S brzim razvojem automobilske industrije, kompleksnost automobilskih elektronskih sistema se stalno povećava, a zahtjevi za komunikacijskim sistemima postaju sve stroži. Optička vlakna, kao napredni nosač signala, sve se više koriste u automobilskoj industriji. Optika, sa svojim prednostima velike brzine, visoke pouzdanosti, malih gubitaka i otpornosti na elektromagnetne smetnje, postupno mijenja način na koji se podaci prenose u automobilima, pokazujući ogroman potencijal primjene u području automobilske komunikacije. Ovaj članak govori o osnovnim karakteristikama optičkih snopova i njihovoj primjeni u automobilima, analizirajući njihove prednosti i izglede za razvoj.
Sa povećanjem inteligencije i povezanosti automobilske tehnologije, potražnja za komunikacijom i prijenosom podataka raste, što sigurnost i stabilnost elektronskih komunikacijskih sistema u vozilu čini ključnim fokusom istraživanja. Optička komunikaciona tehnologija, kao napredna komunikaciona tehnologija, daje nove ideje za razvoj elektronskih komunikacionih sistema u vozilu. Ovaj rad analizira karakteristike optičke komunikacione tehnologije, ispituje njenu primjenu u budućim automobilima iz više perspektiva, istražuje njene prednosti i predviđa razvojne trendove.

1.Tehnički pregled kablova za optička vlakna

Optički kablovi koriste svjetlosne valove kao nosioce i optička vlakna kao prijenosni medij, nudeći prednosti kao što su velika brzina, visoka pouzdanost, mali gubici i otpornost na elektromagnetne smetnje. Njihove brzine prijenosa su daleko veće od tradicionalnih bakrenih žica ili koaksijalnih kablova, zadovoljavajući zahtjeve za komunikaciju u stvarnom vremenu velikog obima sistema u vozilu. Optička komunikaciona veza se prvenstveno sastoji od optičkih konektora i optičkih nosača kako bi se postigao prijenos signala velike brzine.
①Optički konektor
Optički konektori su pasivni optički uređaji koji omogućavaju pokretne veze između optičkih vlakana. Oni se uglavnom sastoje od ojačanja vlaknima, poravnanja vlakana, fleksibilnog spajanja, zaključavanja konektora, fiksacije kabla, sprečavanja rotacije ferula i puferovanja kablova (vidi sliku 1). Optički konektori obično koriste keramičke navlake i keramičke navlake za poravnanje vlakana, s oprugama koje osiguravaju fleksibilno spajanje krajeva ferule. Prije parenja, opruga je u prethodno komprimiranom stanju, sprječavajući pomicanje ferule zbog sile zaključavanja. Tokom parenja, povlačenje ferule stvara sekundarnu kompresiju, vraćajući silu opruge na ferulu, osiguravajući da dva spojna ferula ostanu u kontaktu i pritisnuta zajedno tokom cijelog procesa parenja.

② Provodnik optičkih vlakana
Optička vlakna su cilindrična i uglavnom se sastoje od jezgre, omotača i prevlake (vidi sliku 2). Princip prijenosa optičkih vlakana koristi fenomen totalne unutrašnje refleksije. To jest, kada svjetlost upadne iz optički gušćeg medija (sa relativno visokim indeksom loma) u optički manje gustu sredinu (sa relativno niskim indeksom loma), ako je upadni ugao veći od kritičnog ugla za ukupnu unutrašnju refleksiju, svjetlost se više neće prelamati, već će se potpuno reflektirati u izvorni optički medij, a da se može u potpunosti reflektirati u izvorni optički medij, curenje.

Optičko vlakno ima sljedeće karakteristike:
(1) Velika brzina prijenosa, velike udaljenosti i veliki sadržaj: Optičko vlakno ima vrlo veliku brzinu prijenosa, može prenositi podatke na velike udaljenosti i može prenositi veliku količinu podataka u isto vrijeme.
(2) Nije pod utjecajem elektromagnetnih smetnji: optičko vlakno prenosi optičke signale i na njega ne utiču elektromagnetni valovi, tako da je kvalitet signala stabilniji.
(3) Široki propusni opseg: Optičko vlakno ima vrlo širok propusni opseg, koji može podržati prijenos podataka velikom brzinom.
(4) Niski gubici: Gubitak prijenosa optičkih vlakana je vrlo nizak i teoretski može prenositi stotine kilometara ili čak veće udaljenosti bez gubitka kvalitete signala.
(5) Visoka sigurnost: Prijenos optičkim vlaknima ne stvara elektromagnetno zračenje i ne može ga prisluškivati ​​vanjski elektromagnetni valovi, tako da je prikladniji za neke scenarije s visokim zahtjevima sigurnosti podataka.
(6) Mala veličina i mala težina: U poređenju sa tradicionalnim bakrenim kablovima, optičko vlakno je manje i lakše, što ga čini lakšim za postavljanje i održavanje. Ova prednost je još očiglednija u komunikacijskim mrežama velikih razmjera.

