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“新四化”下的汽车线束发展趋势

2023/7/6    来源:希骥智能网联汽车    作者:希骥智能网联汽车      
关键字:汽车  线束  
汽车的“新四化”主要是指电动化、智能化、网连化、共享化。线束领域未来将向轻量化、高压化、高速化、平台化、智造化五个方向发展。
1 前言

       汽车行业的“新四化”是新一代信息通讯、新能源、新材料等技术与汽车产业融合的产物,其快速发展不仅带来整车制造业产业生态的深化变革,也全面重塑汽车零部件的产业竞争格局。电动化、智能化、网连化、共享化,正在成为整个汽车产业的发展趋势,各大OEM也都向着“新四化”的方向努力前进;各种新技术、新概念(如ADAS技术,新能源汽车等)的出现,强烈刺激着新一代人的消费欲望。对线束带来什么影响?下面我们就这个问题进行探讨。

2 新四化

       2.1 电动化

       电动化,指的是车辆动力系统领域的电动化,即采用电力驱动系统代替传统的内燃机动力系统。包括混合动力(HEV、HPEV)、纯电(BEV)、增程式(EREV)、燃料电池(FCV)等动力形式,各大企业纷纷布局,适应不同的用户需求。即使是现在最火的纯电(BEV)车型使用的锂电池技术也在不断地发展中,远未达到成熟的程度。

       电动化对汽车线束的影响主要是增加了高压系统,高压导线、高压接插件、大线径铝导线、大电流Busbar以及其迭代优化的产品将得到开发和应用,同时对其技术参数、测试要求和测试方法也被不断验证,从而满足电动化的要求。

       2.2 智能化

       智能化,指的是无人驾驶或者驾驶辅助系统在车辆上的大量应用。目前仍然未有一个真正达到L3级别的自动驾驶车型出现,真正的智能驾驶或无人驾驶仍然远未实现,现在的“自动驾驶”依然只是“高级驾驶辅助系统”。应对不同的场景和保证车辆安全,多传感器融合成为行业趋势;不仅可利用不同传感器的性能优势,还能提高整个系统的智能化。

       智能化对汽车线束的影响主要是新架构、新原理使得线束设计更加简洁,可以将更多的精力投入到车载以太网、特种线、特种连接器的开发研究和测试中,以确保无人驾驶、智能泊车、540度影像等功能的可靠连接。

       2.3 网联化

       网联化包含车际网、车云网、车内网三部分。车际网采用中短距离通信技术,实现车车/车路协同,如LTE-V、5G,要求时延极短,可靠性高,需要支撑主动安全应用;车云网通过车与云端的连接,主要应用Telematics的通信,如3G/4G/5G;覆盖范围广,能够与Internet连接,时延较大,不适合紧急安全应用;车内网是指车与内部传感器的有线连接,CAN BUS、高速以太网;车机与手机等设备的无线连接,包括蓝牙、WiFi、NFC。

       网联化实现车辆的在线化和基于网络的各种服务应用和相应的数据采集。网联化让车辆不在是一个无法“成长”的工具,通过OTA技术让车辆的功能和性能可以持续的迭代成长。而且,联网使车辆信息娱乐系统可以获得在线的数据和服务,使车辆成为了继电脑及手机之后的又一个互联网世界的入口,同时使得大量采集车辆运行时的各种数据成为了现实。未来,车辆的实时运行可以被网络直接进行控制、且车辆的绝大部分的数据都可以与云端进行实时交换之时,才是网联化的成熟之时。我公司提倡“软件定义汽车”,将软件功能作为商品单独售卖已经不再是新闻。

       2.4 共享化

       共享化,指的是车辆的共享与出行的共享。也有人将其称为服务化,指的是移动出行将作为一种服务被提供,从而改变目前每个人都需要购置车辆的现状。共享化目前看来仍然只是一种基于网络定位服务的商业模式。

