Mit der rasanten Entwicklung der Automobilindustrie nimmt die Komplexität elektronischer Systeme im Automobil stetig zu und die Anforderungen an Kommunikationssysteme werden immer höher. Glasfaserkabelbäume als fortschrittliche Signalübertragungsträger werden in der Automobilindustrie immer häufiger eingesetzt. Glasfaser mit ihren Vorteilen hoher Geschwindigkeit, hoher Zuverlässigkeit, geringem Verlust und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen verändert nach und nach die Art und Weise der Datenübertragung in Automobilen und zeigt ein enormes Anwendungspotenzial im Bereich der Automobilkommunikation auf. In diesem Artikel werden die grundlegenden Eigenschaften von Glasfaserkabelbäumen und ihre Anwendungen in Automobilen erläutert und ihre Vorteile und Entwicklungsperspektiven analysiert.
Mit der zunehmenden Intelligenz und Konnektivität der Automobiltechnik wächst der Bedarf an Kommunikation und Datenübertragung, wodurch die Sicherheit und Stabilität elektronischer Kommunikationssysteme im Fahrzeug zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt wird. Die Glasfaser-Kommunikationstechnologie als fortschrittliche Kommunikationstechnologie liefert neue Ideen für die Entwicklung elektronischer Kommunikationssysteme im Fahrzeug. Dieser Artikel analysiert die Eigenschaften der Glasfaser-Kommunikationstechnologie, untersucht ihre Anwendungen in zukünftigen Automobilen aus mehreren Perspektiven, untersucht ihre Vorteile und prognostiziert ihre Entwicklungstrends.

1.Technischer Überblick über Glasfaserkabelbäume

Glasfaserkabel nutzen Lichtwellen als Träger und optische Fasern als Übertragungsmedium und bieten Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, hohe Zuverlässigkeit, geringe Verluste und Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen. Ihre Übertragungsraten sind weitaus höher als bei herkömmlichen Kupferdrähten oder Koaxialkabeln und erfüllen die Anforderungen an die hochvolumige Echtzeitkommunikation von Fahrzeugsystemen. Die Glasfaserkommunikationsverbindung besteht hauptsächlich aus optischen Steckverbindern und Glasfaserträgern, um eine Hochgeschwindigkeitssignalübertragung zu erreichen.
①Glasfaserstecker
Glasfasersteckverbinder sind passive optische Geräte, die bewegliche Verbindungen zwischen Glasfasern ermöglichen. Sie bestehen hauptsächlich aus Faserverstärkung, Faserausrichtung, flexiblem Stecken, Steckerverriegelung, Kabelfixierung, Verdrehsicherung der Ferrule und Kabelpufferung (siehe Abbildung 1). Bei Glasfasersteckverbindern werden typischerweise Keramikhülsen und Keramikhülsen zur Faserausrichtung verwendet, wobei Federn für eine flexible Verbindung der Ferrulenenden sorgen. Vor dem Zusammenstecken befindet sich die Feder in einem vorkomprimierten Zustand, wodurch verhindert wird, dass sich die Ferrule aufgrund der Verriegelungskraft bewegt. Beim Zusammenstecken erzeugt das Zurückziehen der Ferrule eine sekundäre Kompression, die die Federkraft auf die Ferrule zurückführt und sicherstellt, dass die beiden passenden Ferrulen während des gesamten Steckvorgangs in Kontakt bleiben und zusammengepresst bleiben.

②Lichtwellenleiter
Optische Fasern sind zylindrisch und bestehen hauptsächlich aus Kern, Mantel und Beschichtung (siehe Abbildung 2). Das Übertragungsprinzip optischer Fasern nutzt das Phänomen der Totalreflexion. Das heißt, wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (mit einem relativ hohen Brechungsindex) in ein optisch weniger dichtes Medium (mit einem relativ niedrigen Brechungsindex) einfällt und der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel für die Totalreflexion ist, wird das Licht nicht mehr gebrochen, sondern vollständig in das ursprüngliche Medium zurückreflektiert, wodurch sichergestellt wird, dass sich das optische Signal in der optischen Faser ohne Leckage ausbreiten kann.

