Wraz z szybkim rozwojem przemysłu motoryzacyjnego złożoność samochodowych systemów elektronicznych stale rośnie, a wymagania dotyczące systemów komunikacyjnych stają się coraz bardziej rygorystyczne. Wiązki światłowodowe, jako zaawansowany nośnik transmisji sygnału, znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Światłowód, dzięki swoim zaletom, jakim jest duża prędkość, wysoka niezawodność, niskie straty i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, stopniowo zmienia sposób przesyłania danych w samochodach, wykazując ogromny potencjał aplikacyjny w dziedzinie komunikacji samochodowej. W artykule omówiono podstawową charakterystykę wiązek światłowodowych oraz ich zastosowanie w samochodach, analizując ich zalety i perspektywy rozwoju.
Wraz z rosnącą inteligencją i łącznością technologii motoryzacyjnej rośnie zapotrzebowanie na komunikację i transmisję danych, co sprawia, że ​​bezpieczeństwo i stabilność systemów komunikacji elektronicznej w pojazdach staje się kluczowym przedmiotem badań. Technologia komunikacji światłowodowej, jako zaawansowana technologia komunikacyjna, dostarcza nowych pomysłów na rozwój pokładowych systemów komunikacji elektronicznej. W artykule przeanalizowano cechy technologii komunikacji światłowodowej, zbadano jej zastosowania w samochodach przyszłości z wielu perspektyw, zbadano jej zalety i prognozowano trendy jej rozwoju.

1. Przegląd techniczny wiązek światłowodowych

Kable światłowodowe wykorzystują fale świetlne jako nośniki i światłowody jako medium transmisyjne, oferując takie zalety, jak duża prędkość, wysoka niezawodność, niskie straty i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Ich szybkość transmisji jest znacznie wyższa niż w przypadku tradycyjnych przewodów miedzianych lub kabli koncentrycznych, spełniając wymagania systemów pokładowych w zakresie komunikacji o dużej przepustowości w czasie rzeczywistym. Światłowodowe łącze komunikacyjne składa się głównie ze złączy optycznych i nośników światłowodowych, aby zapewnić szybką transmisję sygnału.
①Złącze światłowodowe
Złącza światłowodowe to pasywne urządzenia optyczne, które umożliwiają ruchome połączenia pomiędzy światłowodami. Składają się one głównie ze wzmocnienia włókien, ułożenia włókien, elastycznego łączenia, blokowania złącza, mocowania kabla, zabezpieczenia przed obrotem tulejki i buforowania kabla (patrz rysunek 1). Złącza światłowodowe zazwyczaj wykorzystują ceramiczne tulejki i ceramiczne tuleje do wyrównania włókien, a sprężyny zapewniają elastyczne dopasowanie końców tulejek. Przed połączeniem sprężyna jest w stanie wstępnie ściśniętym, co zapobiega przesuwaniu się okucia pod wpływem siły blokującej. Podczas łączenia, cofanie się tulei powoduje wtórne ściskanie, przekazując siłę sprężyny z powrotem do tulei, zapewniając, że dwie współpracujące tulejki pozostają w kontakcie i są dociśnięte do siebie przez cały proces łączenia.

②Przewodnik światłowodowy
Światłowody mają kształt cylindryczny i składają się głównie z rdzenia, płaszcza i powłoki (patrz rysunek 2). Zasada transmisji światłowodów wykorzystuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Oznacza to, że gdy światło pada z optycznie gęstszego ośrodka (o stosunkowo wysokim współczynniku załamania światła) do optycznie słabszego ośrodka (o stosunkowo niskim współczynniku załamania światła), jeśli kąt padania jest większy niż kąt krytyczny dla całkowitego wewnętrznego odbicia, światło nie będzie już załamywane, ale zostanie całkowicie odbite z powrotem do pierwotnego ośrodka, zapewniając, że sygnał optyczny może propagować się w światłowodzie bez wycieków.

Światłowód ma następujące cechy:
(1) Wysoka prędkość transmisji, duża odległość i duża zawartość: Światłowód ma bardzo dużą prędkość transmisji, może przesyłać dane na duże odległości i może przesyłać jednocześnie dużą ilość danych.
(2) Nie ma wpływu na zakłócenia elektromagnetyczne: Światłowód przesyła sygnały optyczne i nie ma na nie wpływu fale elektromagnetyczne, dzięki czemu jakość sygnału jest bardziej stabilna.
(3) Szerokie pasmo: Światłowód ma bardzo szerokie pasmo, które może obsługiwać szybką transmisję danych.
(4) Niska strata: Strata transmisji w światłowodzie jest bardzo niska i teoretycznie może przesyłać setki kilometrów lub nawet większe odległości bez utraty jakości sygnału.
(5) Wysokie bezpieczeństwo: Transmisja światłowodowa nie generuje promieniowania elektromagnetycznego i nie może zostać podsłuchana przez zewnętrzne fale elektromagnetyczne, dlatego jest bardziej odpowiednia w niektórych scenariuszach o wysokich wymaganiach dotyczących bezpieczeństwa danych.
(6) Mały rozmiar i niewielka waga: w porównaniu z tradycyjnymi kablami miedzianymi światłowód jest mniejszy i lżejszy, co ułatwia wdrażanie i konserwację. Zaleta ta jest jeszcze bardziej oczywista w sieciach komunikacyjnych o dużej skali.

