Med den hurtige udvikling af bilindustrien stiger kompleksiteten af ​​elektroniske bilsystemer konstant, og kravene til kommunikationssystemer bliver stadig strengere. Fiberoptiske seler, som en avanceret signaltransmissionsbærer, bliver brugt mere og mere udbredt i bilindustrien. Fiberoptik, med dens fordele ved høj hastighed, høj pålidelighed, lavt tab og modstandsdygtighed over for elektromagnetisk interferens, ændrer gradvist den måde, data transmitteres på i biler, hvilket viser et enormt anvendelsespotentiale inden for bilkommunikation. Denne artikel diskuterer de grundlæggende egenskaber ved fiberoptiske seler og deres anvendelser i biler, analyserer deres fordele og udviklingsmuligheder.
Med bilteknologiens stigende intelligens og tilslutningsmuligheder vokser efterspørgslen efter kommunikation og datatransmission, hvilket gør sikkerheden og stabiliteten af ​​elektroniske kommunikationssystemer i køretøjer til et centralt forskningsfokus. Fiberoptisk kommunikationsteknologi, som en avanceret kommunikationsteknologi, giver nye ideer til udvikling af elektroniske kommunikationssystemer i køretøjer. Denne artikel analyserer egenskaberne ved fiberoptisk kommunikationsteknologi, undersøger dens anvendelser i fremtidige biler fra flere perspektiver, udforsker dens fordele og forudsiger dens udviklingstendenser.

1. Teknisk oversigt over fiberoptiske seler

Fiberoptiske kabler bruger lysbølger som bærere og optiske fibre som transmissionsmediet, hvilket giver fordele som høj hastighed, høj pålidelighed, lavt tab og modstand mod elektromagnetisk interferens. Deres transmissionshastigheder er langt højere end traditionelle kobberledninger eller koaksialkabler, og opfylder kravene til højvolumen, realtidskommunikation i køretøjssystemer. Den fiberoptiske kommunikationsforbindelse består primært af optiske stik og fiberoptiske bærere for at opnå højhastighedssignaltransmission.
①Fiberoptisk stik
Fiberoptiske stik er passive optiske enheder, der muliggør bevægelige forbindelser mellem optiske fibre. De består hovedsageligt af fiberforstærkning, fiberjustering, fleksibel sammenkobling, konnektorlåsning, kabelfiksering, ferrule-anti-rotation og kabelbuffer (se figur 1). Fiberoptiske konnektorer bruger typisk keramiske hylstre og keramiske hylstre til fiberjustering, med fjedre, der sikrer fleksibel sammenkobling af hylstrenes ender. Før sammenkobling er fjederen i en forkomprimeret tilstand, hvilket forhindrer ferrulen i at bevæge sig på grund af låsekraft. Under sammenkoblingen genererer ferrul-tilbagetrækningen sekundær kompression, der fører fjederkraften tilbage til ferrulen, hvilket sikrer, at de to sammenkoblede ferrules forbliver i kontakt og presses sammen under hele parringsprocessen.

②Optisk fiberleder
Optiske fibre er cylindriske og består hovedsageligt af en kerne, beklædning og belægning (se figur 2). Transmissionsprincippet for optiske fibre udnytter fænomenet total intern refleksion. Det vil sige, at når lys falder ind fra et optisk tættere medium (med et relativt højt brydningsindeks) til et optisk mindre tæt medium (med et relativt lavt brydningsindeks), hvis indfaldsvinklen er større end den kritiske vinkel for total indre refleksion, vil lyset ikke længere brydes, men vil blive fuldstændigt reflekteret tilbage i det oprindelige medium, hvilket sikrer, at det optiske signal kan udbredes i det optiske signal.

