電子的聚合物開(kāi)關(guān)器件(PolySwitch™)后，除了僅銅線重量就可減輕了50%左右以外，設(shè)計(jì)靈活度還得到了大幅改善。

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

應(yīng)用環(huán)境的惡劣、混雜的維修、因?yàn)榻鶎?dǎo)致的短路及過(guò)載，都決定了拖車(chē)的燈光電路屬于高風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用。為了改善可靠性，通常在拖車(chē)電路中采用冗余的連接導(dǎo)線，每條導(dǎo)線都連接各自分離的保險(xiǎn)絲及供電電路。在這種設(shè)計(jì)方案中，通常，所有車(chē)燈都采用單獨(dú)的保險(xiǎn)絲予以保護(hù)，這些保險(xiǎn)絲都位于一個(gè)集中式保險(xiǎn)絲座中。

然而，在分布式保護(hù)架構(gòu)中，可以將PPTC器件安放在車(chē)燈組件、連接器或者結(jié)合塊中，這樣，減少了3個(gè)保險(xiǎn)絲，一個(gè)繼電器，3組長(zhǎng)導(dǎo)線以及相應(yīng)的連接器。該設(shè)計(jì)方案還簡(jiǎn)化了剎車(chē)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)警示燈模塊以及開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。圖2和圖3對(duì)傳統(tǒng)的集中式解決方案(左)和分布式保護(hù)技術(shù)（右）進(jìn)行了具體比較。在分布式解決方案中，在每個(gè)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上僅需要一個(gè)聚合物開(kāi)關(guān)器件來(lái)保護(hù)每個(gè)燈光電路。

圖2：傳統(tǒng)的集中式保護(hù)解決方案。

圖3：采用聚合物開(kāi)關(guān)PPTC器件的分布式解決方案。

減小LED中央高位剎車(chē)燈所用導(dǎo)線線徑

利用發(fā)光二極管(LED)降低了功耗，并提高了設(shè)計(jì)靈活度，這使得它們?cè)诋?dāng)今各種燈光電路中日益得到普及，其中包括中央高位剎車(chē)燈(CHMSL)。在這種解決方案中，利用LED取代了白熾燈，所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是可以采用小線規(guī)的低電流導(dǎo)線，這類導(dǎo)線可以被方便地敷設(shè)到車(chē)頂篷的線槽中，并可以靈活地連接到鉸合點(diǎn)，如圖4所示。

圖4：LEDCHMSL應(yīng)用中的分布式保護(hù)解決方案。

由于潛在出現(xiàn)的電機(jī)高堵轉(zhuǎn)電流，在集中式架構(gòu)解決方案中，通常利用一個(gè)很大的電路熔斷器或保險(xiǎn)絲來(lái)進(jìn)行保護(hù)。因此在設(shè)計(jì)中，必須采用大線規(guī)的導(dǎo)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(shè)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(mén)窗、后門(mén)鎖以及后圍板電動(dòng)天線所用的各個(gè)電機(jī)都無(wú)法靠近它們各自的控制開(kāi)關(guān)，從而電機(jī)電源的輸送都將比較遠(yuǎn)且電流大。相比較，分布式架構(gòu)則允許設(shè)計(jì)師將PPTC器件靈活地安裝在這些電機(jī)的開(kāi)關(guān)、繼電器或者驅(qū)動(dòng)電路中。這樣，所用的電源饋線的線徑將會(huì)大幅減小。例如，在電動(dòng)窗電路中，傳統(tǒng)上所用的電源饋線為3.0平方毫米，同時(shí)在上游還需要一個(gè)電路熔斷器來(lái)保護(hù)。

然而，通過(guò)把PPTC器件整合到電機(jī)控制開(kāi)關(guān)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(jìn)而可以采用更小的端接模塊，更小的接口連接器以及開(kāi)關(guān)。另外，在驅(qū)動(dòng)電路中，微控制電路可以選用成本更低、功率更小且無(wú)需保護(hù)的晶體管。這樣，將會(huì)使布線系統(tǒng)以及與其相關(guān)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(huì)改善布線的外觀和整齊度。此外，這還會(huì)減小車(chē)輛布線時(shí)所需的力，進(jìn)而降低在安裝過(guò)程中導(dǎo)致?lián)p壞的幾率。
　　　
結(jié)論

在汽車(chē)設(shè)計(jì)中采用分布式架構(gòu)與PPTC過(guò)流保護(hù)相結(jié)合，可以大幅降低布線重量。雖然分布式解決方案已經(jīng)提出來(lái)很多年了，但隨著如今可以利用更細(xì)線徑的導(dǎo)線來(lái)承載更大的電流，以及受到新興行業(yè)的激勵(lì)，如今該解決方案已經(jīng)明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲技術(shù)。由于PPTC器件具有可復(fù)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(chē)設(shè)計(jì)師減小線長(zhǎng)及重量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)靈活度并提高車(chē)輛系統(tǒng)的可靠性。