宋喜秀

電線之限

宋喜秀

發(fā)電蓄電電源頭，交流直流信息流。布線空間有局限，科學(xué)適配不強(qiáng)求。豐富多彩車(chē)用線，暢通無(wú)阻有路由。

線束 接頭 電極 絕緣

專用車(chē)觸電，越來(lái)越普遍?？照{(diào)冰箱成標(biāo)配，電子導(dǎo)航更常見(jiàn)，智能控制效率高，輔助制動(dòng)保安全。隨著電力應(yīng)用設(shè)備和電子控制裝置的深入滲透，汽車(chē)智能化成為繼智能手機(jī)之后的第2個(gè)電子技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)。

車(chē)用電線線束按用途分類可以分為搭鐵線、電力線和信號(hào)線。車(chē)輛空間有界限，布線環(huán)境有局限，線束性能有極限，數(shù)以百計(jì)的線束組成的電氣網(wǎng)絡(luò)主體，牽一發(fā)而動(dòng)全身，錯(cuò)一線而亂整車(chē)。這些豐富多彩的線束，是如何突破限制、適應(yīng)要求、保證電氣系統(tǒng)的應(yīng)用效率和行車(chē)安全的呢？

1 電力線

電力線，又稱電源線，是輸送電源電力驅(qū)動(dòng)電器運(yùn)轉(zhuǎn)的電流載體。電力線是專用車(chē)用量最大的主力線束，其應(yīng)用特點(diǎn)十分明顯：

1.1 空間有界限

與家用導(dǎo)線不同，車(chē)用電力線在車(chē)身內(nèi)的布線空間十分有限。因?yàn)檐?chē)輛的內(nèi)部空間狹小，零部件太多，又有氣管、油管、水管交織。這些內(nèi)部空間的限制，要求車(chē)用電力線必須具有足夠的柔韌性和嚴(yán)格的安全性，而不能像家用導(dǎo)線一樣，由又粗又硬的單芯或者多芯導(dǎo)線簡(jiǎn)單包裹而成。

一方面，導(dǎo)線必須細(xì)軟，才能隨機(jī)應(yīng)變，有利于布局和捆扎，從而適應(yīng)狹小而復(fù)雜的車(chē)身空間。電氣工程師經(jīng)過(guò)計(jì)算，將數(shù)根、數(shù)十根甚至上百根單芯線集合成符合電流流量標(biāo)準(zhǔn)要求的截面積，按規(guī)程捆扎成束，穿入具有一定保護(hù)功能的套管，并在導(dǎo)線兩端壓接上標(biāo)準(zhǔn)化的接線端子，這些導(dǎo)線、端子、插件、輔料的有機(jī)組合，就是線束。國(guó)內(nèi)汽車(chē)線束的電線常用規(guī)格有標(biāo)稱截面積0.5、 0.75、1.0、1.5、2.0、2.5、4.0、6.0 mm2的電線。常用的日系車(chē)用線束規(guī)格見(jiàn)表1。

另一方面，對(duì)于捆扎后的線束來(lái)說(shuō)，線與線之間，特別是正負(fù)極導(dǎo)線之間，不同相位的相線之間，導(dǎo)線與地線之間，必須相互絕緣，不能有放電現(xiàn)象發(fā)生。所以，有關(guān)部門(mén)要求，車(chē)用線束全部裝車(chē)后，必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，并制定了耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)的耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.2 布局有局限

汽車(chē)車(chē)輛，特別是配置有專用作業(yè)裝置的專用車(chē)，其構(gòu)造特點(diǎn)不僅空間有限，還有許多傷不起的進(jìn)出油口、進(jìn)排氣管、高速旋轉(zhuǎn)件、高溫結(jié)構(gòu)體橫空出現(xiàn)，進(jìn)一步加劇了車(chē)載電氣系統(tǒng)的布局難度。這就對(duì)電氣系統(tǒng)的絕緣性能和線束自身的耐油耐熱能力及線束網(wǎng)絡(luò)布局提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求。

一是系統(tǒng)化控制。

專用車(chē)的車(chē)載電氣系統(tǒng)，尤其是電源車(chē)、電力搶險(xiǎn)車(chē)、冷鏈物流車(chē)、礦用電動(dòng)車(chē)等高負(fù)荷大負(fù)載上批量的“高大上”車(chē)輛的電氣系統(tǒng)，由于負(fù)載電流大，工作時(shí)間長(zhǎng)，如果電氣系統(tǒng)漏電串電，其后果不堪設(shè)想。所以，必須有系統(tǒng)性的安全防護(hù)措施。這些防護(hù)措施包括系統(tǒng)的絕緣試驗(yàn)、線束的編碼標(biāo)記和電力裝備接地等。