2. Prednosti optičkih pojaseva u inteligentnim automobilskim aplikacijama

Kada brzina prijenosa bakrenih žica dostigne 10GB/s ili više, bit će potrebne deblje bakrene žice da bi se ispunili zahtjevi brzine. Međutim, u okruženju automobilskog rasporeda, zadebljanje bakrenih žica dovodi do povećanja težine vozila i cijene vozila, što ne može zadovoljiti zahtjeve okruženja rasporeda vozila velike brzine i male težine. Tehnologija optičkih kablova može značajno poboljšati kvalitet i pouzdanost komunikacije i smanjiti elektromagnetne smetnje bez dodavanja dodatne težine, čime se poboljšava sigurnost i stabilnost vozila.
(1) Brzina prenosa optičkog kabla je mnogo veća od one kod tradicionalnih bakrenih žica ili koaksijalnih kablova. Može prenositi milione megabajta podataka u sekundi, što može zadovoljiti komunikacijske potrebe modernih automobila za veliku količinu podataka i visoke performanse u realnom vremenu. Najveća brzina tradicionalnih bakrenih žičanih mreža može doseći samo 10GB/s, što je teško ispuniti zahtjeve prijenosa velike brzine.
(2) Gubitak prijenosa optičkih vlakana je izuzetno nizak. Gubitak po kilometru je obično manji od 0,0035 dB/m, što može osigurati održavanje visokog kvaliteta signala tokom prijenosa na velike udaljenosti. Nasuprot tome, gubitak u prijenosu tradicionalnih mreža bakrenih žica iznosi 0,5 dB/m, što je veliko tokom prijenosa na velike udaljenosti.
(3) Tehnologija komunikacije optičkim vlaknima koristi svjetlosne valove za prijenos signala u optičkim vlaknima, koja imaju značajan imunitet na elektromagnetne smetnje u poređenju sa tradicionalnim prijenosom bakrene žice.
(4) U poređenju sa tradicionalnim metalnim žicama, plastična optička vlakna (POF), kao vrsta automobilskih optičkih vlakana, mogu značajno smanjiti težinu vozila i poboljšati ekonomičnost vozila.

3. Scenariji primjene optičkih kablova u automobilima

Optički pojasevi se trenutno široko koriste u oblastima medicine, komunikacija, interneta i industrije. Međutim, njihova primjena u automobilskoj oblasti suočava se s nekoliko izazova, uključujući nedostatak osnovnih teorijskih osnova, tehničkih specifikacija i standarda, nejasne standarde testiranja i nedostatak praktičnog iskustva u primjeni u automobilskoj industriji.

①Primjena snopova optičkih kabela u područjima primjene
Upotreba optičkih kablova u automobilima razlikuje se od one u drugim oblastima, a ekološke karakteristike područja upotrebe moraju se u potpunosti uzeti u obzir. Na primjer, zahtjevi za vibracijama su uključeni u područja kao što su motor i šasija; vodootporne performanse treba uzeti u obzir u oblastima kao što su motorni prostor i donji stroj; i zahtjeve za visokotemperaturnim performansama optičkih provodnika i konektora treba uzeti u obzir u područjima s visokom temperaturom. U skladu sa različitim okruženjima upotrebe automobila, površine čitavog vozila mogu se grubo podijeliti na vlažne, potencijalno vlažne i suhe.
(1) Vlažna područja se odnose na područja gdje je vjerovatno da će žice i konektori doći u kontakt s tekućinama u uobičajenim scenarijima upotrebe, kao što su konektori kabelskog svežnja u područjima izvan putničkog prostora kao što su šasija i motorni prostor. Po kišnom ili snježnom vremenu, ova područja će u određenoj mjeri doći u kontakt sa raznim tečnostima, bilo tokom vožnje ili kada su parkirani.
(2) Potencijalno vlažna područja odnose se na područja u kojima konektori kabelskog svežnja mogu doći u kontakt s tekućinama u određenim scenarijima svakodnevne upotrebe, kao što su kada se vrata otvore na kiši, prolije se čaše za vodu, tope se smrznuti predmeti ili kaplje kondenzacija. Na primjer, pod putničkog prostora, nasloni za ruke na vratima, površine sedišta itd.
(3) Apsolutno suva područja odnose se na područja u kojima je malo vjerovatno da će konektori kabelskog svežnja doći u kontakt s tekućinama pod uobičajenim scenarijima korištenja vozila, kao što su unutrašnjost kontrolne ploče i unutrašnjost krovne obloge. Treba napomenuti da se zahtjevi vodootpornog zaptivanja za konektore kabelskog svežnja smanjuju uzastopno od vlažnih područja, potencijalno vlažnih do suhih područja.

