S hitrim razvojem avtomobilske industrije kompleksnost avtomobilskih elektronskih sistemov nenehno narašča, zahteve za komunikacijske sisteme pa postajajo vse strožje. Optični snopi kot napreden nosilec prenosa signala se v avtomobilski industriji vse bolj uporabljajo. Optična vlakna s svojimi prednostmi visoke hitrosti, visoke zanesljivosti, nizkih izgub in odpornosti na elektromagnetne motnje postopoma spreminjajo način prenosa podatkov v avtomobilih, kar kaže na ogromen potencial uporabe na področju avtomobilske komunikacije. Ta članek obravnava osnovne značilnosti snopov optičnih vlaken in njihove uporabe v avtomobilih, analizira njihove prednosti in razvojne možnosti.
Z naraščajočo inteligenco in povezljivostjo avtomobilske tehnologije narašča povpraševanje po komunikaciji in prenosu podatkov, zaradi česar sta varnost in stabilnost elektronskih komunikacijskih sistemov v vozilu ključni fokus raziskav. Optična komunikacijska tehnologija kot napredna komunikacijska tehnologija daje nove ideje za razvoj elektronskih komunikacijskih sistemov v vozilih. Ta članek analizira značilnosti komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni, preučuje njeno uporabo v prihodnjih avtomobilih z več perspektiv, raziskuje njene prednosti in napoveduje njene razvojne trende.

1. Tehnični pregled snopov optičnih vlaken

Kabli z optičnimi vlakni uporabljajo svetlobne valove kot nosilce in optična vlakna kot prenosni medij, kar ponuja prednosti, kot so visoka hitrost, visoka zanesljivost, nizke izgube in odpornost na elektromagnetne motnje. Njihove hitrosti prenosa so veliko višje kot pri tradicionalnih bakrenih žicah ali koaksialnih kablih, s čimer izpolnjujejo zahteve za veliko količino komunikacije v realnem času sistemov v vozilu. Optična komunikacijska povezava je sestavljena predvsem iz optičnih konektorjev in optičnih nosilcev za doseganje hitrega prenosa signala.
①Priključek za optična vlakna
Optični konektorji so pasivne optične naprave, ki omogočajo premične povezave med optičnimi vlakni. V glavnem so sestavljeni iz ojačitve z vlakni, poravnave vlaken, prožnega parjenja, zaklepanja konektorjev, pritrditve kabla, obroča proti vrtenju in blažilnika kabla (glejte sliko 1). Konektorji za optična vlakna običajno uporabljajo keramične obročke in keramične tulke za poravnavo vlaken, z vzmetmi, ki zagotavljajo prožno združevanje koncev obročkov. Pred spajanjem je vzmet v predhodno stisnjenem stanju, kar preprečuje, da bi se obroček premaknil zaradi blokirne sile. Med parjenjem umik obroča povzroči sekundarno stiskanje, ki vrne vzmetno silo na obroč, s čimer zagotovi, da dva paritvena obroča ostaneta v stiku in stisnjena skupaj med postopkom spajanja.

②Prevodnik iz optičnih vlaken
Optična vlakna so cilindrična in so večinoma sestavljena iz jedra, ovoja in prevleke (glej sliko 2). Načelo prenosa optičnih vlaken uporablja pojav popolnega notranjega odboja. To pomeni, da ko svetloba pade iz optično gostejšega medija (z relativno visokim lomnim količnikom) v optično manj gost medij (z relativno nizkim lomnim količnikom), če je vpadni kot večji od kritičnega kota za popolni notranji odboj, se svetloba ne bo več lomila, ampak se bo popolnoma odbila nazaj v prvotni medij, kar zagotavlja, da se optični signal lahko širi po optičnem vlaknu brez puščanja.

Optična vlakna imajo naslednje lastnosti:
(1) Visoka hitrost prenosa, dolge razdalje in visoka vsebina: optična vlakna imajo zelo visoko hitrost prenosa, lahko prenašajo podatke na velike razdalje in lahko prenašajo veliko količino podatkov hkrati.
(2) Ne vpliva na elektromagnetne motnje: optična vlakna prenašajo optične signale in nanje ne vplivajo elektromagnetni valovi, zato je kakovost signala stabilnejša.
(3) Široka pasovna širina: Optična vlakna imajo zelo široko pasovno širino, ki lahko podpira hiter prenos podatkov.
(4) Nizka izguba: Izguba pri prenosu optičnega vlakna je zelo majhna in teoretično lahko prenaša na stotine kilometrov ali celo daljše razdalje brez izgube kakovosti signala.
(5) Visoka varnost: prenos po optičnih vlaknih ne ustvarja elektromagnetnega sevanja in mu zunanji elektromagnetni valovi ne morejo prisluhniti, zato je bolj primeren za nekatere scenarije z visokimi zahtevami glede varnosti podatkov.
(6) Majhna velikost in majhna teža: V primerjavi s tradicionalnimi bakrenimi kabli so optična vlakna manjša in lažja, kar olajša namestitev in vzdrževanje. Ta prednost je še bolj očitna v velikih komunikacijskih omrežjih.

