浅谈汽车低压电线束设计

王伟刚

（北汽集团 北京汽车国际发展有限公司产品工程中心，北京 100021）

汽车上各用电设备之间的控制及信号传递靠低压电线束网络来实现。汽车低压电线束是汽车电路的网络主体，是汽车的“中枢神经”，是连接电源和各个用电设备的重要部件，是传输能量、传递各种信号的载体，线束分布遍布全车，其重要性不言而喻。通俗地讲，低压电线束由导线、端子、插接件和包裹胶带、绝缘防护组成。

随着整车用电设备的增多，留给线束的布置空间越来越小，这就要求电线束的设计必须具有更优质、更可靠的数据传输性能，同时要求节省空间，减少汽车整备质量，要同时达到这些要求是对汽车低压电线束一个很大的挑战，因此汽车低压电线束设计的综合性能便成为重中之重。

1 整车电气原理设计

整车电气原理设计是为了确保所有电器设备都能正常工作，并通过熔断器、继电器、导线、开关等控制装置与汽车电源连接起来实现的。

1.1 电源分配的设计

电源分配是以安全性为主，依据整车电器功能设计和实现的，反映蓄电池、发电机、熔断器、继电器以及负载的连接关系，通过如何合理地分配蓄电池或发电机的电能给用电设备供电的设计。根据点火开关的位置，分为常电、ACC电、ON挡电和ST挡电，如图1所示。

图1 电源分配图

常电：一般称为3 0电，由蓄电池直接供电。所接负载一般为整车的安全件、重要件，如室内灯、防盗系统、前照灯、发动机ECU、诊断系统等。

ACC电：点火开关处于ACC挡时的供电。当起动机起动时，ACC电卸荷。所接负载一般有音响系统、天窗、点烟器等。

ON挡电：一般称为15电，点火开关处于ON挡时的供电，分为IG1和IG2。当起动机起动时，IG2电卸荷。所接负载一般有鼓风机、电动门窗、组合仪表等。

ST挡电：给起动机供电，起动发动机。汽车起动后，钥匙自动回位ON挡。

在进行电源分配设计时，车型配置表是重要的输入文件，通过对配置表的深入分析、配置对比，可以帮助设计者设计出较合理的整车电源分配，一般按照车型的最高配置进行设计。

1.2 熔断器的选型设计

熔断器串联在电源和用电设备之间，作用是保护用电设备和相关线路免受电路过载和/或短路带来的损害。

1.2.1 熔断器的分类

熔断器一般分为慢熔式熔断器和快熔式熔断器。

慢熔式熔断器：顾名思义在同等较高温度下，熔断的时间比快熔式熔断器时间更长，其结构的宽窄或厚薄决定了容量的大小。慢熔式熔断器的主要部件是高温合金片，常用的有插入式、旋紧式和平板式，见图2。

快熔式熔断器：在较高温度下，熔断时间较短。其主要部件是低温合金导线，它封装在片式塑料板、陶瓷管或玻璃管内。常用的有片式和管式，如图3所示。

1.2.2 熔断器的选型

熔断器的选型，需要考虑负载的类型、环境温度、电流范围、安装环境等因素。

图2 慢熔式熔断器

图3 快熔式熔断器

根据电路负载特性，当负载冲击电流小（或时间短）及为阻性负载时，可以选用快熔式熔断器；当负载冲击电流较大（或时间较长）及为感/容性负载时，可以选慢熔式熔断器；根据装配位置，优先选用占用空间较小的熔断器。

1.2.3 熔断器额定电流值的确定

1）快熔式熔断器额定电流的确定

确定电路电流后，选用规格合适的熔断器。在常温（25℃）下选择熔断器容量的75%为电器负载的工作电流；当环境温度升高时，熔断器的载流能力下降，需考虑熔断器的温度修正系数。

按照公式确定熔断器容量

式中：If——熔断器的额定电流理想值，A；In——正常工作电流值，A；RR——温度修正系数（可查询温度修正系数曲线图）。

最后选择现有规格里与If接近且大于计算结果的熔断器。

2）慢熔式熔断器额定电流的确定

对于慢熔式熔断器额定电流的确定比较复杂，需要满足以下3个条件：①根据稳态电流计算熔断器的额定值电流：参照公式（1），初步选定规格合适的慢熔式熔断器。②需满足电气负载启动电流冲击时间：将初选的慢熔式熔断器的熔断特性与负载的浪涌电流冲击时间比较，需满足负载的浪涌电流冲击时间小于熔断器对应的熔断时间。③计算相对I2t参数对熔断器寿命的影响：计算相对I2t按照公式（2）计算。