Optische Fasern haben folgende Eigenschaften:
(1) Hohe Übertragungsgeschwindigkeit, große Entfernung und hoher Inhalt: Glasfaser hat eine sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeit, kann Daten über große Entfernungen übertragen und eine große Datenmenge gleichzeitig übertragen.
(2) Keine Beeinträchtigung durch elektromagnetische Störungen: Glasfaser überträgt optische Signale und wird nicht durch elektromagnetische Wellen beeinflusst, sodass die Signalqualität stabiler ist.
(3) Große Bandbreite: Glasfaser verfügt über eine sehr große Bandbreite, die eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung unterstützen kann.
(4) Geringer Verlust: Der Übertragungsverlust von Glasfasern ist sehr gering und theoretisch können Hunderte von Kilometern oder sogar größere Entfernungen ohne Verlust der Signalqualität übertragen werden.
(5) Hohe Sicherheit: Die Übertragung über Glasfaser erzeugt keine elektromagnetische Strahlung und kann nicht von externen elektromagnetischen Wellen abgehört werden. Daher ist sie für einige Szenarien mit hohen Anforderungen an die Datensicherheit besser geeignet.
(6) Geringe Größe und geringes Gewicht: Im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln sind Glasfaserkabel kleiner und leichter, was ihre Bereitstellung und Wartung erleichtert. Dieser Vorteil wird in großen Kommunikationsnetzen noch deutlicher.

2. Vorteile von Glasfaserkabelbäumen in intelligenten Automobilanwendungen

Wenn die Übertragungsrate von Kupferkabeln 10 GB/s oder mehr erreicht, sind dickere Kupferkabel erforderlich, um die Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen. In der Automobil-Layoutumgebung führt die Verdickung der Kupferdrähte jedoch zu einem Anstieg des Fahrzeuggewichts und der Fahrzeugkosten, wodurch die Anforderungen der Hochgeschwindigkeits- und Leichtgewichts-Layoutumgebung des Fahrzeugs nicht erfüllt werden können. Die Glasfaserkabeltechnologie kann die Kommunikationsqualität und -zuverlässigkeit erheblich verbessern und elektromagnetische Störungen reduzieren, ohne dass zusätzliches Gewicht entsteht, wodurch die Sicherheit und Stabilität des Fahrzeugs verbessert wird.
(1) Die Übertragungsrate von Glasfaserkabeln ist viel höher als die von herkömmlichen Kupferdrähten oder Koaxialkabeln. Es kann Millionen Megabyte an Daten pro Sekunde übertragen und damit den Kommunikationsanforderungen moderner Automobile nach großem Datenvolumen und hoher Echtzeitleistung gerecht werden. Die höchste Geschwindigkeit herkömmlicher Kupferdrahtnetzwerke kann nur 10 GB/s erreichen, was den Anforderungen einer Hochgeschwindigkeitsübertragung nur schwer gerecht wird.
(2) Der Übertragungsverlust von Glasfasern ist äußerst gering. Der Verlust pro Kilometer beträgt normalerweise weniger als 0,0035 dB/m, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Signal bei der Übertragung über große Entfernungen eine hohe Qualität beibehält. Im Gegensatz dazu beträgt der Übertragungsverlust herkömmlicher Kupferdrahtnetze 0,5 dB/m, was bei der Übertragung über große Entfernungen sehr hoch ist.
(3) Die Glasfaserkommunikationstechnologie nutzt Lichtwellen zur Übertragung von Signalen in Glasfasern, was im Vergleich zur herkömmlichen Kupferdrahtübertragung eine erhebliche Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweist.
(4) Im Vergleich zu herkömmlichen Metalldrähten können Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) als eine Art Automobil-Lichtwellenleiter das Fahrzeuggewicht erheblich reduzieren und die Fahrzeugwirtschaftlichkeit verbessern.