Optisk fiber har følgende egenskaber:
(1) Høj transmissionshastighed, lang afstand og højt indhold: Optisk fiber har en meget høj transmissionshastighed, kan transmittere data over lange afstande og kan transmittere en stor mængde data på samme tid.
(2) Ikke påvirket af elektromagnetisk interferens: Optisk fiber transmitterer optiske signaler og påvirkes ikke af elektromagnetiske bølger, så signalkvaliteten er mere stabil.
(3) Bred båndbredde: Optisk fiber har en meget bred båndbredde, som kan understøtte højhastighedsdatatransmission.
(4) Lavt tab: Transmissionstabet af optisk fiber er meget lavt, og teoretisk kan det transmittere hundredvis af kilometer eller endda længere afstande uden tab af signalkvalitet.
(5) Høj sikkerhed: Optisk fibertransmission genererer ikke elektromagnetisk stråling og kan ikke aflyttes af eksterne elektromagnetiske bølger, så det er mere velegnet til nogle scenarier med høje datasikkerhedskrav.
(6) Lille størrelse og let vægt: Sammenlignet med traditionelle kobberkabler er optisk fiber mindre og lettere, hvilket gør det lettere at implementere og vedligeholde. Denne fordel er endnu mere indlysende i store kommunikationsnetværk.

2.Fordele ved fiberoptiske seler i intelligente bilapplikationer

Når transmissionshastigheden for kobbertråde når 10 GB/s eller mere, vil der være behov for tykkere kobberledninger for at opfylde hastighedskravene. Men i billayoutmiljøet fører fortykkelsen af ​​kobbertråde til en stigning i køretøjets vægt og omkostningerne ved køretøjet, som ikke kan opfylde kravene til højhastigheds- og lavvægtslayoutmiljøet for køretøjet. Fiberoptisk kabelteknologi kan forbedre kommunikationskvaliteten og pålideligheden betydeligt og reducere elektromagnetisk interferens uden at tilføje ekstra vægt, hvilket forbedrer køretøjets sikkerhed og stabilitet.
(1) Transmissionshastigheden for fiberoptiske kabler er meget højere end for traditionelle kobberledninger eller koaksialkabler. Den kan transmittere millioner af megabyte data pr. sekund, hvilket kan opfylde moderne bilers kommunikationsbehov for stor datavolumen og høj realtidsydelse. Den højeste hastighed af traditionelle kobbertrådsnetværk kan kun nå 10GB/s, hvilket er svært at opfylde kravene til højhastighedstransmission.
(2) Transmissionstabet af optisk fiber er ekstremt lavt. Kilometertabet er normalt mindre end 0,0035 dB/m, hvilket kan sikre, at signalet holder en høj kvalitet ved langdistancetransmission. Derimod er transmissionstabet i traditionelle kobbertrådsnetværk 0,5 dB/m, hvilket er stort ved langdistancetransmission.
(3) Optisk fiberkommunikationsteknologi bruger lysbølger til at transmittere signaler i optiske fibre, som har betydelig immunitet over for elektromagnetisk interferens sammenlignet med traditionel kobbertrådstransmission.
(4) Sammenlignet med traditionelle metaltråde kan plastoptisk fiber (POF), som en type optisk fiber til biler, reducere køretøjets vægt betydeligt og forbedre køretøjets økonomi.

3. Anvendelsesscenarier for fiberoptiske seler i biler

Fiberoptiske seler er i øjeblikket meget udbredt inden for medicin, kommunikation, internettet og industri. Deres anvendelse inden for bilindustrien står imidlertid over for flere udfordringer, herunder mangel på grundlæggende teoretiske grundlag, tekniske specifikationer og standarder, uklare teststandarder og mangel på praktisk erfaring i bilapplikationer.

①Anvendelse af fiberoptiske kabelbundter i installationsområder
Brugen af ​​fiberoptiske seler i biler adskiller sig fra brugen på andre områder, og de miljømæssige egenskaber i brugsområdet skal tages i betragtning. For eksempel er vibrationskrav involveret i områder som motor og chassis; vandtæt ydeevne skal overvejes i områder som motorrummet og undervognen; og højtemperaturydelseskrav til fiberoptiske ledere og konnektorer skal tages i betragtning i højtemperaturområder. Ifølge de forskellige brugsmiljøer for biler kan layoutområderne for hele køretøjet groft opdeles i våde områder, potentielt våde områder og tørre områder.
(1) Våde områder henviser til områder, hvor ledninger og konnektorer sandsynligvis vil komme i kontakt med væsker i normale brugsscenarier, såsom ledningsforbindelser i områder uden for kabinen, såsom chassiset og motorrummet. I regn- eller snevejr vil disse områder i et vist omfang komme i kontakt med forskellige væsker, uanset om det er under kørsel eller parkeret.
(2) Potentielt våde områder refererer til områder, hvor ledningsforbindelser kan komme i kontakt med væsker i visse daglige brugsscenarier, såsom når døre åbnes i regn, vandkopper spildes, frosne genstande smelter eller kondens drypper. Eksempelvis kabinegulv, dørarmlæn, sædeflader mv.
(3) Absolut tørre områder henviser til områder, hvor ledningsnettets konnektorer sandsynligvis ikke kommer i kontakt med væsker under normale køretøjsbrugsscenarier, såsom det indvendige af instrumentbrættet og det indre af loftsbeklædningen. Det skal bemærkes, at kravene til vandtæt tætning for ledningsnetforbindelser falder sekventielt fra våde områder, potentielt våde områder til tørre områder.