表1 日系車(chē)用線束常見(jiàn)規(guī)格

表2 車(chē)用線束的耐壓試驗(yàn)條件

表3 電氣系統(tǒng)的絕緣試驗(yàn)要求

⑴系統(tǒng)的功能試驗(yàn)。

電氣系統(tǒng)全部安裝完畢后，可以通過(guò)絕緣試驗(yàn)和空載試驗(yàn)驗(yàn)證線束網(wǎng)絡(luò)的正確性。絕緣試驗(yàn)的試驗(yàn)要求見(jiàn)表3。

絕緣試驗(yàn)通過(guò)后，可以接著做空載試驗(yàn)：在額定電壓及規(guī)定的環(huán)境溫度條件下，連續(xù)對(duì)各回路的開(kāi)關(guān)操作3次，觀察電氣裝備無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下的通電情況。如空調(diào)器，可以不進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)模式，只驗(yàn)證電源開(kāi)關(guān)的響應(yīng)狀態(tài)，就能說(shuō)明線束網(wǎng)絡(luò)的布線效果。

⑵線束的編碼標(biāo)記。

為了防止線束接頭的接入錯(cuò)誤，車(chē)輛電氣工程師在電氣原理圖、安裝圖之外，還專門(mén)設(shè)計(jì)有整個(gè)電氣系統(tǒng)的配線圖、每1根線束的配置圖，并對(duì)每1根配線規(guī)定了永久性的編號(hào)及其2個(gè)端子的對(duì)接方向、線徑規(guī)格、護(hù)套材質(zhì)等技術(shù)要求。配線與配線對(duì)號(hào)入座，保證了線網(wǎng)系統(tǒng)的有序?qū)印?/p>

⑶電力裝備接地。

接地是一種電路技術(shù)。電力裝備接地，就是將電力裝備的外殼與車(chē)身搭鐵，當(dāng)電器絕緣體老化損壞后，電力通過(guò)接地線與龐大的金屬機(jī)身直接短路，可以減少人身觸電所受的傷害。這在安全規(guī)程里叫接地保護(hù)。

不但如此，車(chē)用線束芯線與外保護(hù)套之間，還夾有以絕緣功能為主的內(nèi)保護(hù)層，預(yù)防線束與線束之間、線束與電器之間相互放電。在確保電氣系統(tǒng)整體安全的基礎(chǔ)上，GB 7258—2012《機(jī)動(dòng)車(chē)安全運(yùn)行技術(shù)條件》還規(guī)定，電線、電纜應(yīng)排列整齊，布線集中美觀。

二是針對(duì)性防御。

有針對(duì)性的加裝護(hù)套，是防御線束被熱源和油料破壞的重要技術(shù)措施。車(chē)用線束標(biāo)準(zhǔn)化，有日系和歐美2個(gè)體系。歐美包括中國(guó)以TS1 6949為標(biāo)準(zhǔn)控制線束的質(zhì)量體系，日本汽車(chē)產(chǎn)業(yè)則有自己獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，而且規(guī)格規(guī)范比較細(xì)致。如日系標(biāo)準(zhǔn)將線束護(hù)套材質(zhì)規(guī)范為AV、AVS、AVSS、AVSS—T、AVSF、AVX、APEX—BS、AEX、AESSXF等多種功能系列，其中的字母含義如表4。其中，AEX采用交聯(lián)聚乙烯做絕緣材料，具有耐油耐熱耐腐蝕的多種功能。

三是個(gè)性化處理。

對(duì)于另外一些特殊情況，則需要個(gè)性化處理。

首先，是科學(xué)割孔。遇到需要穿孔通過(guò)的隔板式結(jié)構(gòu)時(shí)，隔板上的孔口要經(jīng)過(guò)計(jì)算和設(shè)計(jì)，預(yù)割預(yù)留，而不能現(xiàn)割現(xiàn)用。同時(shí)，線束和孔口都要求加裝防護(hù)套和隔離套，預(yù)防線束被割傷磨傷。

其次，是遠(yuǎn)離振動(dòng)。線束必須經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸類、轉(zhuǎn)盤(pán)類、飛輪類運(yùn)動(dòng)件和彈簧類振動(dòng)件時(shí)，線束則必須與這些危險(xiǎn)源保持足夠的安全距離，同時(shí)應(yīng)用線卡予以可靠的固定。

