Con il rapido sviluppo dell'industria automobilistica, la complessità dei sistemi elettronici automobilistici è in costante aumento e i requisiti per i sistemi di comunicazione stanno diventando sempre più severi. I cablaggi in fibra ottica, come vettore avanzato di trasmissione del segnale, vengono utilizzati sempre più ampiamente nell'industria automobilistica. La fibra ottica, con i suoi vantaggi di alta velocità, alta affidabilità, bassa perdita e resistenza alle interferenze elettromagnetiche, sta gradualmente cambiando il modo in cui i dati vengono trasmessi nelle automobili, dimostrando un enorme potenziale applicativo nel campo della comunicazione automobilistica. Questo articolo discute le caratteristiche di base dei cablaggi in fibra ottica e le loro applicazioni nelle automobili, analizzandone i vantaggi e le prospettive di sviluppo.
Con la crescente intelligenza e connettività della tecnologia automobilistica, la domanda di comunicazione e trasmissione di dati è in crescita, rendendo la sicurezza e la stabilità dei sistemi di comunicazione elettronica a bordo dei veicoli un obiettivo chiave della ricerca. La tecnologia di comunicazione in fibra ottica, in quanto tecnologia di comunicazione avanzata, fornisce nuove idee per lo sviluppo di sistemi di comunicazione elettronica a bordo dei veicoli. Questo articolo analizza le caratteristiche della tecnologia di comunicazione in fibra ottica, esamina le sue applicazioni nelle automobili del futuro da molteplici prospettive, ne esplora i vantaggi e ne prevede le tendenze di sviluppo.

1. Panoramica tecnica dei cablaggi in fibra ottica

I cavi in ​​fibra ottica utilizzano le onde luminose come portanti e le fibre ottiche come mezzo di trasmissione, offrendo vantaggi come alta velocità, alta affidabilità, basse perdite e resistenza alle interferenze elettromagnetiche. Le loro velocità di trasmissione sono molto più elevate rispetto ai tradizionali cavi in ​​rame o coassiali e soddisfano i requisiti di comunicazione in tempo reale e ad alto volume dei sistemi di bordo. Il collegamento di comunicazione in fibra ottica è costituito principalmente da connettori ottici e supporti in fibra ottica per ottenere una trasmissione del segnale ad alta velocità.
①Connettore per fibra ottica
I connettori in fibra ottica sono dispositivi ottici passivi che consentono connessioni mobili tra fibre ottiche. Consistono principalmente in rinforzo delle fibre, allineamento delle fibre, accoppiamento flessibile, bloccaggio del connettore, fissaggio del cavo, antirotazione della ghiera e buffering del cavo (vedere Figura 1). I connettori in fibra ottica utilizzano tipicamente ghiere e manicotti in ceramica per l'allineamento della fibra, con molle che garantiscono l'accoppiamento flessibile delle estremità della ghiera. Prima dell'accoppiamento, la molla è in uno stato precompresso, impedendo alla ghiera di muoversi a causa della forza di bloccaggio. Durante l'accoppiamento, la retrazione della ghiera genera una compressione secondaria, restituendo la forza della molla alla ghiera, garantendo che le due ghiere di accoppiamento rimangano in contatto e premute insieme durante tutto il processo di accoppiamento.

②Conduttore in fibra ottica
Le fibre ottiche sono cilindriche e sono costituite principalmente da un nucleo, un rivestimento e un rivestimento (vedere Figura 2). Il principio di trasmissione delle fibre ottiche sfrutta il fenomeno della riflessione interna totale. Cioè, quando la luce incidente da un mezzo otticamente più denso (con un indice di rifrazione relativamente alto) a un mezzo otticamente meno denso (con un indice di rifrazione relativamente basso), se l'angolo di incidenza è maggiore dell'angolo critico per la riflessione interna totale, la luce non verrà più rifratta, ma verrà riflessa completamente nel mezzo originale, garantendo che il segnale ottico possa propagarsi nella fibra ottica senza perdite.

