С быстрым развитием автомобильной промышленности сложность автомобильных электронных систем постоянно возрастает, а требования к системам связи становятся все более жесткими. Волоконно-оптические жгуты, как усовершенствованный носитель передачи сигнала, все шире используются в автомобильной промышленности. Волоконная оптика, обладающая такими преимуществами, как высокая скорость, высокая надежность, низкие потери и устойчивость к электромагнитным помехам, постепенно меняет способ передачи данных в автомобилях, демонстрируя огромный потенциал применения в области автомобильной связи. В данной статье рассматриваются основные характеристики оптоволоконных жгутов и их применение в автомобилях, анализируются их преимущества и перспективы развития.
С ростом интеллекта и возможностей подключения автомобильных технологий растет спрос на связь и передачу данных, что делает безопасность и стабильность автомобильных электронных систем связи ключевым направлением исследований. Технология оптоволоконной связи, как передовая технология связи, предлагает новые идеи для разработки бортовых электронных систем связи. В данной статье анализируются характеристики технологии оптоволоконной связи, рассматривается ее применение в будущих автомобилях с разных точек зрения, исследуются ее преимущества и прогнозируются тенденции ее развития.

1.Технический обзор оптоволоконных жгутов

Волоконно-оптические кабели используют световые волны в качестве носителей и оптические волокна в качестве среды передачи, предлагая такие преимущества, как высокая скорость, высокая надежность, низкие потери и устойчивость к электромагнитным помехам. Их скорость передачи намного выше, чем у традиционных медных проводов или коаксиальных кабелей, что соответствует требованиям крупномасштабной связи в режиме реального времени, предъявляемой к автомобильным системам. Волоконно-оптическая линия связи в основном состоит из оптических разъемов и оптоволоконных носителей для обеспечения высокоскоростной передачи сигнала.
①Оптоволоконный разъем
Оптоволоконные соединители — это пассивные оптические устройства, которые обеспечивают подвижное соединение между оптическими волокнами. В основном они состоят из армирования волокна, выравнивания волокна, гибкого сопряжения, фиксации разъема, фиксации кабеля, предотвращения вращения наконечника и буферизации кабеля (см. Рисунок 1). В оптоволоконных разъемах обычно используются керамические наконечники и керамические втулки для выравнивания волокон, а пружины обеспечивают гибкое соединение концов наконечников. Перед сопряжением пружина находится в предварительно сжатом состоянии, что предотвращает перемещение наконечника за счет запирающего усилия. Во время соединения втягивание наконечника создает вторичное сжатие, возвращая силу пружины на наконечник, гарантируя, что два сопрягаемых наконечника остаются в контакте и прижаты друг к другу на протяжении всего процесса соединения.

②Оптический проводник
Оптические волокна имеют цилиндрическую форму и состоят в основном из сердцевины, оболочки и покрытия (см. рисунок 2). Принцип передачи оптических волокон использует явление полного внутреннего отражения. То есть, когда свет падает из оптически более плотной среды (с относительно высоким показателем преломления) в оптически менее плотную среду (с относительно низким показателем преломления), если угол падения больше критического угла полного внутреннего отражения, свет больше не будет преломляться, а будет полностью отражаться обратно в исходную среду, гарантируя, что оптический сигнал может распространяться по оптическому волокну без утечки.

Оптическое волокно имеет следующие характеристики:
(1) Высокая скорость передачи, большие расстояния и большой объем контента: оптическое волокно имеет очень высокую скорость передачи, может передавать данные на большие расстояния и может передавать большой объем данных одновременно.
(2) Не подвержен влиянию электромагнитных помех: оптическое волокно передает оптические сигналы и не подвержено влиянию электромагнитных волн, поэтому качество сигнала более стабильно.
(3) Широкая полоса пропускания: оптическое волокно имеет очень широкую полосу пропускания, что позволяет поддерживать высокоскоростную передачу данных.
(4) Низкие потери: потери при передаче по оптическому волокну очень низкие, и теоретически оно может передавать на сотни километров или даже на большие расстояния без потери качества сигнала.
(5) Высокая безопасность: передача по оптоволоконному кабелю не генерирует электромагнитное излучение и не может быть прослушана внешними электромагнитными волнами, поэтому она больше подходит для некоторых сценариев с высокими требованиями к безопасности данных.
(6) Небольшой размер и легкий вес: по сравнению с традиционными медными кабелями оптическое волокно меньше и легче, что упрощает его развертывание и обслуживание. Это преимущество еще более очевидно в крупномасштабных сетях связи.

