Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei auto, complexitatea sistemelor electronice auto este în continuă creștere, iar cerințele pentru sistemele de comunicații devin din ce în ce mai stricte. Cablurile de fibră optică, ca purtător avansat de transmisie a semnalului, sunt folosite din ce în ce mai pe scară largă în industria auto. Fibra optică, cu avantajele sale de viteză mare, fiabilitate ridicată, pierderi reduse și rezistență la interferențe electromagnetice, schimbă treptat modul în care datele sunt transmise în automobile, demonstrând un potențial enorm de aplicare în domeniul comunicațiilor auto. Acest articol discută caracteristicile de bază ale cablajelor de fibră optică și aplicațiile acestora în automobile, analizând avantajele și perspectivele de dezvoltare ale acestora.
Odată cu creșterea inteligenței și a conectivității tehnologiei auto, cererea de comunicații și transmisii de date este în creștere, făcând din securitatea și stabilitatea sistemelor de comunicații electronice din vehicule un punct cheie al cercetării. Tehnologia de comunicații prin fibră optică, ca tehnologie avansată de comunicare, oferă noi idei pentru dezvoltarea sistemelor de comunicații electronice în interiorul vehiculului. Această lucrare analizează caracteristicile tehnologiei de comunicații prin fibră optică, examinează aplicațiile acesteia în viitoarele automobile din perspective multiple, explorează avantajele acesteia și previzează tendințele sale de dezvoltare.

1. Prezentare generală tehnică a cablajelor de fibră optică

Cablurile de fibră optică folosesc undele luminoase ca purtători și fibrele optice ca mediu de transmisie, oferind avantaje precum viteză mare, fiabilitate ridicată, pierderi reduse și rezistență la interferențe electromagnetice. Ratele lor de transmisie sunt mult mai mari decât firele tradiționale de cupru sau cablurile coaxiale, îndeplinind cerințele de comunicare în timp real de mare volum ale sistemelor din vehicul. Legătura de comunicație prin fibră optică constă în principal din conectori optici și purtători de fibră optică pentru a realiza transmisia de semnal de mare viteză.
①Conector fibră optică
Conectorii de fibră optică sunt dispozitive optice pasive care permit conexiuni mobile între fibrele optice. Acestea constau în principal din armarea cu fibre, alinierea fibrelor, împerecherea flexibilă, blocarea conectorului, fixarea cablului, anti-rotația virolei și tamponarea cablului (vezi Figura 1). Conectorii de fibră optică utilizează în mod obișnuit manșoane ceramice și manșoane ceramice pentru alinierea fibrelor, cu arcuri asigurând împerecherea flexibilă a capetelor virolei. Înainte de împerechere, arcul este într-o stare precomprimată, împiedicând mișcarea virolei din cauza forței de blocare. În timpul împerecherii, retragerea virolei generează o compresie secundară, realimentând forța arcului către virolă, asigurând că cele două virole de împerechere rămân în contact și presate împreună pe tot parcursul procesului de împerechere.

②Conductor de fibră optică
Fibrele optice sunt cilindrice și constau în principal dintr-un miez, placare și acoperire (vezi Figura 2). Principiul de transmisie al fibrelor optice utilizează fenomenul de reflexie internă totală. Adică, atunci când lumina este incidentă dintr-un mediu optic mai dens (cu un indice de refracție relativ ridicat) către un mediu optic mai puțin dens (cu un indice de refracție relativ scăzut), dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic pentru reflexia internă totală, lumina nu va mai fi refractată, ci va fi reflectată complet înapoi în mediul original, asigurându-se că semnalul optic se poate propaga fără scurgeri.

Fibra optică are următoarele caracteristici:
(1) Viteză mare de transmisie, distanță lungă și conținut ridicat: fibra optică are o viteză de transmisie foarte mare, poate transmite date pe distanțe lungi și poate transmite o cantitate mare de date în același timp.
(2) Nu este afectată de interferența electromagnetică: fibra optică transmite semnale optice și nu este afectată de undele electromagnetice, astfel încât calitatea semnalului este mai stabilă.
(3) Lățime de bandă largă: fibra optică are o lățime de bandă foarte largă, care poate suporta transmisia de date de mare viteză.
(4) Pierdere redusă: Pierderea de transmisie a fibrei optice este foarte mică și, teoretic, poate transmite sute de kilometri sau chiar distanțe mai mari fără pierderea calității semnalului.
(5) Securitate ridicată: transmisia prin fibră optică nu generează radiații electromagnetice și nu poate fi ascultată de undele electromagnetice externe, deci este mai potrivită pentru unele scenarii cu cerințe ridicate de securitate a datelor.
(6) Dimensiune mică și greutate redusă: în comparație cu cablurile tradiționale de cupru, fibra optică este mai mică și mai ușoară, ceea ce face mai ușor de implementat și întreținut. Acest avantaj este și mai evident în rețelele de comunicații la scară largă.