2.Zalety wiązek światłowodowych w inteligentnych zastosowaniach motoryzacyjnych

Gdy szybkość transmisji przewodów miedzianych osiągnie 10 GB/s lub więcej, aby spełnić wymagania dotyczące szybkości, potrzebne będą grubsze przewody miedziane. Jednakże w środowisku układu samochodowego pogrubienie drutów miedzianych prowadzi do wzrostu masy pojazdu i kosztu pojazdu, co nie jest w stanie sprostać wymaganiom środowiska układu pojazdu o dużej prędkości i niskiej masie. Technologia kabli światłowodowych może znacznie poprawić jakość i niezawodność komunikacji oraz zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne bez zwiększania dodatkowego ciężaru, poprawiając w ten sposób bezpieczeństwo i stabilność pojazdu.
(1) Szybkość transmisji kabla światłowodowego jest znacznie wyższa niż w przypadku tradycyjnych przewodów miedzianych lub kabli koncentrycznych. Może przesyłać miliony megabajtów danych na sekundę, co może zaspokoić potrzeby komunikacyjne nowoczesnych samochodów w zakresie dużych ilości danych i wysokiej wydajności w czasie rzeczywistym. Najwyższa prędkość tradycyjnych sieci z przewodem miedzianym może osiągnąć jedynie 10 GB/s, co jest trudne do spełnienia wymagań szybkiej transmisji.
(2) Strata transmisji światłowodu jest wyjątkowo niska. Strata na kilometr jest zwykle mniejsza niż 0,0035 dB/m, co może zapewnić utrzymanie wysokiej jakości sygnału podczas transmisji na duże odległości. Natomiast strata transmisji w tradycyjnych sieciach miedzianych wynosi 0,5 dB/m, co jest wartością dużą w przypadku transmisji na duże odległości.
(3) Technologia komunikacji światłowodowej wykorzystuje fale świetlne do przesyłania sygnałów w światłowodach, które charakteryzują się znaczną odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne w porównaniu z tradycyjną transmisją drutem miedzianym.
(4) W porównaniu z tradycyjnymi drutami metalowymi, plastikowy światłowód (POF), jako rodzaj samochodowego światłowodu, może znacznie zmniejszyć masę pojazdu i poprawić jego ekonomiczność.

3.Scenariusze zastosowania wiązek światłowodowych w samochodach

Wiązki światłowodowe są obecnie szeroko stosowane w medycynie, komunikacji, Internecie i przemyśle. Jednak ich zastosowanie w branży motoryzacyjnej napotyka kilka wyzwań, w tym brak podstawowych podstaw teoretycznych, specyfikacji technicznych i norm, niejasne standardy testowania oraz brak praktycznego doświadczenia w zastosowaniach motoryzacyjnych.

①Zastosowanie wiązek kabli światłowodowych w obszarach rozmieszczenia
Zastosowanie wiązek światłowodowych w samochodach różni się od zastosowań w innych dziedzinach i należy w pełni wziąć pod uwagę charakterystykę środowiskową obszaru użytkowania. Na przykład wymagania dotyczące wibracji dotyczą takich obszarów, jak silnik i podwozie; należy wziąć pod uwagę wodoodporność w obszarach takich jak komora silnika i podwozie; oraz wymagania dotyczące wydajności przewodów i złączy światłowodowych w wysokich temperaturach należy uwzględnić w obszarach o wysokiej temperaturze. W zależności od różnych środowisk użytkowania samochodów, obszary rozmieszczenia całego pojazdu można z grubsza podzielić na obszary mokre, obszary potencjalnie mokre i obszary suche.
(1) Obszary mokre oznaczają obszary, w których przewody i złącza mogą mieć kontakt z cieczami w normalnych warunkach użytkowania, np. złącza wiązek przewodów w obszarach poza kabiną pasażerską, takich jak podwozie i komora silnika. Podczas deszczowej lub śnieżnej pogody obszary te będą w pewnym stopniu stykać się z różnymi płynami, zarówno podczas jazdy, jak i podczas parkowania.
(2) Obszary potencjalnie mokre oznaczają obszary, w których złącza wiązki przewodów mogą mieć kontakt z płynami w niektórych codziennych sytuacjach, np. podczas otwierania drzwi podczas deszczu, rozlania kubków z wodą, topienia się zamrożonych przedmiotów lub kapania skroplin. Na przykład podłoga kabiny pasażerskiej, podłokietniki drzwi, powierzchnie siedzeń itp.
(3) Obszary całkowicie suche odnoszą się do obszarów, w których jest mało prawdopodobne, aby złącza wiązki przewodów miały kontakt z płynami w normalnych warunkach użytkowania pojazdu, takich jak wnętrze deski rozdzielczej i wnętrze podsufitki. Należy zauważyć, że wymagania dotyczące wodoodporności złączy wiązek przewodów zmniejszają się stopniowo od obszarów mokrych, obszarów potencjalnie mokrych do obszarów suchych.