3.Anwendungsszenarien von Glasfaserkabelbäumen in Automobilen

Glasfaserkabelbäume werden derzeit häufig in den Bereichen Medizin, Kommunikation, Internet und Industrie eingesetzt. Ihre Anwendung im Automobilbereich steht jedoch vor mehreren Herausforderungen, darunter fehlende grundlegende theoretische Grundlagen, technische Spezifikationen und Standards, unklare Prüfstandards und mangelnde praktische Erfahrung in Automobilanwendungen.

①Einsatz von Glasfaserkabelbündeln in Einsatzgebieten
Der Einsatz von Glasfaserkabelbäumen in Automobilen unterscheidet sich von dem in anderen Bereichen und die Umwelteigenschaften des Einsatzbereichs müssen umfassend berücksichtigt werden. Schwingungsanforderungen gibt es beispielsweise in Bereichen wie Motor und Fahrwerk; In Bereichen wie dem Motorraum und dem Fahrgestell muss die Wasserdichtigkeit berücksichtigt werden. In Hochtemperaturbereichen müssen die Anforderungen an die Hochtemperaturleistung von Glasfaserleitern und -anschlüssen berücksichtigt werden. Entsprechend den unterschiedlichen Nutzungsumgebungen von Automobilen können die Layoutbereiche des gesamten Fahrzeugs grob in Nassbereiche, potenzielle Nassbereiche und Trockenbereiche unterteilt werden.
(1) Nassbereiche beziehen sich auf Bereiche, in denen Kabel und Steckverbinder bei normalen Nutzungsszenarien wahrscheinlich mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen, z. B. Kabelbaumsteckverbinder in Bereichen außerhalb des Fahrgastraums, z. B. im Fahrgestell und im Motorraum. Bei regnerischem oder schneereichem Wetter kommen diese Bereiche teilweise mit verschiedenen Flüssigkeiten in Kontakt, sei es während der Fahrt oder beim Parken.
(2) Potenziell nasse Bereiche beziehen sich auf Bereiche, in denen Kabelbaumstecker in bestimmten Situationen des täglichen Gebrauchs mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen können, z. B. wenn Türen im Regen geöffnet werden, Wasserbecher verschüttet werden, gefrorene Gegenstände schmelzen oder Kondenswasser tropft. Zum Beispiel Fahrgastraumboden, Türarmlehnen, Sitzflächen usw.
(3) Absolut trockene Bereiche beziehen sich auf Bereiche, in denen die Kabelbaumanschlüsse bei normaler Fahrzeugnutzung wahrscheinlich nicht mit Flüssigkeiten in Kontakt kommen, wie z. B. die Innenseite des Armaturenbretts und die Innenseite des Dachhimmels. Es ist zu beachten, dass die Anforderungen an die wasserdichte Abdichtung von Kabelbaumsteckverbindern von Nassbereichen, potenziell Nassbereichen bis hin zu Trockenbereichen sukzessive abnehmen.