La fibra ottica ha le seguenti caratteristiche:
(1) Alta velocità di trasmissione, lunga distanza e contenuto elevato: la fibra ottica ha una velocità di trasmissione molto elevata, può trasmettere dati su lunghe distanze e può trasmettere una grande quantità di dati contemporaneamente.
(2) Non influenzato dalle interferenze elettromagnetiche: la fibra ottica trasmette segnali ottici e non è influenzata dalle onde elettromagnetiche, quindi la qualità del segnale è più stabile.
(3) Ampia larghezza di banda: la fibra ottica ha una larghezza di banda molto ampia, che può supportare la trasmissione di dati ad alta velocità.
(4) Bassa perdita: la perdita di trasmissione della fibra ottica è molto bassa e teoricamente può trasmettere centinaia di chilometri o anche distanze maggiori senza perdita di qualità del segnale.
(5) Elevata sicurezza: la trasmissione in fibra ottica non genera radiazioni elettromagnetiche e non può essere intercettata da onde elettromagnetiche esterne, quindi è più adatta per alcuni scenari con elevati requisiti di sicurezza dei dati.
(6) Dimensioni ridotte e peso leggero: rispetto ai tradizionali cavi in ​​rame, la fibra ottica è più piccola e leggera, il che ne facilita l'implementazione e la manutenzione. Questo vantaggio è ancora più evidente nelle reti di comunicazione su larga scala.

2.Vantaggi dei cablaggi in fibra ottica nelle applicazioni automobilistiche intelligenti

Quando la velocità di trasmissione dei cavi di rame raggiunge 10 GB/s o più, saranno necessari cavi di rame più spessi per soddisfare i requisiti di velocità. Tuttavia, nell'ambiente di layout automobilistico, l'ispessimento dei fili di rame porta ad un aumento del peso del veicolo e del costo del veicolo, che non può soddisfare i requisiti dell'ambiente di layout ad alta velocità e peso ridotto del veicolo. La tecnologia dei cavi in ​​fibra ottica può migliorare significativamente la qualità e l'affidabilità della comunicazione e ridurre le interferenze elettromagnetiche senza aggiungere peso aggiuntivo, migliorando così la sicurezza e la stabilità del veicolo.
(1) La velocità di trasmissione del cavo in fibra ottica è molto superiore a quella dei tradizionali fili di rame o dei cavi coassiali. Può trasmettere milioni di megabyte di dati al secondo, in grado di soddisfare le esigenze di comunicazione delle automobili moderne per grandi volumi di dati e prestazioni elevate in tempo reale. La velocità massima delle reti tradizionali in rame può raggiungere solo 10 GB/s, il che è difficile da soddisfare i requisiti di trasmissione ad alta velocità.
(2) La perdita di trasmissione della fibra ottica è estremamente bassa. La perdita per chilometro è solitamente inferiore a 0,0035 dB/m, il che può garantire che il segnale mantenga un'elevata qualità durante la trasmissione a lunga distanza. Al contrario, la perdita di trasmissione delle tradizionali reti di cavi in ​​rame è di 0,5 dB/m, un valore elevato durante la trasmissione a lunga distanza.
(3) La tecnologia di comunicazione in fibra ottica utilizza onde luminose per trasmettere segnali nelle fibre ottiche, che presentano un'immunità significativa alle interferenze elettromagnetiche rispetto alla trasmissione tradizionale con filo di rame.
(4) Rispetto ai tradizionali fili metallici, la fibra ottica plastica (POF), come tipo di fibra ottica per autoveicoli, può ridurre significativamente il peso del veicolo e migliorarne l'economia.

3.Scenari applicativi dei cablaggi in fibra ottica nelle automobili

I cablaggi in fibra ottica sono attualmente ampiamente utilizzati nei campi della medicina, delle comunicazioni, di Internet e dell'industria. Tuttavia, la loro applicazione nel campo automobilistico deve affrontare diverse sfide, tra cui la mancanza di fondamenti teorici di base, specifiche e standard tecnici, standard di test poco chiari e una mancanza di esperienza pratica nelle applicazioni automobilistiche.


①Applicazione di fasci di cavi in fibra ottica nelle aree di distribuzione
L’utilizzo dei cablaggi in fibra ottica nelle automobili differisce da quello in altri campi e occorre tenere pienamente conto delle caratteristiche ambientali dell’area di utilizzo. Ad esempio, i requisiti relativi alle vibrazioni riguardano aree quali il motore e il telaio; è necessario considerare le prestazioni di impermeabilità in aree come il vano motore e il sottocarro; e nelle aree ad alta temperatura è necessario considerare i requisiti prestazionali ad alta temperatura dei conduttori e dei connettori in fibra ottica. A seconda dei diversi ambienti di utilizzo delle automobili, le aree di layout dell'intero veicolo possono essere approssimativamente suddivise in zone umide, zone potenzialmente umide e zone asciutte.
(1) Le aree umide si riferiscono ad aree in cui è probabile che cavi e connettori entrino in contatto con liquidi in scenari di utilizzo normali, come i connettori del cablaggio in aree esterne all'abitacolo come il telaio e il vano motore. In caso di pioggia o neve, queste aree verranno in una certa misura a contatto con diversi liquidi, sia durante la guida che durante il parcheggio.
(2) Le aree potenzialmente umide si riferiscono ad aree in cui i connettori del cablaggio possono entrare in contatto con liquidi in determinati scenari di utilizzo quotidiano, ad esempio quando le porte vengono aperte sotto la pioggia, vengono versati bicchieri d'acqua, oggetti congelati si sciolgono o gocciola condensa. Ad esempio, il pavimento dell'abitacolo, i braccioli delle porte, le superfici dei sedili, ecc.
(3) Le aree assolutamente asciutte si riferiscono ad aree in cui è improbabile che i connettori del cablaggio entrino in contatto con liquidi nelle normali condizioni di utilizzo del veicolo, come l'interno del cruscotto e l'interno del cielo. Va notato che i requisiti di tenuta stagna per i connettori del cablaggio diminuiscono in sequenza dalle aree umide, dalle aree potenzialmente umide alle aree asciutte.