②Rešenja za primenu optičkih kablova
Osim ispunjavanja zahtjeva za električne performanse, primjena optičkih kablova u automobilima često zahtijeva ispunjavanje zahtjeva mehaničkih performansi. Neophodno je uzeti u obzir temperaturnu ocjenu, zahtjeve za vibracije i zahtjeve vodootpornosti optičkih kablova. Rješenja su sljedeća:
(1) Kablovi sa optičkim vlaknima: Prvo, dizajn odvođenja topline se izvodi odabirom materijala otpornih na visoke temperature i optimizacijom cjelokupnog rasporeda vozila. Na primjer, odabrani su žičani materijali otporni na visoke temperature kao što su silikonska žica i XLPE žica. Ovi materijali mogu održati izolaciju u okruženjima s visokim temperaturama. Drugo, koriste se posebni procesi, kao što su dvoslojni premaz i tehnologija ultraljubičastog očvršćavanja. Konačno, raspored u vozilu je optimiziran. Na primjer, raspored kabelskog svežnja izbjegava put izduvne cijevi motora i područje visokotemperaturnog vrtloga. Optimizovaniji raspored dobija se kroz upravljanje toplotom.
Istovremeno, toplotno izolacijski omotač otporan na visoke temperature može se koristiti i u rasporedu ožičenja vozila. Na primjer, cijev od stakloplastike otporne na visoke temperature se koristi za omotavanje vanjskog dijela optičkog kabela, što može efikasno osigurati upotrebu optičkih kablova u okruženjima visoke temperature u vozilima i poboljšati otpornost vozila.
Istovremeno, kako bi se osiguralo da se optički kablovi mogu koristiti u vlažnim sredinama, optički kabel može biti dizajniran sa višeslojnom zaštitnom strukturom za efikasnu vodootpornost. Konkretno, krajnji vanjski sloj optičkog kabela je obično plastični omotač. Ovaj omotač ne samo da pruža mehaničku zaštitu već ima i određenu vodootpornu funkciju. Unutar plastičnog omotača nalazi se metalni omotač, koji dodatno povećava otpornost optičkog kabla na pritisak i sposobnost vodonepropusnosti. Unutar metalnog omotača nalazi se zaštitni sloj koji bubri u vodi, što je ključna barijera protiv prodiranja vlage. Ako vlaga prodre, sloj barijere se brzo širi, zatvarajući ulazni put i sprječavajući dalje širenje. Jezgro kabla također uključuje mjere hidroizolacije. Optičko vlakno je čvrsto umotano u mast i vezano za druge komponente unutar jezgre. Ova mast ne samo da podmazuje, već, što je još važnije, upija i zadržava vlagu u tragovima unutar jezgre, sprečavajući oštećenje vlakana.
Kroz ovu višeslojnu zaštitnu strukturu, optički kabel može održati suhoću i stabilnost vlakna u različitim teškim okruženjima, osiguravajući nesmetan prijenos komunikacijskih signala. Na primjer, kvarcno višemodno vlakno u rješenju optičkog svežnja za automobile koje je objavila Yangtze Optical Fiber and Cable zadovoljava standarde za automobilsku industriju u smislu savijanja (radijus 10 mm), vlačne čvrstoće (150 N), temperaturnih karakteristika (-40 ℃~125 ℃), starenja (125 ℃ i 30 ℃).
(2) Konektori sa optičkim vlaknima: Glavne metode za poboljšanje temperaturne otpornosti optičkih konektora uključuju dizajniranje struktura za rasipanje topline i odabir materijala otpornih na visoke temperature. Kroz razuman dizajn disipacije toplote i upotrebu materijala otpornih na visoke temperature, performanse i životni vek konektora sa optičkim vlaknima u okruženjima sa visokim temperaturama mogu se efikasno poboljšati. Prvo, dizajniranje strukture za rasipanje topline ključno je za poboljšanje temperaturne otpornosti optičkih konektora. Optički konektori stvaraju toplinu tokom rada; razuman dizajn odvođenja topline može pomoći u smanjenju temperature konektora i osigurati njegov stabilan rad.