②Anwendungslösungen für Glasfaserkabelbäume
Neben der Erfüllung elektrischer Leistungsanforderungen erfordert der Einsatz von Glasfaserkabeln in Automobilen häufig auch die Erfüllung mechanischer Leistungsanforderungen. Es ist notwendig, den Temperaturbereich, die Vibrationsanforderungen und die Wasserdichtigkeitsanforderungen der Glasfaserkabel zu berücksichtigen. Die Lösungen lauten wie folgt:
(1) Glasfaserkabel: Zunächst erfolgt das Wärmeableitungsdesign durch die Auswahl hochtemperaturbeständiger Materialien und die Optimierung des gesamten Fahrzeuglayouts. Beispielsweise werden hochtemperaturbeständige Drahtmaterialien wie Silikondraht und XLPE-Draht ausgewählt. Diese Materialien können die Isolierung in Umgebungen mit hohen Temperaturen aufrechterhalten. Zweitens kommen spezielle Verfahren zum Einsatz, wie zum Beispiel die Doppelschichtbeschichtung und die UV-Härtungstechnologie. Abschließend wird die Anordnung im Fahrzeug optimiert. Beispielsweise wird durch die Kabelbaumanordnung der Weg des Motorabgasrohrs und der Hochtemperatur-Wirbelbereich vermieden. Durch das Wärmemanagement wird ein optimierteres Layout erreicht.
Gleichzeitig kann bei der Fahrzeugverkabelung auch eine hochtemperaturbeständige Wärmedämmummantelung verwendet werden. Beispielsweise wird ein hochtemperaturbeständiges Glasfaserrohr aus Aluminiumfolie verwendet, um die Außenseite des Glasfaserkabels zu umwickeln, wodurch die Verwendung von Glasfaserkabeln in Hochtemperaturumgebungen in Fahrzeugen wirksam sichergestellt und die Alterungsbeständigkeit verbessert werden kann.
Um gleichzeitig sicherzustellen, dass Glasfaserkabel in feuchten Umgebungen verwendet werden können, kann das optische Kabel auch mit einer mehrschichtigen Schutzstruktur ausgestattet sein, um eine effektive Wasserdichtigkeit zu gewährleisten. Konkret handelt es sich bei der äußersten Schicht des optischen Kabels meist um einen Kunststoffmantel. Diese Hülle bietet nicht nur mechanischen Schutz, sondern hat auch eine gewisse wasserdichte Funktion. Im Inneren des Kunststoffmantels befindet sich ein Metallmantel, der die Druckfestigkeit und Wasserdichtigkeit des optischen Kabels weiter erhöht. Innerhalb des Metallmantels befindet sich eine wasserquellbare Sperrschicht, eine entscheidende Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Wenn Feuchtigkeit eindringt, dehnt sich die Sperrschicht schnell aus, dichtet den Eindringweg ab und verhindert eine weitere Ausbreitung. Auch die Kabelseele verfügt über wasserabweisende Maßnahmen. Die optische Faser ist fest mit Fett umwickelt und mit anderen Komponenten im Kern verbunden. Dieses Fett schmiert nicht nur, sondern, was noch wichtiger ist, es absorbiert und bindet Spuren von Feuchtigkeit im Kern und verhindert so Schäden an der Faser.
Durch diese mehrschichtige Schutzstruktur kann das optische Kabel die Trockenheit und Stabilität der Faser in verschiedenen rauen Umgebungen aufrechterhalten und so eine reibungslose Übertragung von Kommunikationssignalen gewährleisten. Beispielsweise erfüllt die Quarz-Multimode-Faser in der von Yangtze Optical Fiber and Cable herausgegebenen optischen Kabelbaumlösung für Kraftfahrzeuge Automobilstandards in Bezug auf Biegung (Radius 10 mm), Zugfestigkeit (150 N), Temperatureigenschaften (-40 °C bis 125 °C), Alterung (125 °C, 3000 h) und Vibration (V3).
(2) Glasfasersteckverbinder: Zu den wichtigsten Methoden zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Glasfasersteckverbindern gehören die Entwicklung von Wärmeableitungsstrukturen und die Auswahl hochtemperaturbeständiger Materialien. Durch ein angemessenes Wärmeableitungsdesign und die Verwendung hochtemperaturbeständiger Materialien können die Leistung und Lebensdauer von Glasfasersteckverbindern in Hochtemperaturumgebungen effektiv verbessert werden. Erstens ist die Entwicklung einer Wärmeableitungsstruktur der Schlüssel zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Glasfasersteckverbindern. Glasfaserstecker erzeugen im Betrieb Wärme; Ein vernünftiges Wärmeableitungsdesign kann dazu beitragen, die Temperatur des Steckverbinders zu senken und seinen stabilen Betrieb sicherzustellen.