②Løsninger til påføring af fiberoptiske ledninger
Ud over at opfylde kravene til elektrisk ydeevne kræver anvendelsen af ​​fiberoptiske kabler i biler ofte opfyldelse af kravene til mekanisk ydeevne. Det er nødvendigt at overveje temperaturklassificeringen, vibrationskravene og kravene til vandtæthed for de fiberoptiske kabler. Løsningerne er som følger:
(1) Fiberoptiske kabler: For det første udføres varmeafledningsdesign ved at vælge højtemperaturbestandige materialer og optimere det overordnede køretøjslayout. For eksempel vælges højtemperaturbestandige trådmaterialer som silikonetråd og XLPE-tråd. Disse materialer kan opretholde isolering i højtemperaturmiljøer. For det andet anvendes specielle processer, såsom dobbeltlagsbelægning og ultraviolet hærdningsteknologi. Endelig er layoutet i køretøjet optimeret. For eksempel undgår ledningsnettets layout motorens udstødningsrørsvej og højtemperatur-hvirvelområdet. Et mere optimeret layout opnås gennem termisk styring.
Samtidig kan højtemperaturbestandig varmeisoleringsindpakning også bruges i køretøjets ledningslayout. For eksempel bruges højtemperaturbestandigt aluminiumsfolie glasfiberrør til at pakke ydersiden af ​​det fiberoptiske kabel, hvilket effektivt kan sikre brugen af ​​fiberoptiske kabler i højtemperaturmiljøer i køretøjer og forbedre ældningsmodstanden.
Samtidig, for at sikre, at fiberoptiske kabler kan bruges i fugtige omgivelser, kan det optiske kabel også designes med en flerlags beskyttelsesstruktur for effektivt at være vandtæt. Specifikt er det yderste lag af det optiske kabel sædvanligvis en plastkappe. Denne kappe giver ikke kun mekanisk beskyttelse, men har også en vis vandtæt funktion. Inde i plastkappen er en metalkappe, som yderligere forbedrer det optiske kabels trykmodstand og vandtætningsevne. Inden i metalkappen er der et vandkvældende barrierelag, en afgørende barriere mod fugtindtrængning. Hvis fugt trænger ind, udvider barrierelaget sig hurtigt, forsegler indtrængningsvejen og forhindrer yderligere spredning. Kabelkernen indeholder også vandtætningsforanstaltninger. Den optiske fiber er tæt pakket ind i fedt og bundet til andre komponenter i kernen. Dette fedt smører ikke kun, men, endnu vigtigere, absorberer og låser spormængder af fugt inde i kernen, hvilket forhindrer skade på fiberen.
Gennem denne flerlags beskyttende struktur kan det optiske kabel opretholde fiberens tørhed og stabilitet i forskellige barske miljøer, hvilket sikrer en jævn transmission af kommunikationssignaler. For eksempel opfylder kvarts-multimode-fiberen i den optiske seleløsning til biler frigivet af Yangtze Optical Fiber and Cable standarder for automotive-kvalitet med hensyn til bøjning (radius 10 mm), trækstyrke (150 N), temperaturegenskaber (-40 ℃~125 ℃), ældning (125 ℃), (125 ℃), og 30 ℃).
(2) Fiberoptiske konnektorer: De vigtigste metoder til at forbedre temperaturmodstanden af ​​fiberoptiske konnektorer omfatter design af varmeafledningsstrukturer og valg af højtemperaturbestandige materialer. Gennem et rimeligt varmeafledningsdesign og brug af højtemperaturbestandige materialer kan ydeevnen og levetiden af ​​fiberoptiske stik i højtemperaturmiljøer forbedres effektivt. For det første er design af en varmeafledningsstruktur nøglen til at forbedre temperaturmodstanden af ​​fiberoptiske konnektorer. Fiberoptiske stik genererer varme under drift; et rimeligt varmeafledningsdesign kan hjælpe med at reducere stikkets temperatur og sikre dets stabile drift.