通常计算出的相对I2t需小于30%，即熔断器承受浪涌次数10万以上。

1.3 继电器的选型设计

继电器是一种当输入量（电、热、光、磁、声）达到一定值，输出量将会发生跳跃式变化实现自动控制的器件。继电器具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），普遍应用于实现自动控制的电路中，它实际上是一种用小电流控制大电流的“自动开关”。故在电路中能够起到转换电路、自动调节、安全保护等作用。

继电器的种类非常多，分类方法也有很多种。①按工作原理分为：加速度继电器、风速继电器、温度继电器、电磁继电器、时间继电器、固态继电器等；②按触点负载分为：较大功率继电器、中等功率继电器、较弱功率继电器和微功率继电器；③按外形尺寸分为：小型继电器、超小型继电器、微型继电器；④按防护特征分为：敞开继电器、塑封继电器、防尘罩继电器、密封继电器。

继电器选型时应参考使用环境、负载类型、负载工作电流曲线以及其他相关要求等。

1.3.1 使用环境

1）环境温度。导致继电器加速绝缘的老化，绝缘能力下降、缩短使用寿命的重要因素是环境温度的升高；温升对线圈和触点的影响也很大，漆层老化加剧，吸合、释放参数的变化。

一般继电器的环境工作温度主要有2种：一种是-40～85℃，一种是-40～125℃。由于设计使用材料的不同，可直接影响到继电器的选用成本。故根据实际环境温度和使用情况进行合理选用。一般情况下，驾驶室选择-40～85℃的继电器；前机舱选择-40～125℃的继电器。

2）相对湿度、粉尘等。在粉尘大、高湿环境下，继电器的金属部件腐蚀速度显著上升，加剧继电器触点膜电阻的生成。

目前汽车上的大部分继电器都集成在电器盒内部，且电器盒本身具有一定的防尘、防潮等效果。

1.3.2 负载类型

车辆上电器设备常用的负载种类有阻性负载、感性负载、容性负载，见表1。设计或选型时，应提供负载类型。

表1 负载种类

1.3.3 电流的确定

继电器额定电流、耐冲击电流及冲击持续时间均需大于负载的稳态电流、冲击电流及冲击时间。容性负载所选继电器所承受的电流值应为用电设备正常工作电流的4倍左右；阻性负载和感性负载为了延长继电器的使用寿命，应当选用大电流的继电器，选择继电器所承受的电流比用电设备的电流越大，继电器的使用寿命就越长。

1.3.4 相关要求

对具有提示功能的继电器，选用工作时的声音不小于50 dB的继电器。

对不具有提示功能的继电器，选用工作时的声音小于50 dB的继电器。

1.4 搭铁设计

搭铁：即车载用电设备、蓄电池负极与车身等金属部件连接的导线称为搭铁。搭铁的可靠性直接影响用电设备功能的实现，因为其是电流回路中至关重要、不可或缺的一部分。如若搭铁设计不好，会造成回路电压降增大、回路间相互干扰、用电设备功能异常等问题。

搭铁设计尤为重要，下面对搭铁设计原则进行详细论述。

1.4.1 搭铁类型

1）按搭铁点回路数量分类。共用搭铁：金属部件上的一个搭铁点连接多个车载用电设备；单独搭铁：在车身、车架等金属部件上，一个用电设备有一个单独的搭铁点。

2）按用电设备类型分类。功率搭铁：是指各个电控系统和用电设备等部件的零电位。其搭铁好与不好，直接影响电控系统或用电设备等的正常工作；信号搭铁：是指各个电子控制系统传感器的零电位。其搭铁好与不好，会影响传感器传递给控制单元的信号是否准确，进而影响电控系统的工作。