2. Prednosti snopov optičnih vlaken v inteligentnih avtomobilskih aplikacijah

Ko hitrost prenosa bakrenih žic doseže 10 GB/s ali več, bodo za izpolnitev zahtev glede hitrosti potrebne debelejše bakrene žice. Vendar pa v okolju avtomobilske postavitve odebelitev bakrenih žic vodi do povečanja teže vozila in stroškov vozila, ki ne morejo izpolniti zahtev okolja postavitve vozil za visoke hitrosti in majhne teže. Tehnologija optičnih kablov lahko bistveno izboljša kakovost in zanesljivost komunikacije ter zmanjša elektromagnetne motnje brez dodajanja dodatne teže, s čimer izboljša varnost in stabilnost vozila.
(1) Hitrost prenosa kabla z optičnimi vlakni je veliko večja kot pri tradicionalnih bakrenih žicah ali koaksialnih kablih. Prenese lahko na milijone megabajtov podatkov na sekundo, kar lahko zadovolji komunikacijske potrebe sodobnih avtomobilov za veliko količino podatkov in visoko zmogljivost v realnem času. Najvišja hitrost tradicionalnih omrežij z bakreno žico lahko doseže le 10 GB/s, kar je težko izpolniti zahteve visoke hitrosti prenosa.
(2) Izguba pri prenosu optičnega vlakna je izjemno majhna. Izguba na kilometer je običajno manjša od 0,0035 dB/m, kar lahko zagotovi visoko kakovost signala med prenosom na dolge razdalje. V nasprotju s tem je izguba pri prenosu tradicionalnih omrežij z bakreno žico 0,5 dB/m, kar je veliko med prenosom na dolge razdalje.
(3) Komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni uporablja svetlobne valove za prenos signalov v optičnih vlaknih, ki imajo znatno odpornost na elektromagnetne motnje v primerjavi s tradicionalnim prenosom z bakreno žico.
(4) V primerjavi s tradicionalnimi kovinskimi žicami lahko plastična optična vlakna (POF) kot vrsta avtomobilskih optičnih vlaken znatno zmanjšajo težo vozila in izboljšajo gospodarnost vozila.

3.Scenariji uporabe optičnih snopov v avtomobilih

Snopi iz optičnih vlaken se trenutno pogosto uporabljajo na področju medicine, komunikacij, interneta in industrije. Vendar se njihova uporaba na avtomobilskem področju sooča s številnimi izzivi, vključno s pomanjkanjem osnovnih teoretičnih temeljev, tehničnih specifikacij in standardov, nejasnimi standardi testiranja in pomanjkanjem praktičnih izkušenj v avtomobilskih aplikacijah.


①Uporaba snopov optičnih vlaken na območjih uporabe
Uporaba optičnih vlaken v avtomobilih se razlikuje od uporabe na drugih področjih, zato je treba v celoti upoštevati okoljske značilnosti področja uporabe. Na primer, zahteve glede vibracij so vključene v področja, kot sta motor in šasija; je treba upoštevati vodoodpornost na področjih, kot sta motorni prostor in podvozje; Na območjih z visoko temperaturo je treba upoštevati zahteve glede delovanja vodnikov in konektorjev z optičnimi vlakni pri visokih temperaturah. Glede na različna okolja uporabe avtomobilov lahko območja postavitve celotnega vozila grobo razdelimo na mokra območja, potencialno mokra območja in suha območja.
(1) Vlažna območja se nanašajo na območja, kjer je verjetno, da bodo žice in konektorji prišli v stik s tekočinami pri običajnih scenarijih uporabe, kot so konektorji kabelskega snopa v območjih zunaj prostora za potnike, kot sta šasija in prostor za motor. V deževnem ali snežnem vremenu bodo ti predeli v določeni meri prišli v stik z različnimi tekočinami, bodisi med vožnjo ali med parkiranjem.
(2) Potencialno mokra območja se nanašajo na območja, kjer lahko konektorji kabelskega snopa pridejo v stik s tekočino v določenih scenarijih vsakodnevne uporabe, na primer, ko se vrata odprejo v dežju, ko se polijejo skodelice z vodo, stopijo zamrznjeni predmeti ali kaplja kondenz. Na primer tla v potniškem prostoru, nasloni za roke na vratih, sedežne površine itd.
(3) Popolnoma suha območja se nanašajo na območja, kjer je malo verjetno, da bodo konektorji kabelskega snopa prišli v stik s tekočinami v običajnih scenarijih uporabe vozila, kot sta notranjost armaturne plošče in notranjost stropa. Upoštevati je treba, da se zahteve glede nepremočljivega tesnjenja za konektorje kabelskega snopa zaporedno zmanjšujejo od mokrih območij, potencialno mokrih območij do suhih območij.