2.Avantajele cablajelor de fibră optică în aplicațiile auto inteligente

Când viteza de transmisie a firelor de cupru ajunge la 10 GB/s sau mai mult, vor fi necesare fire de cupru mai groase pentru a îndeplini cerințele privind rata. Cu toate acestea, în mediul de aspect auto, îngroșarea firelor de cupru duce la o creștere a greutății vehiculului și a costului vehiculului, care nu poate îndeplini cerințele mediului de aranjare de mare viteză și greutate redusă a vehiculului. Tehnologia cablului cu fibră optică poate îmbunătăți semnificativ calitatea și fiabilitatea comunicațiilor și poate reduce interferența electromagnetică fără a adăuga greutate suplimentară, îmbunătățind astfel siguranța și stabilitatea vehiculului.
(1) Rata de transmisie a cablului de fibră optică este mult mai mare decât cea a firelor tradiționale de cupru sau a cablurilor coaxiale. Poate transmite milioane de megaocteți de date pe secundă, ceea ce poate satisface nevoile de comunicare ale automobilelor moderne pentru volum mare de date și performanță ridicată în timp real. Cea mai mare viteză a rețelelor tradiționale de fire de cupru poate atinge doar 10 GB/s, ceea ce este dificil de îndeplinit cerințele de transmisie de mare viteză.
(2) Pierderea de transmisie a fibrei optice este extrem de scăzută. Pierderea pe kilometru este de obicei mai mică de 0,0035 dB/m, ceea ce poate asigura că semnalul menține o calitate înaltă în timpul transmisiei pe distanțe lungi. În schimb, pierderea de transmisie a rețelelor tradiționale de fire de cupru este de 0,5 dB/m, ceea ce este mare în timpul transmisiei pe distanțe lungi.
(3) Tehnologia de comunicație prin fibră optică utilizează unde luminoase pentru a transmite semnale în fibre optice, care are o imunitate semnificativă la interferența electromagnetică în comparație cu transmisia tradițională cu fir de cupru.
(4) În comparație cu firele metalice tradiționale, fibra optică din plastic (POF), ca tip de fibră optică auto, poate reduce semnificativ greutatea vehiculului și poate îmbunătăți economia vehiculului.

3.Scenarii de aplicare a cablajelor de fibră optică în automobile

Cablurile de fibră optică sunt utilizate în prezent pe scară largă în domeniile medicinei, comunicațiilor, internetului și industriei. Cu toate acestea, aplicarea lor în domeniul auto se confruntă cu mai multe provocări, inclusiv lipsa unor fundamente teoretice de bază, specificații tehnice și standarde, standarde de testare neclare și lipsa de experiență practică în aplicațiile auto.

①Aplicarea pachetelor de cabluri de fibră optică în zonele de desfășurare
Utilizarea cablajelor de fibră optică în automobile diferă de cea din alte domenii, iar caracteristicile de mediu ale zonei de utilizare trebuie luate în considerare pe deplin. De exemplu, cerințele de vibrație sunt implicate în domenii precum motorul și șasiul; performanța impermeabilă trebuie luată în considerare în zone precum compartimentul motorului și trenul de rulare; iar cerințele de performanță la temperatură înaltă ale conductorilor și conectorilor de fibră optică trebuie luate în considerare în zonele cu temperaturi ridicate. În funcție de diferitele medii de utilizare ale automobilelor, zonele de aspect ale întregului vehicul pot fi împărțite aproximativ în zone umede, zone potențial umede și zone uscate.
(1) Zonele umede se referă la zonele în care firele și conectorii sunt susceptibile de a intra în contact cu lichide în scenarii normale de utilizare, cum ar fi conectorii cablajului din zonele din afara habitaclului, cum ar fi șasiul și compartimentul motorului. Pe vreme ploioasă sau cu zăpadă, aceste zone vor intra într-o oarecare măsură în contact cu diverse lichide, fie în timpul conducerii, fie când sunt parcate.
(2) Zonele cu potențial umede se referă la zonele în care conectorii cablajului pot intra în contact cu lichide în anumite scenarii de utilizare zilnică, cum ar fi atunci când ușile sunt deschise în ploaie, căni de apă sunt vărsate, articolele înghețate se topesc sau picurarea condensului. De exemplu, podeaua habitaclului, cotierele ușilor, suprafețele scaunelor etc.
(3) Zonele absolut uscate se referă la zonele în care este puțin probabil ca conectorii cablajului să intre în contact cu lichide în scenariile normale de utilizare a vehiculului, cum ar fi interiorul tabloului de bord și interiorul căptușelii. Trebuie remarcat faptul că cerințele de etanșare la apă pentru conectorii cablajului scad secvențial de la zonele umede, zonele potențial umede la zonele uscate.

