光纤在汽车电线束的应用技术趋势

【摘 要】文章依据国内光纤专利情况，介绍汽车光纤线束技术的发展趋势。初期光纤技术主要用于汽车内部装饰，随后逐渐聚焦于提高强度、抗干扰性以及压接性能，以实现其在汽车电线束中的应用。近期研究人员开始探索以太网光纤技术在汽车领域的应用。

【关键词】汽车光纤;线束;压接;以太网

中图分类号：U463.62 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0039-03

Application Trend of Optical Fiber in Automotive Wiring Harness

【Abstract】Based on the situation of domestic optical fiber patents，this paper introduces the development trend of automotive optical fiber wiring harness technology. Initially，optical fiber technology was mainly used for automotive interior decoration，and then gradually focused on improving strength，anti-interference and crimping performance to achieve its application in automotive wiring harnesses. Recently，researchers have begun to explore the application of Ethernet fiber technology in the automotive field.

【Key words】automobile optical fiber;wiring harness;crimp;ethernet

电动化、轻量化、智能网联化的相互融合推动着汽车技术的发展。随着汽车油耗标准的不断降低，轻量化成为汽车节能减排的重要手段之一[1-3]。多年前笔者曾提出基于光导纤维数据传输技术实现娱乐系统、空调系统等电子设备的互联和控制，开发并搭载光导纤维等新型基材导线技术也是整车线束系统轻量化的发展方向之一，同时能优化改变线束布置[4]。光纤传输，即以光导纤维为介质进行的数据、信号传输。光导纤维（图1）是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。玻璃光纤的标准直径为125μm（0.125mm），表面覆盖有直径250μm或900μm的树脂保护涂敷层。玻璃光纤传送光的中心部分称为“纤芯”，其周围包层的折射率比纤芯低，从而限制了光的流失。光纤不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。光纤传输一般使用光缆进行，单根光导纤维的数据传输速率能达每秒几亿比特，在不使用中继器的情况下，传输距离能达几十公里。光纤传输具有7大优势：①灵敏度高，不受电磁噪声之干扰;②体积小、质量轻、寿命长、价格低廉;③绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀，适于特殊环境之工作;④几何形状可依环境要求调整，信号传输容易;⑤高带宽，通信量大衰减小，传输距离远;⑥信号串音小，传输品质高;⑦保密性高。本文以国内专利为基础，分析光纤技术在汽车上的应用，以期能够帮助研究人员了解光纤技术在汽车上的发展方向。

1 光纤技术在汽车上应用初期

早在2001年就有研究人员提出在汽车上使用一种光纤圣诞树（图2），其目的仅仅是作为装饰品，调节车厢气氛和气味，以增加驾驶人员的多种享受[5]。在当时，并未提及光纤传输功能在汽车上的应用。直到2013年，研究人员为了解决汽车照明系统中分布于整车不同部位的光源因供电需要大量电缆而导致的能量损耗以及线缆易自燃问题，提出了光源集中控制的汽车光纤照明引擎[6]（图3）。该方案能够实现汽车所有灯具无电化的革新，使车灯的智能化程度得到提升。此方案已涉及到光纤传输开始在汽车上的应用理念。在这期间，网络上也开始有报道称国外将光纤应用到汽车线束上。

2 汽车光纤传输技术

研究人员贺超流[7]于2015年公开了一种高性能汽车光纤线束。其结构包括：纤芯，设置于光线线束的最内部，至少用于供光传输;纤芯包层，包覆于纤芯的表面外侧;至少一层保护套，设置于纤芯包层的表面外侧，用以保护纤芯（图4）。在汽车线束中增加光纤进行传输数据信息，具有诸多优点，如高速率数据传输、数据量大、损耗小、品质稳定、尺寸小、质量轻、超高绝缘、耐腐蚀、灵敏度高等。此外，还能够双工传输信息、抗干扰性高（尤其抗汽车电路的脉冲干扰）;光纤允许有较高的数据传输速率和较高的信噪比带宽积，可适用于发动机实时控制、车辆状态监测和通断负载的开关控制等要求。该方案非常明确地提出了汽车光纤传输线束的概念。

3 汽车光纤增强及传输安全技术

袁红[8]利用铜合金丝围绕光导纤维紧贴光导纤维进行绞合并辅以外导体和内外层来提高光纤的强度（图5）。也有研究人员通过将光纤加热处理后使其成为碳化修饰状态的双涂覆层来提高光纤强度[9]。刘德成[10]则通过含有碳纳米管结构的光导纤维（图6）提高了机械强度、减轻了质量，并通过使电流在芯线中传播，电流传播有效截面积不会改变，不产生趋肤效应，减少了信号在线缆传输过程中的衰减。