②Rešitve uporabe optičnih vlaken
Poleg izpolnjevanja zahtev glede električne zmogljivosti uporaba kablov iz optičnih vlaken v avtomobilih pogosto zahteva izpolnjevanje zahtev glede mehanske učinkovitosti. Upoštevati je treba temperaturno oceno, zahteve glede vibracij in vodotesnosti kablov iz optičnih vlaken. Rešitve so naslednje:
(1) Kabli iz optičnih vlaken: Najprej se izvede zasnova odvajanja toplote z izbiro materialov, odpornih na visoke temperature, in optimizacijo celotne postavitve vozila. Izbrani so na primer žični materiali, odporni na visoke temperature, kot sta silikonska žica in žica iz XLPE. Ti materiali lahko ohranijo izolacijo v okoljih z visoko temperaturo. Drugič, uporabljajo se posebni postopki, kot sta dvoslojni premaz in tehnologija ultravijoličnega utrjevanja. Končno je postavitev v vozilu optimizirana. Na primer, postavitev kabelskega snopa se izogiba poti izpušne cevi motorja in visokotemperaturnemu vrtinčnemu območju. S toplotnim upravljanjem je dosežena bolj optimizirana postavitev.
Hkrati se lahko toplotnoizolacijski ovoj, odporen na visoke temperature, uporabi tudi pri razporeditvi ožičenja vozila. Na primer, cev iz steklenih vlaken iz aluminijaste folije, odporne na visoke temperature, se uporablja za ovijanje zunanje strani kabla iz optičnih vlaken, kar lahko učinkovito zagotovi uporabo kablov iz optičnih vlaken v okoljih z visoko temperaturo v vozilih in izboljša odpornost proti staranju.
Hkrati je optični kabel lahko zasnovan z večplastno zaščitno strukturo za učinkovito vodoodpornost, da bi zagotovili uporabo optičnih kablov v vlažnem okolju. Natančneje, najbolj zunanja plast optičnega kabla je običajno plastični ovoj. Ta ovoj ne zagotavlja le mehanske zaščite, ampak ima tudi določeno vodotesno funkcijo. Znotraj plastičnega ovoja je kovinski plašč, ki dodatno poveča odpornost optičnega kabla na pritisk in vodoodpornost. Znotraj kovinskega plašča je pregradna plast, ki nabrekne v vodi, kar je ključna ovira pred prodiranjem vlage. Če vlaga vdre, se pregradna plast hitro razširi, zapre vdorno pot in prepreči nadaljnje širjenje. Jedro kabla vključuje tudi hidroizolacijske ukrepe. Optično vlakno je tesno ovito v mast in povezano z drugimi komponentami znotraj jedra. Ta mast ne le maže, ampak, kar je še pomembneje, absorbira in zadrži sledove vlage v jedru, kar preprečuje poškodbe vlaken.
S to večplastno zaščitno strukturo lahko optični kabel ohranja suhost in stabilnost vlakna v različnih težkih okoljih, kar zagotavlja nemoten prenos komunikacijskih signalov. Na primer, kvarčno večmodno vlakno v rešitvi avtomobilskega optičnega snopa, ki ga je izdal Yangtze Optical Fiber and Cable, izpolnjuje avtomobilske standarde glede upogiba (polmer 10 mm), natezne trdnosti (150 N), temperaturnih značilnosti (-40 ℃ ~ 125 ℃), staranja (125 ℃, 3000 h) in vibracij (V3).
(2) Konektorji za optična vlakna: glavne metode za izboljšanje temperaturne odpornosti konektorjev za optična vlakna vključujejo načrtovanje struktur za odvajanje toplote in izbiro materialov, odpornih na visoke temperature. Z razumno zasnovo odvajanja toplote in uporabo materialov, odpornih na visoke temperature, je mogoče učinkovito izboljšati delovanje in življenjsko dobo konektorjev za optična vlakna v okoljih z visoko temperaturo. Prvič, oblikovanje strukture za odvajanje toplote je ključno za izboljšanje temperaturne odpornosti konektorjev iz optičnih vlaken. Konektorji iz optičnih vlaken med delovanjem ustvarjajo toploto; razumna zasnova odvajanja toplote lahko pomaga zmanjšati temperaturo konektorja in zagotoviti njegovo stabilno delovanje.