②Soluții de aplicare a cablajului de fibră optică
Pe lângă îndeplinirea cerințelor de performanță electrică, aplicarea cablurilor de fibră optică în automobile necesită adesea îndeplinirea cerințelor de performanță mecanică. Este necesar să se ia în considerare gradul de temperatură, cerințele de vibrație și cerințele de impermeabilitate ale cablurilor de fibră optică. Soluțiile sunt următoarele:
(1) Cabluri de fibră optică: În primul rând, proiectarea disipării căldurii este realizată prin selectarea materialelor rezistente la temperaturi ridicate și optimizarea aspectului general al vehiculului. De exemplu, sunt selectate materiale de sârmă rezistente la temperaturi ridicate, cum ar fi sârmă de silicon și sârmă XLPE. Aceste materiale pot menține izolația în medii cu temperaturi ridicate. În al doilea rând, sunt utilizate procese speciale, cum ar fi acoperirea cu dublu strat și tehnologia de întărire cu ultraviolete. În cele din urmă, aspectul vehiculului este optimizat. De exemplu, aspectul cablajului evită calea conductei de eșapament a motorului și zona vortexului la temperatură ridicată. Un aspect mai optimizat se obține prin managementul termic.
În același timp, învelișul termoizolant rezistent la temperaturi înalte poate fi, de asemenea, utilizat în configurația cablajului vehiculului. De exemplu, tubul din fibră de sticlă din folie de aluminiu rezistent la temperaturi înalte este utilizat pentru a înfășura exteriorul cablului de fibră optică, ceea ce poate asigura eficient utilizarea cablurilor de fibră optică în medii cu temperatură ridicată în vehicule și poate îmbunătăți rezistența la îmbătrânire.
În același timp, pentru a se asigura că cablurile de fibră optică pot fi utilizate în medii umede, cablul optic poate fi proiectat și cu o structură de protecție multistrat pentru a impermeabiliza eficient. Mai exact, stratul cel mai exterior al cablului optic este de obicei o manta de plastic. Această teacă nu oferă doar protecție mecanică, ci are și o anumită funcție de impermeabilitate. În interiorul mantalei de plastic se află o manta metalică, care sporește și mai mult rezistența la presiune și capacitățile de impermeabilizare ale cablului optic. În mantaua metalică se află un strat de barieră care se umfla cu apă, o barieră crucială împotriva pătrunderii umezelii. Dacă umiditatea pătrunde, stratul de barieră se extinde rapid, etanșând calea de intruziune și prevenind răspândirea ulterioară. Miezul cablului încorporează și măsuri de impermeabilizare. Fibra optică este strâns învelită în grăsime și legată de alte componente din miez. Această grăsime nu numai că lubrifiază, dar, mai important, absoarbe și blochează urme de umiditate în miez, prevenind deteriorarea fibrei.
Prin această structură de protecție multistratificată, cablul optic poate menține uscarea și stabilitatea fibrei în diferite medii dure, asigurând o transmitere lină a semnalelor de comunicație. De exemplu, fibra multimodală de cuarț din soluția cablajului optic pentru automobile eliberată de Yangtze Optical Fibre and Cable îndeplinește standardele de calitate auto în ceea ce privește încovoiere (raza 10 mm), rezistență la tracțiune (150 N), caracteristici de temperatură (-40 ℃ ~ 125 ℃), îmbătrânire (125 ℃ V h, 30000000000000000000000000) (300 ℃) și 3000 ℃.
(2) Conectori de fibră optică: Principalele metode de îmbunătățire a rezistenței la temperatură a conectorilor de fibră optică includ proiectarea structurilor de disipare a căldurii și selectarea materialelor rezistente la temperaturi înalte. Prin proiectarea rezonabilă de disipare a căldurii și utilizarea materialelor rezistente la temperaturi înalte, performanța și durata de viață a conectorilor de fibră optică în medii cu temperatură înaltă pot fi îmbunătățite în mod eficient. În primul rând, proiectarea unei structuri de disipare a căldurii este cheia pentru îmbunătățirea rezistenței la temperatură a conectorilor de fibră optică. Conectorii de fibră optică generează căldură în timpul funcționării; un design rezonabil de disipare a căldurii poate ajuta la reducerea temperaturii conectorului și la asigurarea funcționării sale stabile.