2.Преимущества оптоволоконных жгутов в интеллектуальных автомобильных приложениях.

Когда скорость передачи по медным проводам достигает 10 ГБ/с или более, для соответствия требованиям скорости потребуются более толстые медные провода. Однако в автомобильной компоновке утолщение медных проводов приводит к увеличению веса транспортного средства и стоимости транспортного средства, что не может удовлетворить требованиям высокоскоростной и малой компоновки транспортного средства. Технология оптоволоконного кабеля может значительно улучшить качество и надежность связи, а также уменьшить электромагнитные помехи без увеличения веса, тем самым повышая безопасность и устойчивость автомобиля.
(1) Скорость передачи оптоволоконного кабеля намного выше, чем у традиционных медных проводов или коаксиальных кабелей. Он может передавать миллионы мегабайт данных в секунду, что может удовлетворить коммуникационные потребности современных автомобилей в больших объемах данных и высокой производительности в реальном времени. Максимальная скорость традиционных медных проводных сетей может достигать только 10 ГБ/с, что трудно удовлетворить требованиям высокоскоростной передачи.
(2) Потери при передаче оптического волокна чрезвычайно низки. Потери на километр обычно составляют менее 0,0035 дБ/м, что может гарантировать сохранение высокого качества сигнала при передаче на большие расстояния. Напротив, потери при передаче в традиционных медных проводных сетях составляют 0,5 дБ/м, что очень важно при передаче на большие расстояния.
(3) Технология оптоволоконной связи использует световые волны для передачи сигналов по оптическим волокнам, которые обладают значительной устойчивостью к электромагнитным помехам по сравнению с традиционной передачей по медному проводу.
(4) По сравнению с традиционными металлическими проводами пластиковое оптическое волокно (POF) как тип автомобильного оптического волокна может значительно снизить вес транспортного средства и повысить его экономичность.

3. Сценарии применения оптоволоконных жгутов в автомобилях.

Волоконно-оптические жгуты в настоящее время широко используются в сферах медицины, связи, Интернета и промышленности. Однако их применение в автомобильной сфере сталкивается с рядом проблем, в том числе с отсутствием базовых теоретических основ, технических спецификаций и стандартов, неясными стандартами испытаний и отсутствием практического опыта применения в автомобильной промышленности.

①Применение пучков оптоволоконных кабелей в местах развертывания
Использование оптоволоконных жгутов в автомобилях отличается от использования в других областях, и необходимо полностью учитывать экологические характеристики области использования. Например, требования к вибрации касаются таких областей, как двигатель и шасси; необходимо учитывать водонепроницаемость в таких местах, как моторный отсек и ходовая часть; В зонах с высокими температурами необходимо учитывать требования к высокотемпературным характеристикам волоконно-оптических проводников и разъемов. В зависимости от различных условий использования автомобилей компоновочные зоны всего транспортного средства можно грубо разделить на влажные зоны, потенциально влажные зоны и сухие зоны.
(1) К влажным зонам относятся зоны, где провода и разъемы могут вступать в контакт с жидкостями при обычных сценариях использования, например, разъемы жгутов проводов в зонах за пределами пассажирского салона, таких как шасси и моторный отсек. В дождливую или снежную погоду эти участки в той или иной степени будут контактировать с различными жидкостями как во время вождения, так и во время стоянки.
(2) К потенциально влажным зонам относятся зоны, где разъемы жгутов могут контактировать с жидкостями в определенных сценариях ежедневного использования, например, когда двери открываются под дождем, проливаются воды из стаканчиков, тают замороженные предметы или капает конденсат. Например, пол салона, подлокотники дверей, поверхности сидений и т. д.
(3) Под абсолютно сухими зонами понимаются зоны, где разъемы жгутов проводов вряд ли будут контактировать с жидкостями при обычных сценариях использования автомобиля, например, внутренняя часть приборной панели и внутренняя часть обивки потолка. Следует отметить, что требования к водонепроницаемости разъемов жгутов проводов последовательно уменьшаются от влажных зон, потенциально влажных зон к сухим зонам.