再次，是專位專訂。對(duì)于一些有特殊要求的特殊位置，線束接頭則應(yīng)該特別訂制。如位于車(chē)頂?shù)臒o(wú)線電信號(hào)接收插頭，就應(yīng)該制作成具有防水防污功能的航空插頭。

最后，是非壓勿用。低壓線束接線端子之間一般是插接，高壓電纜之間的接線端子之間一般是壓接。當(dāng)線束的預(yù)制長(zhǎng)度不能滿足現(xiàn)場(chǎng)連接要求時(shí)，不允許采用剪接的辦法延長(zhǎng)電線電纜的裝配尺寸。

表4 線束護(hù)套材質(zhì)含義

2 搭鐵線

搭鐵線又稱接地線，指電池負(fù)極與電器外殼共同接入車(chē)身形成的地線電路。為了降低地線的短路電阻，提高地線對(duì)人體的保護(hù)能力，電池負(fù)極的搭鐵線一般用截面積大于6 mm2的“大線”或電纜線進(jìn)行連接。

在線束的編碼體制中，接入蓄電池組的電線電纜通常按極柱上的紅“＋”黑“—”規(guī)則直接對(duì)號(hào)，所以蓄電池的正極與負(fù)極接入線有色無(wú)號(hào)，是個(gè)例外。但是，蓄電池是車(chē)載電氣系統(tǒng)原動(dòng)力的發(fā)源地，也是發(fā)電與充電、交流與直流、串聯(lián)與并聯(lián)等路由關(guān)系的交接點(diǎn)。因?yàn)檫@個(gè)編制例外引發(fā)的電路短路事故層出不窮，所以，充分認(rèn)識(shí)正負(fù)極的個(gè)性特征，是防微杜漸、預(yù)防后患的必由之路。

2.1 充放電之別

正極板高大上，接線柱更粗壯；負(fù)極板接地氣，按規(guī)定搭鐵上——正極與負(fù)極個(gè)性鮮明，不容混淆。

電極與電池相伴而生，正極與負(fù)極明確分工。以鉛酸蓄電池為例，正極板上的活性物質(zhì)PbO2，在放電時(shí)失去負(fù)電子，還原為PbSO4，附著在極板上，充電時(shí)PbSO4得到正離子，氧化成PbO2。與之相對(duì)應(yīng)，負(fù)極板上的棉絮狀活性物質(zhì)Pb，在放電時(shí)得到負(fù)電子，氧化成PbSO4，附著在極板上，充電時(shí)PbSO4失去負(fù)離子，還原成Pb晶體。正負(fù)電極在充電放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，可以用化學(xué)方程式表示如下：

Pb(負(fù))+2H2SO4+PbO2(正)≒PbSO4(負(fù))+2H2O+ PbSO4(正)

離子不上岸，電子不下水。正負(fù)電極上的活性物質(zhì)在循環(huán)往復(fù)的充電放電過(guò)程中會(huì)逐漸失去活性，特別是正極板上的PbO2活性物質(zhì)，因?yàn)槠鋬?nèi)在結(jié)合力明顯不如負(fù)極板的Pb，為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，正極板及正極柱在設(shè)計(jì)和制作階段都進(jìn)行了加厚、加粗處理。接入蓄電池負(fù)極的線束端套采用黑色標(biāo)識(shí)，正極釆用紅色標(biāo)識(shí)，以示區(qū)別。美中不足的是，發(fā)電機(jī)供應(yīng)商以鮮紅色對(duì)正極電纜端套進(jìn)行了標(biāo)志，雖然標(biāo)志得很專業(yè)，但“紅與黑”的技術(shù)語(yǔ)言不如直接了當(dāng)?shù)奈淖痔崾靖鼫剀案苡?。所以，?jīng)常發(fā)生接入錯(cuò)誤。實(shí)踐證明，諸如“接入電池正極(負(fù)極)”之類的小貼士很有必要。

2.2 正負(fù)極之忌

正電極與負(fù)電極雖然是天生的一對(duì)，但個(gè)性迥異。由蓄電池充電放電原理可以看岀，正負(fù)電極之間，確實(shí)不能互換，如果極性接反，很容易引起內(nèi)亂——該氧化的不能氧化，該還原的不能還原，充電放電，也就成了空談。

另一方面，電池電極搭鐵，是低壓電氣的一種設(shè)計(jì)技巧。因?yàn)榫丸F搭鐵，可以在單線制的條件下就近形成安全回路——省線省電時(shí)間。至于選擇負(fù)極搭鐵，只是一個(gè)約定俗成的設(shè)計(jì)慣例。傳統(tǒng)的有線通訊網(wǎng)絡(luò)就采用了正極搭鐵機(jī)制。習(xí)慣成自然，規(guī)矩定方圓。重型專用車(chē)電氣系統(tǒng)配線圖普遍要求，發(fā)電機(jī)搭鐵線必須貫穿尼龍軟管和端套，壓裝OT20—12銅鼻接頭，與蓄電池負(fù)極緊密對(duì)接。