②Rozwiązania w zakresie zastosowań wiązek światłowodowych
Oprócz spełnienia wymagań dotyczących parametrów elektrycznych, zastosowanie kabli światłowodowych w samochodach często wymaga spełnienia wymagań dotyczących parametrów mechanicznych. Należy wziąć pod uwagę temperaturę znamionową, wymagania dotyczące wibracji i wymagania dotyczące wodoodporności kabli światłowodowych. Rozwiązania są następujące:
(1) Kable światłowodowe: Najpierw projektuje się rozpraszanie ciepła, wybierając materiały odporne na wysoką temperaturę i optymalizując ogólny układ pojazdu. Na przykład wybiera się materiały drutowe odporne na wysoką temperaturę, takie jak drut silikonowy i drut XLPE. Materiały te mogą utrzymać izolację w środowiskach o wysokiej temperaturze. Po drugie, stosowane są specjalne procesy, takie jak powlekanie dwuwarstwowe i technologia utwardzania ultrafioletem. Wreszcie zoptymalizowano układ pojazdu. Na przykład układ wiązki przewodów omija ścieżkę rury wydechowej silnika i obszar wirowy o wysokiej temperaturze. Bardziej zoptymalizowany układ uzyskuje się poprzez zarządzanie temperaturą.
Jednocześnie w układzie okablowania pojazdu można również zastosować owijkę termoizolacyjną odporną na wysokie temperatury. Na przykład odporna na wysokie temperatury rura z włókna szklanego z folii aluminiowej służy do owinięcia zewnętrznej części kabla światłowodowego, co może skutecznie zapewnić zastosowanie kabli światłowodowych w pojazdach w środowiskach o wysokiej temperaturze i poprawić odporność na starzenie.
Jednocześnie, aby zapewnić możliwość stosowania kabli światłowodowych w wilgotnym środowisku, kabel optyczny można również zaprojektować z wielowarstwową konstrukcją ochronną, aby zapewnić skuteczną wodoodporność. W szczególności najbardziej zewnętrzną warstwą kabla optycznego jest zwykle osłona z tworzywa sztucznego. Ta osłona zapewnia nie tylko ochronę mechaniczną, ale także pełni funkcję wodoodporną. Wewnątrz plastikowej osłony znajduje się metalowa osłona, która dodatkowo zwiększa odporność kabla optycznego na ciśnienie i wodoodporność. Wewnątrz metalowego płaszcza znajduje się pęczniejąca pod wodą warstwa barierowa, kluczowa bariera chroniąca przed przenikaniem wilgoci. Jeśli wilgoć przedostanie się do wnętrza, warstwa barierowa szybko się rozszerza, uszczelniając drogę wtargnięcia i zapobiegając dalszemu rozprzestrzenianiu się. Rdzeń kabla zawiera również środki hydroizolacyjne. Światłowód jest szczelnie owinięty smarem i połączony z innymi elementami rdzenia. Smar ten nie tylko smaruje, ale co ważniejsze, pochłania i blokuje śladowe ilości wilgoci w rdzeniu, zapobiegając uszkodzeniu włókna.
Dzięki tej wielowarstwowej strukturze ochronnej kabel optyczny może utrzymać suchość i stabilność światłowodu w różnych trudnych warunkach, zapewniając płynną transmisję sygnałów komunikacyjnych. Na przykład kwarcowe włókno wielomodowe w samochodowych wiązkach optycznych oferowane przez firmę Yangtze Optical Fibre and Cable spełnia standardy samochodowe pod względem zginania (promień 10 mm), wytrzymałości na rozciąganie (150 N), charakterystyki temperaturowej (-40 ℃ ~ 125 ℃), starzenia (125 ℃, 3000 h) i wibracji (V3).
(2) Złącza światłowodowe: Główne metody poprawy odporności złączy światłowodowych na temperaturę obejmują projektowanie struktur rozpraszających ciepło i wybór materiałów odpornych na wysoką temperaturę. Dzięki rozsądnemu projektowi odprowadzania ciepła i zastosowaniu materiałów odpornych na wysoką temperaturę można skutecznie poprawić wydajność i żywotność złączy światłowodowych w środowiskach o wysokiej temperaturze. Po pierwsze, zaprojektowanie struktury rozpraszającej ciepło jest kluczem do poprawy odporności temperaturowej złączy światłowodowych. Złącza światłowodowe wytwarzają ciepło podczas pracy; rozsądna konstrukcja rozpraszania ciepła może pomóc obniżyć temperaturę złącza i zapewnić jego stabilną pracę.