②Решения для применения оптоволоконных жгутов
Помимо удовлетворения требований к электрическим характеристикам, применение оптоволоконных кабелей в автомобилях часто требует соблюдения требований к механическим характеристикам. Необходимо учитывать температурный режим, требования к вибрации и водонепроницаемости оптоволоконных кабелей. Решения следующие:
(1) Волоконно-оптические кабели: во-первых, проектирование рассеивания тепла осуществляется путем выбора устойчивых к высоким температурам материалов и оптимизации общей компоновки автомобиля. Например, выбираются материалы, устойчивые к высоким температурам, такие как силиконовая проволока и проволока из сшитого полиэтилена. Эти материалы могут сохранять изоляцию в условиях высоких температур. Во-вторых, используются специальные процессы, такие как двухслойное покрытие и технология ультрафиолетового отверждения. Наконец, оптимизирована компоновка автомобиля. Например, схема жгута проводов позволяет избежать прохождения выхлопной трубы двигателя и зоны высокотемпературных вихрей. Более оптимизированная компоновка достигается за счет управления температурным режимом.
В то же время при прокладке проводки транспортного средства также можно использовать термостойкую теплоизоляционную обертку. Например, для внешней обмотки оптоволоконного кабеля используется термостойкая стекловолоконная трубка из алюминиевой фольги, что может эффективно обеспечить использование оптоволоконных кабелей в высокотемпературных средах в транспортных средствах и повысить устойчивость к старению.
В то же время, чтобы гарантировать возможность использования волоконно-оптических кабелей во влажной среде, оптический кабель также может иметь многослойную защитную структуру для эффективной водонепроницаемости. В частности, внешний слой оптического кабеля обычно представляет собой пластиковую оболочку. Эта оболочка не только обеспечивает механическую защиту, но также выполняет определенную водонепроницаемую функцию. Внутри пластиковой оболочки находится металлическая оболочка, которая еще больше повышает устойчивость оптического кабеля к давлению и водонепроницаемость. Внутри металлической оболочки находится набухающий в воде барьерный слой, который является решающим барьером против проникновения влаги. Если влага все-таки проникает, барьерный слой быстро расширяется, закрывая путь проникновения и предотвращая дальнейшее распространение. В жиле кабеля также предусмотрены меры по гидроизоляции. Оптическое волокно плотно обернуто смазкой и соединено с другими компонентами внутри сердцевины. Эта смазка не только смазывает, но, что более важно, поглощает и удерживает следы влаги внутри сердцевины, предотвращая повреждение волокна.
Благодаря этой многослойной защитной структуре оптический кабель может сохранять сухость и стабильность волокна в различных суровых условиях, обеспечивая плавную передачу сигналов связи. Например, кварцевое многомодовое волокно в автомобильной оптической жгуте, выпущенное компанией Yangtze Optical Fiber and Cable, соответствует автомобильным стандартам с точки зрения изгиба (радиус 10 мм), прочности на разрыв (150 Н), температурных характеристик (-40 ℃ ~ 125 ℃), старения (125 ℃, 3000 ч) и вибрации (V3).
(2) Волоконно-оптические соединители. Основные методы повышения термостойкости волоконно-оптических соединителей включают разработку структур рассеивания тепла и выбор материалов, устойчивых к высоким температурам. Благодаря разумной конструкции рассеивания тепла и использованию материалов, устойчивых к высоким температурам, можно эффективно улучшить производительность и срок службы оптоволоконных разъемов в условиях высоких температур. Во-первых, разработка структуры рассеивания тепла является ключом к повышению термостойкости оптоволоконных разъемов. Оптоволоконные разъемы выделяют тепло во время работы; Разумная конструкция рассеивания тепла может помочь снизить температуру разъема и обеспечить его стабильную работу.