Her er de specifikke metoder:
① Reserve metalkomponenter til at overføre varme og hjælpe med varmeafledning.
② Design varmeafledningsfinner: Inkorporer varmeafledningsfinnerne i forbindelsesskallen for at give bedre luftkontakt og varmeafledning gennem ventilatorer eller naturlig vind.
③ Brug en metalskal: Brug metalmaterialer med bedre varmeafledningsevne for at forbedre varmeafledningseffektiviteten. For det andet er valg af højtemperaturbestandige materialer også afgørende for at forbedre temperaturmodstanden af ​​fiberoptiske konnektorer.
Almindelige materialer er tilbøjelige til at ældes eller deformeres i højtemperaturmiljøer, mens højtemperaturbestandige materialer er bedre i stand til at modstå virkningerne af høje temperaturer.
① Teknisk plast af høj kvalitet: Brug højkvalitets ingeniørplast, der er modstandsdygtigt over for mellem- og lave temperaturer, til at konstruere forbindelsesskallen og den indre struktur, hvilket forbedrer den generelle temperaturmodstand.
② Særlige legeringsmaterialer: Brug specielle legeringsmaterialer til at konstruere nøglekomponenter i forbindelsesstykket, hvilket forbedrer deres modstand mod høje temperaturer og deformationsmodstand. For eksempel tilbyder Lytas Optics berøringsfrie optiske stik, som har højere parringsrepeterbarhed, længere parringslevetid, lavere parringstab og lavere støvfølsomhed sammenlignet med traditionelle optiske stik.
③ Krympeslange kan bruges til vandtætning: Påfør varmekrympeslange på tilslutningsområdet, og brug en varmekrympeslange til at krympe slangen. Funktionen af ​​krympeslange er at beskytte optiske fibre og forhindre fugt og forurenende stoffer i at trænge ind. Sørg for, at krympeslangen passer tæt mod konnektoren og den optiske fiber uden mellemrum. Påfør en passende mængde tætningsmiddel på ydersiden af ​​varmekrympeslangen for at forbedre konnektorens vandtætte ydeevne. Sørg for, at tætningsmidlet påføres jævnt og udfylder alle mulige huller og porer, vent på, at tætningsmidlet tørrer og hærder, og udfør derefter tætningsbehandling. (3) Højhastighedsforbindelse opnås gennem optisk fiber, og den elektriske forbindelsesport er ansvarlig for strømforsyningen til sensoren. Sammenfattende har optisk fiberkommunikationsteknologi brede anvendelsesmuligheder og et stort potentiale i køretøjskommunikationssystemer. I fremtiden vil optisk fiberkommunikationsteknologi fortsætte med at udnytte sine unikke fordele og yde stærk støtte til udviklingen af ​​elektroniske kommunikationssystemer til køretøjer. Samtidig vil omkostningerne ved optisk fiberkommunikation i køretøjsapplikationer blive yderligere reduceret med de kontinuerlige fremskridt og innovation af teknologi og den løbende forbedring af skalaen, løsningerne vil blive mere modne, og det vil blive den foretrukne løsning til løsning af højhastighedskommunikationsbehov i udviklingen af ​​intelligente køretøjer.

4.Konklusion

Udviklingen af ​​intelligente køretøjer stiller krav til kommunikationssystemer, der kræver høj hastighed, lavt tab og stærk interferensmodstand. Sammenlignet med kobbertråde til biler tilbyder fiberoptiske kommunikationsledninger flere fordele. Dette papir analyserer kort anvendelsesscenarierne for fiberoptiske bundter og tilsvarende løsninger. Med udviklingen af ​​intelligente køretøjer vil fiberoptik til biler blive meget brugt i biler.
(Kilde: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Forfatter: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Ledningsnet Kina. 2026, 5)