Oto konkretne metody:
① Rezerwowe elementy metalowe do przenoszenia ciepła i wspomagania rozpraszania ciepła.
② Konstrukcja żeberek odprowadzających ciepło: Należy umieścić żebra rozpraszające ciepło w obudowie złącza, aby zapewnić lepszy kontakt z powietrzem i odprowadzanie ciepła przez wentylatory lub naturalny wiatr.
③ Użyj metalowej obudowy: Stosuj materiały metalowe o lepszej wydajności rozpraszania ciepła, aby poprawić efektywność rozpraszania ciepła. Po drugie, wybór materiałów odpornych na wysoką temperaturę ma również kluczowe znaczenie dla poprawy odporności temperaturowej złączy światłowodowych.
Zwykłe materiały są podatne na starzenie się lub odkształcenia w środowiskach o wysokiej temperaturze, podczas gdy materiały odporne na wysokie temperatury lepiej wytrzymują działanie wysokich temperatur.
① Wysokiej jakości tworzywa konstrukcyjne: Do budowy obudowy złącza i konstrukcji wewnętrznej należy używać wysokiej jakości tworzyw konstrukcyjnych odpornych na średnie i niskie temperatury, co poprawia ogólną odporność temperaturową.
② Specjalne materiały stopowe: użyj specjalnych materiałów stopowych do budowy kluczowych elementów złącza, zwiększając ich odporność na wysoką temperaturę i odporność na odkształcenia. Na przykład Lytas Optics oferuje bezkontaktowe złącza optyczne, które charakteryzują się wyższą powtarzalnością łączenia, dłuższą żywotnością łączenia, mniejszą stratą podczas łączenia i niższą wrażliwością na kurz w porównaniu z tradycyjnymi złączami optycznymi.
③ Rurki termokurczliwe można zastosować do uszczelnienia wodoodpornego: Nałóż rurkę termokurczliwą na obszar połączenia i użyj podgrzewacza rurki termokurczliwej, aby ją obkurczyć. Zadaniem rurek termokurczliwych jest ochrona włókien optycznych i zapobieganie przedostawaniu się wilgoci i zanieczyszczeń. Upewnij się, że rurka termokurczliwa ściśle przylega do złącza i światłowodu bez szczelin. Nałóż odpowiednią ilość szczeliwa na zewnętrzną część rurki termokurczliwej, aby zwiększyć wodoodporność złącza. Upewnij się, że uszczelniacz został równomiernie nałożony i wypełnił wszystkie możliwe szczeliny i pory, poczekaj, aż uszczelniacz wyschnie i stwardnieje, a następnie wykonaj obróbkę uszczelniającą. (3) Szybkie połączenie uzyskuje się za pomocą światłowodu, a port połączenia elektrycznego odpowiada za zasilanie czujnika. Podsumowując, technologia komunikacji światłowodowej ma szerokie perspektywy zastosowania i ogromny potencjał w systemach komunikacji pojazdów. W przyszłości technologia komunikacji światłowodowej będzie nadal wykorzystywać swoje unikalne zalety i zapewniać silne wsparcie dla rozwoju elektronicznych systemów komunikacji pojazdów. Jednocześnie, wraz z ciągłym postępem i innowacjami technologii oraz ciągłym doskonaleniem skali, koszt komunikacji światłowodowej w zastosowaniach pojazdów będzie jeszcze bardziej obniżany, rozwiązania staną się bardziej dojrzałe i staną się preferowanym rozwiązaniem w celu zaspokojenia potrzeb szybkiej komunikacji w rozwoju inteligentnych pojazdów.

4.Wniosek

Rozwój inteligentnych pojazdów stawia wymagania systemom komunikacyjnym, wymagającym dużej prędkości, niskich strat i dużej odporności na zakłócenia. W porównaniu do samochodowych drutów miedzianych, światłowodowe przewody komunikacyjne mają kilka zalet. W artykule dokonano krótkiej analizy scenariuszy zastosowań wiązek światłowodowych i odpowiadających im rozwiązań. Wraz z rozwojem inteligentnych pojazdów światłowody samochodowe będą szeroko stosowane w samochodach.
(Źródło: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Autor: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. Instytut Badawczy Inżynierii Motoryzacyjnej Grupy GAC
[2] Wiązka przewodów, Chiny. 2026, 5)