因?yàn)檎龢O接線柱比負(fù)極稍粗一些，所以，正極接頭的口徑也比搭鐵線的接頭稍大一些。從外觀顏色到銅鼻接口口徑的這些個(gè)性化設(shè)計(jì)，目的就是各就各位。

2.3 串并聯(lián)之鏈

發(fā)電機(jī)與蓄電池的配置關(guān)系是并聯(lián)關(guān)系。以他勵(lì)發(fā)電機(jī)為例(圖1)，發(fā)電機(jī)與蓄電池的互動(dòng)活動(dòng)經(jīng)歷了3個(gè)階段：

⑴發(fā)電機(jī)起動(dòng)階段

發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，蓄電池供應(yīng)的直流電在驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)的同時(shí)，還為發(fā)電機(jī)的磁極繞組提供勵(lì)磁電流，起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

⑵發(fā)電機(jī)充電階段

發(fā)電機(jī)起動(dòng)后，直接輸出交流電能，電樞電壓也隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，在增加到設(shè)定電壓時(shí)，還通過(guò)整流裝置輸出直流電，向蓄電池補(bǔ)充電能。

⑶發(fā)電機(jī)運(yùn)行階段

發(fā)電機(jī)與蓄電池互補(bǔ)互動(dòng)，通過(guò)控制裝置，為專用車(chē)輛的用電系統(tǒng)提供交流直流兩套供電系統(tǒng)。

蓄電池的正負(fù)極一旦與發(fā)電機(jī)對(duì)接錯(cuò)誤，兩者就變成了串聯(lián)關(guān)系。雖然電源串聯(lián)時(shí)增加回路電壓，不增加容量，但卻增加能量。

能量從高能量能源設(shè)備向低能量設(shè)備流動(dòng)的能量再平衡過(guò)程中，又同時(shí)向回路放電。

蓄電池與發(fā)電機(jī)串聯(lián)后，2個(gè)電源的電壓向搭鐵線束及勵(lì)磁繞組加載。而繞組與線束的阻抗又相當(dāng)有限，所以回路會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流沖擊。這對(duì)他勵(lì)發(fā)電機(jī)而言，如果是無(wú)刷自勵(lì)發(fā)電機(jī)，回路中沒(méi)有繞組接入，則是一種短路狀態(tài)，電流沖擊將會(huì)更猛烈更強(qiáng)大。

大電流導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱，直至起火燃燒。不僅如此，沖擊電流產(chǎn)生極大的電磁力，還有可能使磁極勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部溫度變形，甚至拉斷。

圖1 發(fā)電機(jī)與蓄電池的并聯(lián)關(guān)系

3 信號(hào)線

信號(hào)線又稱通信線，是傳感器感應(yīng)信息傳輸?shù)絻x表、顯示器或計(jì)算機(jī)的信號(hào)通道。

傳統(tǒng)的信號(hào)線千頭萬(wàn)緒，縱橫交錯(cuò)，經(jīng)過(guò)線束配線，配置成了一個(gè)由總線束及分線束組成的線束體系。為了加入線束體系，減少線路交叉，許多獨(dú)立信號(hào)線舍近求遠(yuǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最后形成了一個(gè)笨重而又昂貴的信號(hào)線網(wǎng)。1980年，德國(guó)博世公司研發(fā)的控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network，縮寫(xiě)為CAN)技術(shù)獲得成功，與方興未艾的計(jì)算機(jī)技術(shù)并駕齊驅(qū)，開(kāi)辟了車(chē)輛總線系統(tǒng)的一個(gè)嶄新時(shí)代。

CAN是一種雙線串行通信標(biāo)準(zhǔn)總線，其物理結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電路及電路節(jié)點(diǎn)上的控制器(Electronic Control Unit，縮寫(xiě)為ECU)、收發(fā)器組成(如圖2)。驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)功率決定了連接到總線的ECU總?cè)萘浚嚎偩€總長(zhǎng)可達(dá)40 m至10 000 m，ECU總量可以達(dá)到110個(gè)。串行通信原理的特點(diǎn)是，任何節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)候向任何其余節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，再加上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898定義的高速CAN收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)，CAN快速靈活的通信方式很快得到了業(yè)界公認(rèn)。