Вот конкретные методы:
① Зарезервируйте металлические компоненты для передачи тепла и облегчения его рассеивания.
② Спроектируйте ребра для отвода тепла. Включите ребра для отвода тепла в корпус разъема, чтобы обеспечить лучший контакт с воздухом и рассеивание тепла через вентиляторы или естественный ветер.
③ Используйте металлический корпус: используйте металлические материалы с лучшими характеристиками рассеивания тепла, чтобы повысить эффективность рассеивания тепла. Во-вторых, выбор термостойких материалов также имеет решающее значение для повышения термостойкости оптоволоконных разъемов.
Обычные материалы склонны к старению или деформации в условиях высоких температур, тогда как жаропрочные материалы лучше выдерживают воздействие высоких температур.
① Высококачественный конструкционный пластик. Для изготовления корпуса разъема и внутренней структуры используйте высококачественный конструкционный пластик, устойчивый к средним и низким температурам, что повышает общую термостойкость.
② Специальные сплавы. Используйте специальные сплавы для изготовления ключевых компонентов разъема, повышая их устойчивость к высоким температурам и устойчивости к деформации. Например, Lytas Optics предлагает бесконтактные оптические разъемы, которые отличаются более высокой повторяемостью соединения, более длительным сроком службы, меньшими потерями при соединении и меньшей чувствительностью к пыли по сравнению с традиционными оптическими разъемами.
③ Для гидроизоляции можно использовать термоусадочную трубку: нанесите термоусадочную трубку на область соединения и используйте нагреватель термоусадочной трубки, чтобы усадить трубку. Функция термоусадочной трубки — защитить оптические волокна и предотвратить попадание влаги и загрязнений. Убедитесь, что термоусадочная трубка плотно прилегает к разъему и оптическому волокну без зазоров. Нанесите необходимое количество герметика на внешнюю сторону термоусадочной трубки, чтобы повысить водонепроницаемость разъема. Убедитесь, что герметик нанесен равномерно и заполнил все возможные зазоры и поры, дождитесь высыхания и затвердевания герметика, а затем выполните герметизирующую обработку. (3) Высокоскоростное соединение достигается через оптоволокно, а порт электрического подключения отвечает за питание датчика. Таким образом, технология оптоволоконной связи имеет широкие перспективы применения и большой потенциал в системах связи транспортных средств. В будущем технология оптоволоконной связи продолжит использовать свои уникальные преимущества и будет оказывать мощную поддержку развитию электронных систем связи транспортных средств. В то же время, благодаря постоянному прогрессу и инновациям технологий, а также постоянному увеличению масштабов, стоимость оптоволоконной связи в транспортных средствах будет еще больше снижаться, решения станут более зрелыми, и они станут предпочтительным решением для решения потребностей в высокоскоростной связи при разработке интеллектуальных транспортных средств.

4. Заключение

Развитие интеллектуальных транспортных средств предъявляет требования к системам связи: высокая скорость, низкие потери и высокая помехоустойчивость. По сравнению с автомобильными медными проводами оптоволоконные провода связи имеют ряд преимуществ. В данной статье кратко анализируются сценарии применения волоконно-оптических жгутов и соответствующие решения. С развитием интеллектуальных транспортных средств автомобильная оптоволокно будет широко использоваться в автомобилях.
(Источник: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Автор: Цзянь Чжунцзянь, Лю Чжицян, Ван Дэнкэ. Научно-исследовательский институт автомобильной техники группы GAC
[2] Жгут проводов Китай. 2026, 5)