②Soluzioni applicative per cablaggio in fibra ottica
Oltre a soddisfare i requisiti di prestazione elettrica, l'applicazione dei cavi in ​​fibra ottica nelle automobili spesso richiede il rispetto di requisiti di prestazione meccanica. È necessario considerare la temperatura nominale, i requisiti di vibrazione e i requisiti di impermeabilità dei cavi in ​​fibra ottica. Le soluzioni sono le seguenti:
(1) Cavi in ​​fibra ottica: in primo luogo, la progettazione della dissipazione del calore viene effettuata selezionando materiali resistenti alle alte temperature e ottimizzando la disposizione complessiva del veicolo. Ad esempio, vengono selezionati materiali del filo resistenti alle alte temperature come il filo di silicone e il filo XLPE. Questi materiali possono mantenere l'isolamento in ambienti ad alta temperatura. In secondo luogo, vengono utilizzati processi speciali, come il rivestimento a doppio strato e la tecnologia di polimerizzazione a raggi ultravioletti. Infine, la disposizione nel veicolo è ottimizzata. Ad esempio, la disposizione del cablaggio evita il percorso del tubo di scarico del motore e l'area dei vortici ad alta temperatura. Un layout più ottimizzato si ottiene attraverso la gestione termica.
Allo stesso tempo, nel layout del cablaggio del veicolo è possibile utilizzare anche un involucro isolante termico resistente alle alte temperature. Ad esempio, un tubo in fibra di vetro in foglio di alluminio resistente alle alte temperature viene utilizzato per avvolgere l'esterno del cavo in fibra ottica, che può garantire efficacemente l'uso di cavi in ​​fibra ottica in ambienti ad alta temperatura nei veicoli e migliorare la resistenza all'invecchiamento.
Allo stesso tempo, per garantire che i cavi in ​​fibra ottica possano essere utilizzati in ambienti umidi, il cavo ottico può anche essere progettato con una struttura protettiva multistrato per un'impermeabilità efficace. Nello specifico, lo strato più esterno del cavo ottico è solitamente una guaina di plastica. Questa guaina non solo fornisce protezione meccanica ma ha anche una certa funzione impermeabile. All'interno della guaina di plastica è presente un rivestimento metallico, che migliora ulteriormente la resistenza alla pressione e le capacità di impermeabilità del cavo ottico. All'interno del rivestimento metallico è presente uno strato barriera rigonfiabile in acqua, una barriera fondamentale contro la penetrazione dell'umidità. Se l’umidità penetra, lo strato barriera si espande rapidamente, sigillando il percorso di intrusione e prevenendo un’ulteriore diffusione. Il nucleo del cavo incorpora anche misure di impermeabilizzazione. La fibra ottica è strettamente avvolta nel grasso e collegata ad altri componenti all'interno del nucleo. Questo grasso non solo lubrifica ma, cosa ancora più importante, assorbe e trattiene tracce di umidità all'interno del nucleo, prevenendo danni alla fibra.
Attraverso questa struttura protettiva multistrato, il cavo ottico può mantenere l'asciutto e la stabilità della fibra in vari ambienti difficili, garantendo una trasmissione regolare dei segnali di comunicazione. Ad esempio, la fibra multimodale al quarzo nella soluzione di cablaggio ottico automobilistico rilasciata da Yangtze Optical Fiber and Cable soddisfa gli standard di livello automobilistico in termini di flessione (raggio 10 mm), resistenza alla trazione (150 N), caratteristiche di temperatura (-40 ℃~125 ℃), invecchiamento (125 ℃, 3000 h) e vibrazioni (V3).
(2) Connettori in fibra ottica: i metodi principali per migliorare la resistenza alla temperatura dei connettori in fibra ottica comprendono la progettazione di strutture di dissipazione del calore e la selezione di materiali resistenti alle alte temperature. Attraverso una ragionevole progettazione di dissipazione del calore e l'uso di materiali resistenti alle alte temperature, è possibile migliorare efficacemente le prestazioni e la durata dei connettori in fibra ottica in ambienti ad alta temperatura. Innanzitutto, progettare una struttura di dissipazione del calore è fondamentale per migliorare la resistenza alla temperatura dei connettori in fibra ottica. I connettori in fibra ottica generano calore durante il funzionamento; un design ragionevole di dissipazione del calore può aiutare a ridurre la temperatura del connettore e garantirne il funzionamento stabile.