为提高光纤芯的抗拉强度和弯曲度，降低传输损耗，苏州妙文信息科技有限公司[11]提出了由内向外依次布置的导体、隔热层、屏蔽层、减振层和保护层的方案。导体包括一个光纤单元和若干线芯单元，线芯单元以光纤单元为中心同向绞合而成（图7）。该方案旨在解决现有技术中汽车线束虽采用光纤线与汽车线束结合，但由于结构、生产方法不合理，造成线束传输效率低、线束失真度偏高、可靠性不高的问题，同时降低线束的整体质量和体积。这样可以高效率地完成汽车各种电气控制过程，适应汽车的振动和高低温工作环境。杨文骐等[12]则通过在放置腔体内部中心位置处设支撑管，空腔外壁上放置腔体内部设等间距的第1防护套，第1防护套之间支撑管外壁上设等间距的定位筋，实现了光纤线束的分隔功能，从而提高了光纤线束使用时的信号传输效果;如图8所示，通过在石棉线束套外侧设中空夹层，中空夹层远离石棉线束套一侧设橡胶绝缘套，石棉线束套外壁上中空夹层内部设等间距的橡胶绝缘块以及石棉线束套，实现了光纤线束的绝缘功能，从而提高了光纤线束使用时的安全性;通过在第2防护套内部中心位置处设无机粘合剂，无机粘合剂一侧第2防护套内部粘贴天然纤维抗压层，无机粘合剂远离天然纤维抗压层一侧第2防护套内部填充聚氨酯弹性颗粒，提高了光纤线束的韧性强度，从而延长了光纤线束的使用寿命。

4 汽车光纤压接技术

光纤要想在汽车电线束上得到推广应用，光纤与光纤连接器的良好压接至关重要。光纤线束压接机在压接端子时，由于冲压头下降高度不易控制，当冲压头下降过深时，冲压头对端子压接后继续下降，从而对光纤线绝缘层产生刺穿或者割坏的情况，当冲压头下降过浅时，不能对端子起到有效的压接，从而使光纤线束与端子之间连接过松，导致光纤线束压接不合格。倪敏跃[13]设计了一种光纤线束压接机（图9），采用两次压接的方式分别对光纤线束和端子进行逐步压接，减少端子外表面受损率，二次压接装置的设置，对合拢后的端子U形部上端再次冲压，从而增大了光纤线束金属与端子金属之间的接触面积，保证了光纤线束与端子连接的可靠性;并通过2个活动压接模具的挤压，使得压接头对合拢后的端子U形压接部顶端再次压接，减少了绝缘层发生刺穿或者割坏的情况;活动压接模具下降高度固定，避免了绝缘压接高度过高或过低的情况，增大了光纤线束金属与端子金属之间的接触面积，提高了2个模具之间的有效压接率。

5 汽车光纤以太网通信技术

以太网诞生早，具有技术成熟、带宽高、成本低且扩展性强等优势，在进入汽车领域前就已得到广泛应用。由于以太网传输带宽高，会导致更高的能量排放，而汽车对EMC（电磁兼容）要求十分严格，使得以太网直到近年汽车单对双绞线（100Base-T1/1000Base-T1标准）的技术取得突破才得以在汽车内应用。然而在其开发过程中，需要做一系列专业的标准测试（如PMA测试），而要通过这些测试不仅需要昂贵的仪器，而且硬件调试的复杂性无疑也导致了更多的成本。汽车内电气环境复杂，出于安全考虑，关键节点需做电流隔离以防止短路，但是现有汽车双绞线以太网通信系统EMC性能较差，难以满足对电流隔离的要求。最近，周立功等[14]设计了一种汽车光纤以太网通信装置，如图10所示。其技术方案通过控制模块控制睡眠唤醒模块的工作，在需要进行汽车光纤以太网通信时，控制睡眠唤醒模块对光纤以太网收发器和光电转换模块上电，需要进行通信连线的2个节点之间通过光纤连接光电转换模块，实现2个通信节点的以太网数据传输。光电转换模块对以太网数据进行光电转换，并通过光纤以太网收发器对以太网数据进行收发控制。使用光纤通信起到电流隔离的作用，也因其卓越的EMC性能，减少了关于EMC调试过程的复杂与成本，提高了汽车以太网的EMC性能，满足了对电流隔离的要求。

6 结论

总之，在汽车智能化、轻量化以及以太网应用的背景下，汽车光纤以其速率快、灵敏度高、传输距离远等优势，开始探索在电线束行业的应用。如何提高光纤的强度、抗干扰性以及压接安全性等，是光纤在汽车电线束上应用的关键所在。光纤首先在娱乐系统、空调系统等安全性要求不高的环境下探索应用路径，是比较稳妥的策略之一。使光纤从静态环境下的应用过渡到满足汽车动态环境下对光纤性能的新要求是至关重要的。在最近的行业技术论坛上，多家线束行业公司提出光纤具有广阔的应用前景，并初步验证了其可行性。

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