Iată metodele specifice:
① Rezervați componentele metalice pentru a transfera căldura și pentru a ajuta la disiparea căldurii.
② Proiectați aripioare de disipare a căldurii: Încorporați aripioare de disipare a căldurii în carcasa conectorului pentru a permite un contact mai bun cu aerul și o disipare a căldurii prin ventilatoare sau vântul natural.
③ Folosiți o carcasă metalică: Folosiți materiale metalice cu performanțe mai bune de disipare a căldurii pentru a îmbunătăți eficiența disipării căldurii. În al doilea rând, selectarea materialelor rezistente la temperaturi ridicate este, de asemenea, crucială pentru îmbunătățirea rezistenței la temperatură a conectorilor de fibră optică.
Materialele obișnuite sunt predispuse la îmbătrânire sau deformare în medii cu temperatură înaltă, în timp ce materialele rezistente la temperaturi înalte sunt mai capabile să reziste la efectele temperaturilor ridicate.
① Materiale plastice de înaltă calitate: utilizați materiale plastice de înaltă calitate, rezistente la temperaturi medii și scăzute pentru a construi carcasa conectorului și structura internă, îmbunătățind rezistența generală la temperatură.
② Materiale speciale din aliaj: Folosiți materiale speciale din aliaj pentru a construi componentele cheie ale conectorului, sporindu-le rezistența la temperaturi înalte și rezistența la deformare. De exemplu, Lytas Optics oferă conectori optici fără contact, care prezintă o repetabilitate mai mare de împerechere, o durată de viață mai lungă, pierderi mai mici de împerechere și o sensibilitate mai mică la praf în comparație cu conectorii optici tradiționali.
③ Tubul termocontractabil poate fi folosit pentru impermeabilizare: Aplicați tubul termocontractabil pe zona de conectare și folosiți un încălzitor cu tub termocontractabil pentru a micșora tubul. Funcția tubului termocontractabil este de a proteja fibrele optice și de a preveni pătrunderea umezelii și a contaminanților. Asigurați-vă că tubul termocontractabil se potrivește strâns pe conector și pe fibra optică fără goluri. Aplicați o cantitate adecvată de etanșant la exteriorul tubului termocontractabil pentru a îmbunătăți performanța impermeabilă a conectorului. Asigurați-vă că etanșantul este aplicat uniform și umple toate golurile și porii posibile, așteptați ca etanșantul să se usuce și să se întărească, apoi efectuați tratamentul de etanșare. (3) Conexiunea de mare viteză se realizează prin fibră optică, iar portul de conectare electrică este responsabil pentru alimentarea senzorului. Pe scurt, tehnologia de comunicații prin fibră optică are perspective largi de aplicare și un potențial mare în sistemele de comunicații ale vehiculelor. În viitor, tehnologia de comunicare prin fibră optică va continua să-și valorifice avantajele unice și să ofere un sprijin puternic pentru dezvoltarea sistemelor de comunicații electronice ale vehiculelor. În același timp, odată cu progresul și inovarea continuă a tehnologiei și îmbunătățirea continuă a scarii, costul comunicației cu fibră optică în aplicațiile vehiculelor va fi și mai redus, soluțiile vor deveni mai mature și va deveni soluția preferată pentru rezolvarea nevoilor de comunicare de mare viteză în dezvoltarea vehiculelor inteligente.

4.Concluzie

Dezvoltarea vehiculelor inteligente impune sisteme de comunicații, care necesită viteză mare, pierderi reduse și rezistență puternică la interferențe. În comparație cu firele de cupru pentru automobile, firele de comunicație cu fibră optică oferă mai multe avantaje. Această lucrare analizează pe scurt scenariile de aplicare ale pachetelor de fibră optică și soluțiile corespunzătoare. Odată cu dezvoltarea vehiculelor inteligente, fibra optică auto va fi utilizată pe scară largă în automobile.
(Sursa: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Autor: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Cabluri China. 2026, 5)