Ecco i metodi specifici:
① Riservare i componenti metallici per trasferire il calore e favorire la dissipazione del calore.
② Progettare le alette di dissipazione del calore: incorporare alette di dissipazione del calore nel guscio del connettore per consentire un migliore contatto con l'aria e la dissipazione del calore attraverso ventole o vento naturale.
③ Utilizzare un guscio metallico: utilizzare materiali metallici con migliori prestazioni di dissipazione del calore per migliorare l'efficienza di dissipazione del calore. In secondo luogo, la scelta di materiali resistenti alle alte temperature è fondamentale anche per migliorare la resistenza alla temperatura dei connettori in fibra ottica.
I materiali comuni sono soggetti a invecchiamento o deformazione in ambienti ad alta temperatura, mentre i materiali resistenti alle alte temperature sono maggiormente in grado di resistere agli effetti delle alte temperature.
① Materiali plastici tecnici di alta qualità: utilizzare materiali plastici tecnici di alta qualità resistenti alle medie e basse temperature per costruire il guscio del connettore e la struttura interna, migliorando la resistenza complessiva alla temperatura.
② Materiali in lega speciale: utilizzare materiali in lega speciale per costruire i componenti chiave del connettore, migliorandone la resistenza alle alte temperature e alla deformazione. Ad esempio, Lytas Optics offre connettori ottici senza contatto, che presentano una maggiore ripetibilità di accoppiamento, una maggiore durata di accoppiamento, una minore perdita di accoppiamento e una minore sensibilità alla polvere rispetto ai connettori ottici tradizionali.
③ La guaina termorestringente può essere utilizzata per l'impermeabilizzazione: applicare la guaina termorestringente all'area di connessione e utilizzare un riscaldatore per guaina termorestringente per restringere la guaina. La funzione della guaina termorestringente è quella di proteggere le fibre ottiche e impedire l'ingresso di umidità e contaminanti. Assicurarsi che la guaina termoretraibile aderisca saldamente al connettore e alla fibra ottica senza spazi vuoti. Applicare una quantità adeguata di sigillante all'esterno della guaina termorestringente per migliorare le prestazioni di impermeabilità del connettore. Assicurarsi che il sigillante sia applicato in modo uniforme e riempia tutti i possibili spazi vuoti e pori, attendere che il sigillante si asciughi e si indurisca, quindi eseguire il trattamento sigillante. (3) La connessione ad alta velocità si ottiene tramite fibra ottica e la porta di connessione elettrica è responsabile dell'alimentazione del sensore. In sintesi, la tecnologia di comunicazione in fibra ottica ha ampie prospettive di applicazione e un grande potenziale nei sistemi di comunicazione dei veicoli. In futuro, la tecnologia di comunicazione in fibra ottica continuerà a sfruttare i suoi vantaggi unici e a fornire un forte supporto allo sviluppo di sistemi di comunicazione elettronica per veicoli. Allo stesso tempo, con il continuo progresso e innovazione della tecnologia e il continuo miglioramento delle dimensioni, il costo della comunicazione in fibra ottica nelle applicazioni dei veicoli sarà ulteriormente ridotto, le soluzioni diventeranno più mature e diventerà la soluzione preferita per risolvere le esigenze di comunicazione ad alta velocità nello sviluppo di veicoli intelligenti.

4.Conclusione

Lo sviluppo di veicoli intelligenti pone esigenze sui sistemi di comunicazione, che richiedono alta velocità, basse perdite e forte resistenza alle interferenze. Rispetto ai cavi in ​​rame per autoveicoli, i cavi di comunicazione in fibra ottica offrono numerosi vantaggi. Questo articolo analizza brevemente gli scenari applicativi dei fasci di fibra ottica e le relative soluzioni. Con lo sviluppo di veicoli intelligenti, la fibra ottica automobilistica sarà ampiamente utilizzata nelle automobili.
(Fonte: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Autore: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Cablaggio Cina. 2026, 5)