Evo konkretnih metoda:
① Rezervirajte metalne komponente za prijenos topline i pomoć pri odvođenju topline.
② Dizajnirajte rebra za rasipanje toplote: Ugradite rebra za rasipanje toplote u školjku konektora kako biste omogućili bolji kontakt sa vazduhom i odvođenje toplote kroz ventilatore ili prirodni vetar.
③ Koristite metalni omotač: Koristite metalne materijale sa boljim performansama odvođenja toplote da biste poboljšali efikasnost odvođenja toplote. Drugo, odabir materijala otpornih na visoke temperature je također ključan za poboljšanje temperaturne otpornosti konektora optičkih vlakana.
Obični materijali su skloni starenju ili deformacijama u okruženjima na visokim temperaturama, dok materijali otporni na visoke temperature bolje podnose efekte visokih temperatura.
① Visokokvalitetna inženjerska plastika: Koristite visokokvalitetnu inženjersku plastiku otpornu na srednje i niske temperature za izradu školjke konektora i unutrašnje strukture, poboljšavajući ukupnu temperaturnu otpornost.
② Specijalni legirani materijali: Koristite posebne materijale od legure za izradu ključnih komponenti konektora, povećavajući njihovu otpornost na visoke temperature i deformacije. Na primjer, Lytas Optics nudi beskontaktne optičke konektore, koji imaju veću ponovljivost parenja, duži vijek trajanja parenja, manji gubitak pri parenju i nižu osjetljivost na prašinu u usporedbi s tradicionalnim optičkim konektorima.
③ Termoskupljajuća cijev se može koristiti za hidroizolaciju: Nanesite termoskupljajuću cijev na područje spajanja i koristite grijač toploskupljajuće cijevi da skupite cijev. Funkcija termoskupljajuće cijevi je zaštita optičkih vlakana i sprječavanje ulaska vlage i zagađivača. Uvjerite se da termoskupljajuća cijev čvrsto prianja uz konektor i optičko vlakno bez zazora. Nanesite odgovarajuću količinu zaptivača na vanjsku stranu termoskupljajuće cijevi kako biste poboljšali vodootporne performanse konektora. Uvjerite se da je zaptivač ravnomjerno nanesen i da popuni sve moguće praznine i pore, pričekajte da se zaptivač osuši i stvrdne, a zatim izvršite tretman zaptivanja. (3) Brza veza se postiže putem optičkih vlakana, a električni priključak je odgovoran za napajanje senzora. Ukratko, komunikacijska tehnologija optičkih vlakana ima široku perspektivu primjene i veliki potencijal u komunikacijskim sistemima vozila. U budućnosti, komunikaciona tehnologija optičkih vlakana će nastaviti da koristi svoje jedinstvene prednosti i pruža snažnu podršku razvoju elektronskih komunikacionih sistema vozila. Istovremeno, kontinuiranim napretkom i inovacijama tehnologije i kontinuiranim poboljšanjem obima, troškovi komunikacije optičkim vlaknima u aplikacijama u vozilima će se dodatno smanjiti, rješenja će postati zrelija i postat će preferirano rješenje za rješavanje potreba za brzim komunikacijama u razvoju inteligentnih vozila.

4. Zaključak

Razvoj inteligentnih vozila postavlja zahtjeve za komunikacione sisteme, koji zahtijevaju veliku brzinu, male gubitke i jaku otpornost na smetnje. U poređenju sa automobilskim bakrenim žicama, optičke komunikacijske žice nude nekoliko prednosti. Ovaj rad ukratko analizira scenarije primjene snopova optičkih vlakana i odgovarajuća rješenja. Sa razvojem inteligentnih vozila, automobilska optička vlakna će se široko koristiti u automobilima.
(Izvor: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Autor: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Institut za istraživanje automobilskog inženjerstva
[2] Ožičenje Kina. 2026, 5)