汽车保护系统中的分布式架构

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如今的汽车制造商正积极努力地工作，旨在减轻整车的重量，从而有助于降低二氧化碳(CO2)的排放量，提高燃料的利用效率。设计工程师们正在努力开发新的技术和设计技巧，在不牺牲系统可靠性的前提下，降低汽车中线束的重量。正在涌现的线材技术是一项可以使重量大幅降低的技术，这种技术可以以更小的线径实现更大的电流承载量。如今，汽车研发工程师们正在重新采用众所周知的成熟技术，即利用分布式架构中的聚合物正温度系数(PPTC)过流保护器件，在改善系统可靠性的同时，减小整车布线线束的重量。
　　　　
重新检视分布式解决方案
虽然从20世纪90年代以来，在分布式解决方案中采用PPTC器件来实现保护已经成为人人皆知的设计选项，但在OEM厂商中间，该项技术的普及却变得非常缓慢。实际上，随着汽车功能的大幅增加，导致汽车电气和电子电路的功能不断增加，如今，汽车中的布线系统已经变得比历史上任何时候都更加庞大、笨重和复杂。除了对改变传统设计方法的阻力之外，传统上所利用的粗线也限制了采用PPTC器件优点的充分发挥。
过去，由于机械强度的原因，车辆中所用导线的最小线径为0.35平方毫米(美国线规中为22)，所承载的最大电流为8至10安培。这样一来，对于信号电流较小(如电流小于8安培)的电路应用，采用PPTC器件的某些优点就无法体现出来。然而，如今的线材技术正在以更细的线径，同时能够承载更大的电流，例如，线径仅为0.13平方毫米(美国线规中为26)的导线，却能够承载高达5安培的电流。该线材技术使得在采用分布式架构和PPTC过流保护时，所用的导线重量得到进一步的大幅降低。
汽车行业的研究结果表明，相对于传统的采用保险丝保护的集中式架构，这种分布式解决方案具有显著的优点。根据研究的结果，在中高端乘用车辆中，采用具体如图1所示分布式架构和泰科电子的聚合物开关器件(PolySwitch™)后，除了仅铜线重量就可减轻了50%左右以外，设计灵活度还得到了大幅改善。
　　
　　图1：采用传统的保险丝方案与分布式架构两种情况下所采用线材重量的比较结果。在线材重量的计算中，所引用的铜材料密度为8.96x10-6kg/mm3。
　　　　
减轻拖车灯光电路相关的导线重量
应用环境的恶劣、混杂的维修、因为浸水所导致的短路及过载，都决定了拖车的灯光电路属于高风险的应用。为了改善可靠性，通常在拖车电路中采用冗余的连接导线，每条导线都连接各自分离的保险丝及供电电路。在这种设计方案中，通常，所有车灯都采用单独的保险丝予以保护，这些保险丝都位于一个集中式保险丝座中。
然而，在分布式保护架构中，可以将PPTC器件安放在车灯组件、连接器或者结合块中，这样，减少了3个保险丝，一个继电器，3组长导线以及相应的连接器。该设计方案还简化了刹车设计、转向设计、危险警示灯模块以及开关设计。图2和图3对传统的集中式解决方案(左)和分布式保护技术（右）进行了具体比较。在分布式解决方案中，在每个相应的节点上仅需要一个聚合物开关器件来保护每个灯光电路。
　　
　　图2：传统的集中式保护解决方案。
　　
　　图3：采用聚合物开关PPTC器件的分布式解决方案。

减小LED中央高位刹车灯所用导线线径
利用发光二极管(LED)降低了功耗，并提高了设计灵活度，这使得它们在当今各种灯光电路中日益得到普及，其中包括中央高位刹车灯(CHMSL)。在这种解决方案中，利用LED取代了白炽灯，所带来的优点是可以采用小线规的低电流导线，这类导线可以被方便地敷设到车顶篷的线槽中，并可以灵活地连接到铰合点，如图4所示。
　　
　　图4：LEDCHMSL应用中的分布式保护解决方案。
　　
　　由于潜在出现的电机高堵转电流，在集中式架构解决方案中，通常利用一个很大的电路熔断器或保险丝来进行保护。因此在设计中，必须采用大线规的导线、体积很大的接头端和连接器。于是，就需要安排较大的接口设备安装区域，这样，空间和重量都成为必须考虑的因素。
此外，由于后门窗、后门锁以及后围板电动天线所用的各个电机都无法靠近它们各自的控制开关，从而电机电源的输送都将比较远且电流大。相比较，分布式架构则允许设计师将PPTC器件灵活地安装在这些电机的开关、继电器或者驱动电路中。这样，所用的电源馈线的线径将会大幅减小。例如，在电动窗电路中，传统上所用的电源馈线为3.0平方毫米，同时在上游还需要一个电路熔断器来保护。
　　
然而，通过把PPTC器件整合到电机控制开关电路中以后，受电压降的影响，电源馈线线径可以大幅减小到0.8平方毫米。由于电线线径的减小，进而可以采用更小的端接模块，更小的接口连接器以及开关。另外，在驱动电路中，微控制电路可以选用成本更低、功率更小且无需保护的晶体管。这样，将会使布线系统以及与其相关硬件的成本大幅降低。采用小线规可以减小线束的尺寸，从而提高布线的灵活度，还会改善布线的外观和整齐度。此外，这还会减小车辆布线时所需的力，进而降低在安装过程中导致损坏的几率。
　　　　
结论
在汽车设计中采用分布式架构与PPTC过流保护相结合，可以大幅降低布线重量。虽然分布式解决方案已经提出来很多年了，但随着如今可以利用更细线径的导线来承载更大的电流，以及受到新兴行业的激励，如今该解决方案已经明显地优于传统的保险丝技术。由于PPTC器件具有可复位功能、低阻特性以及范围很宽的额定电流，从而可以帮助汽车设计师减小线长及重量，简化设计，提高设计灵活度并提高车辆系统的可靠性。