Hier sind die spezifischen Methoden:
① Reservieren Sie Metallkomponenten zur Wärmeübertragung und zur Unterstützung der Wärmeableitung.
② Entwerfen Sie Wärmeableitungsrippen: Integrieren Sie Wärmeableitungsrippen in das Steckergehäuse, um einen besseren Luftkontakt und eine bessere Wärmeableitung durch Lüfter oder natürlichen Wind zu ermöglichen.
③ Verwenden Sie ein Metallgehäuse: Verwenden Sie Metallmaterialien mit besserer Wärmeableitungsleistung, um die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern. Zweitens ist die Auswahl hochtemperaturbeständiger Materialien auch entscheidend für die Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Glasfasersteckverbindern.
Gewöhnliche Materialien neigen in Umgebungen mit hohen Temperaturen zu Alterung oder Verformung, während hochtemperaturbeständige Materialien den Auswirkungen hoher Temperaturen besser standhalten.
① Hochwertige technische Kunststoffe: Verwenden Sie hochwertige technische Kunststoffe, die gegen mittlere und niedrige Temperaturen beständig sind, um das Steckergehäuse und die interne Struktur zu konstruieren und so die Gesamttemperaturbeständigkeit zu verbessern.
② Spezielle Legierungsmaterialien: Verwenden Sie spezielle Legierungsmaterialien, um Schlüsselkomponenten des Steckverbinders zu konstruieren und so deren Hochtemperaturbeständigkeit und Verformungsbeständigkeit zu verbessern. Lytas Optics bietet beispielsweise berührungslose optische Steckverbinder an, die im Vergleich zu herkömmlichen optischen Steckverbindern eine höhere Steckwiederholgenauigkeit, eine längere Stecklebensdauer, einen geringeren Steckverlust und eine geringere Staubempfindlichkeit aufweisen.
③ Schrumpfschläuche können zur Abdichtung verwendet werden: Bringen Sie Schrumpfschläuche im Anschlussbereich an und schrumpfen Sie den Schlauch mit einer Schrumpfschlauchheizung. Die Funktion von Schrumpfschläuchen besteht darin, optische Fasern zu schützen und das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass der Schrumpfschlauch lückenlos eng am Stecker und am Lichtwellenleiter anliegt. Tragen Sie eine angemessene Menge Dichtmittel auf die Außenseite des Schrumpfschlauchs auf, um die Wasserdichtigkeit des Steckverbinders zu verbessern. Stellen Sie sicher, dass das Dichtmittel gleichmäßig aufgetragen wird und alle möglichen Lücken und Poren füllt. Warten Sie, bis das Dichtmittel getrocknet und ausgehärtet ist, und führen Sie dann die Versiegelungsbehandlung durch. (3) Die Hochgeschwindigkeitsverbindung wird über Glasfaser erreicht, und der elektrische Anschluss ist für die Stromversorgung des Sensors verantwortlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Glasfaserkommunikationstechnologie breite Anwendungsaussichten und großes Potenzial in Fahrzeugkommunikationssystemen bietet. Auch in Zukunft wird die Glasfaser-Kommunikationstechnologie ihre einzigartigen Vorteile nutzen und die Entwicklung elektronischer Kommunikationssysteme für Fahrzeuge stark unterstützen. Gleichzeitig werden mit dem kontinuierlichen Fortschritt und der Innovation der Technologie sowie der kontinuierlichen Verbesserung des Maßstabs die Kosten der Glasfaserkommunikation in Fahrzeuganwendungen weiter gesenkt, die Lösungen werden ausgereifter und sie wird zur bevorzugten Lösung für die Lösung der Hochgeschwindigkeitskommunikationsanforderungen bei der Entwicklung intelligenter Fahrzeuge.

4. Fazit

Die Entwicklung intelligenter Fahrzeuge stellt Anforderungen an Kommunikationssysteme, die hohe Geschwindigkeit, geringe Verluste und hohe Störfestigkeit erfordern. Im Vergleich zu Kupferkabeln für Kraftfahrzeuge bieten Glasfaser-Kommunikationskabel mehrere Vorteile. In diesem Artikel werden die Anwendungsszenarien von Glasfaserbündeln und entsprechenden Lösungen kurz analysiert. Mit der Entwicklung intelligenter Fahrzeuge wird die Automobilfaseroptik in Automobilen weit verbreitet sein.
(Quelle: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Autor: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Kabelbaum China. 2026, 5)