3） 按功率型用电设备的电流特性分类。阻性搭铁：主要指电阻型用电设备的零电位；感性搭铁：主要指电感型用电设备的零电位。

4）按搭铁的信号类型分类。数字搭铁：主要指各电子控制单元内部数字电路的零电位；模拟搭铁：主要指发出电压、电流等模拟信号的传感器的零电位。

1.4.2 设计原则

1）就近搭铁。考虑到成本、电压降和防干扰性，搭铁点尽量靠近用电设备，特别是针对弱电信号搭铁，以保证信号传递的真实性。

2）安全性部件要单独搭铁。对于影响整车性能和安全较大的用电设备（如ABM、ECU、ESP等）要进行单独搭铁，且要严格按照用电设备要求的导线规格和尺寸设计。

3）搭铁区域的要求。在湿区（4门钣金、地板等）区域不建议设立搭铁点，便于减少用电设备的故障率。

4）强弱电分开搭铁。电机类大电流用电设备，要与信号线及控制回路等小电流分开搭铁。

5）搭铁部位的要求。搭铁部位不得带有绝缘层，影响导电的喷漆或其他表面处理部位，应做局部处理或前期防护，保证导电良好。

1.4.3 搭铁端子的选型

根据用电设备的功率和所处环境，选择合适的端子。

在选择孔式搭铁端子时，要注意：为避免减小搭铁端子与螺栓的接触面积，孔径应与搭铁螺栓规格相匹配，孔径一般不应超过螺栓外径0.5 mm。

在设计时，①要充分考虑搭铁端子的安装空间和装配工艺，如装配时搭铁端子变形或与周边零部件干涉，应优先选用带防转结构的端子；②处在暴露区域的端子，其表面处理不能采用影响导电性能的方法，且必须要有镀层，镀层包括镀锡、镀锌合金等。

2 线束三维布置设计

线束三维布置设计，要求设计工程师要对其他系统零部件（车身、动力、底盘、内外饰等）有系统的了解，并能提出合理的要求。

整车线束的布置形式有多种，比如H、L、E、R等形式，常见的布置形式有H型、E型。

下文对线束三维布置的原则进行详细论述。

2.1 考虑装配方便性和工艺可行性

1）线束的搭铁端子、插接件等要布置在合理的位置，或简单拆卸一些零件后，便可触及的位置；对于空间狭小只能伸进一只手拔插插接件时，插接件一端需有固定且固定牢靠。

2）为了拆装方便，仪表、音响、空调面板等零部件的对接线束分支要预留一定长度（80～100 mm）。

3） 相邻线束分支的插接件和颜色要有防错，避免装配时误插。

2.2 考虑线束的固定和保护

1） 线束上两固定点之间的距离不大于300 mm，拐角处加固定点。

2）为了减少插接件内部端子承受振动和线束质量，建议在主干线束的分支处增加固定点和距离插接件120 mm处增加固定。

3）在空间较小的位置，为了保证线束与周边零部件的间隙，建议使用护线盒防护。

4）为了保证线束的方向性，应使用带定位方向的卡扣。

5） 距离排气管较近的部位采用150°的闭口波纹管防护，防止外漏的导线部分与车身产生摩擦，应使用波纹管进行防护。

2.3 考虑与周边零部件的间隙

发动机区域装配间隙见表2，仪表板区域装配间隙见表3，地板和顶棚区域装配间隙见表4，5门区域装配间隙见表5，底盘区域装配间隙见表6。

表2 发动机区域

表3 仪表板区域

表4 地板和顶棚区域

表5 5门区域

表6 底盘区域

2.4 考虑线束布置的过孔

1）设计初期就应考虑过孔的位置及结构形状，同时也要考虑过孔和其他件的相对位置关系。

2）线束如从驾驶室内向室外通过钣金孔，外部线束必须低于过线孔，避免线上的液体进入室内。

3）4门线束和座舱线束连接时，车门上过孔应低于车身侧围上的过孔。

2.5 考虑线束的运动校核

1）4门线束在设计时，要考虑开、关门时线束预留的长度要合理。

2）为了防止发动机抖动时（柴油机抖动量大些）线束受到拉力，发动机线束与机舱线束对接部位要预留一定的长度。

3）座椅线束要预留一定长度，且保证在座椅运动时，不能与周边零部件摩擦。

4）与车身发生平行运动的部分线束且容易发出声音的部位，应增加海绵或固定，以免产生噪声。

3 结束语

为了满足人们日益增长的对汽车安全性、舒适性、经济性的更高需求，整车用电设备逐渐增多，线束设计难度越趋复杂。线束的平台化、模块化、轻量化、传递信息多元化成为当今发展的趋势。

［1］ 刘振超，谷孝卫，周锋，等.浅谈汽车线束布置设计及原则.汽车电器，2016（2）：12-13.

［2］ 张秋新，祖润青.整车电源分配的设计研究.汽车电器，2017（5）：57-60.