Tukaj so posebne metode:
① Rezervirajte kovinske komponente za prenos toplote in pomoč pri odvajanju toplote.
② Oblikovana rebra za odvajanje toplote: v ohišje konektorja vključite rebra za odvajanje toplote, da omogočite boljši stik z zrakom in odvajanje toplote prek ventilatorjev ali naravnega vetra.
③ Uporabite kovinsko ohišje: uporabite kovinske materiale z boljšim odvajanjem toplote, da izboljšate učinkovitost odvajanja toplote. Drugič, izbira materialov, odpornih na visoke temperature, je prav tako ključna za izboljšanje temperaturne odpornosti konektorjev za optična vlakna.
Običajni materiali so nagnjeni k staranju ali deformacijam v okoljih z visoko temperaturo, medtem ko materiali, odporni na visoke temperature, bolje prenesejo učinke visokih temperatur.
① Visokokakovostna inženirska plastika: uporabite visokokakovostno inženirsko plastiko, odporno na srednje in nizke temperature, da izdelate ohišje priključka in notranjo strukturo, kar izboljša splošno temperaturno odpornost.
② Posebni materiali iz zlitin: Uporabite materiale iz posebnih zlitin za izdelavo ključnih komponent konektorja, s čimer povečate njihovo odpornost na visoke temperature in odpornost na deformacije. Na primer, Lytas Optics ponuja brezkontaktne optične konektorje, ki imajo višjo ponovljivost parjenja, daljšo življenjsko dobo parjenja, nižjo izgubo parjenja in manjšo občutljivost na prah v primerjavi s tradicionalnimi optičnimi konektorji.
③ Za hidroizolacijo lahko uporabite termoskrčljivo cev: nanesite toplokrčno cev na priključno območje in uporabite grelnik za toplotno skrčeno cev, da skrčite cev. Funkcija toplotno skrčljivih cevi je zaščita optičnih vlaken in preprečevanje vdora vlage in onesnaževalcev. Prepričajte se, da se toplokrčna cev tesno prilega konektorju in optičnemu vlaknu brez rež. Nanesite ustrezno količino tesnila na zunanjo stran toplotno skrčljive cevi, da povečate vodoodpornost konektorja. Prepričajte se, da je tesnilna masa enakomerno nanesena in zapolni vse morebitne vrzeli in pore, počakajte, da se tesnilna masa posuši in strdi, nato pa izvedite obdelavo tesnjenja. (3) Hitra povezava je dosežena prek optičnih vlaken, vrata za električno povezavo pa so odgovorna za napajanje senzorja. Če povzamemo, komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni ima široke možnosti uporabe in velik potencial v komunikacijskih sistemih vozil. V prihodnosti bo komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni še naprej izkoriščala svoje edinstvene prednosti in zagotavljala močno podporo razvoju elektronskih komunikacijskih sistemov vozil. Hkrati se bodo z nenehnim napredkom in inovacijami tehnologije ter nenehnim izboljševanjem obsega stroški komunikacije z optičnimi vlakni v aplikacijah vozil še znižali, rešitve bodo postale bolj zrele in postala bo prednostna rešitev za reševanje potreb po hitri komunikaciji pri razvoju inteligentnih vozil.

4. Zaključek

Razvoj inteligentnih vozil postavlja zahteve za komunikacijske sisteme, ki zahtevajo visoko hitrost, majhne izgube in močno odpornost na motnje. V primerjavi z avtomobilskimi bakrenimi žicami ponujajo komunikacijske žice iz optičnih vlaken številne prednosti. Ta članek na kratko analizira scenarije uporabe snopov optičnih vlaken in ustrezne rešitve. Z razvojem inteligentnih vozil se bodo avtomobilska optična vlakna široko uporabljala v avtomobilih.
(Vir: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Avtor: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Kabelski snop Kitajska. 2026, 5)