       网联化和共享化对汽车线束的影响主要是车载特种线、特种连接器种类和数量增多。特种线具有高可靠性、低电磁辐射、低功耗、低延迟以及同步实时性技术特点,该产品的特性与传统导线完全不同,因此需要对设计和测试能力提出新的挑战。特种线连接器发展迅速,由单一型向集成型发展,减少体积,提高集成度、提升工厂装配效率。

       “新四化”是时代的需求,融合发展,将交通工具变成移动终端,促进出行方式变革,完成为一场消费的变革。

3 汽车线束的组成及现状

       汽车线束是汽车电路的网络主体,连接汽车的电气部件并使之发挥功能。在汽车上的作用相当于人的“神经和血管”。它既要确保传输整车电信号和提供整车电能,也要保证连接电路的可靠性。

       汽车线束主要由连接器、端子、导线、保险盒、扎带、蓄电池桩头、橡胶件、包覆材料(波纹管、胶带、自卷管等)、护线盒等组成;其中连接器、导线占线束物料成本2/3左右。

汽车线束的组成

图1 汽车线束的组成

       低压线束分别是仪表台板线束、底盘线束、发动机舱线束、发动机线束、门线束、顶棚线束、前保险杠线束、后保险杠线束、电子手刹线束、轮速传感器线束、馈线总成等。

       高压线束分别是高压电源线束、电动压缩机电源线束、直流变换器输出负极线束、PTC输入线束、交直流一体充电插座线束、家用交流输出连接线束、充电机搭铁线束等。

高压线束的组成

图2 高压线束的组成

       在“新四化”趋势下,汽车电器功能增多,线束用量加大,减重降本面临更大的挑战,复杂的电性能检查让人望而生畏;功能配置复杂多变,线束状态繁多,线束布线空间愈发局促,自动化加工需求增大,才能满足生产的交付;网络架构域集中式将会改变线束拓扑,千兆以太网的应用对线束传输性能要求更高,特殊线缆的工艺挑战大;电动车高电压大电流的应用将会对电磁兼容、线束安全性带来更大的挑战。

4 线束关键技术及发展趋势

       在汽车“新四化”的背景下,基于线束行业的问题和挑战,线束领域未来将向轻量化、高压化、高速化、平台化、智造化五个方向发展。

       4.1 轻量化

       4.1.1 优化架构,减少线束长度

       整车网络架构从传统的分布式架构,逐渐进化为集中式域架构,采用了域控制器集成架构,线束长度相比传统车减少50%。

汽车电气架构发展趋势

图3 汽车电气架构发展趋势

       4.1.2 铝导线、铜包铝合金导线等新产品的应用

       铝的密度和价格为铜的1/3,电导率是铜的64%,提升导线规格1-2个档次,可实现替换,导体部分轻50%,导线成本可降低40%。

       中小线径铝导线因为加工工艺难度大、配套接插件品类不全、强度弱,还无法普及应用;大线径铝导线在电源线上已经批量应用,加工方式主要有:超声波焊接、离子焊、套筒压接,线束成本可降低10—15%。

       小线径铜包铝合金导线可以直接替代同线径铜导线,应用在低压线束总成中,导线成本可降低10%。

铝导线、铜包铝合金导线等新产品的应用

图4 铝导线、铜包铝合金导线等新产品的应用

       4.1.3 导线、连接器的小型化

       信号线可采用0.22/0.13/0.08mm²超细导线代替,0.22/0.13mm²导线已在合资品牌广泛采用。各种铜合金材料满足端子小型化需求,但压接能力、工艺管控能力不足,需要提升。

导线小型化

图5 导线小型化

       4.1.4 FFC柔性扁平线缆的研究与应用

       FFC(Flexible Flat Cable)柔性扁平线缆由上下两层绝缘材料、中间夹上扁平铜箔组成,厚度薄、体积小、重量轻、可随意弯曲折叠、拆卸方便、易解决电磁屏蔽(EMI)等优点。用于空间要求高的位置,如顶棚线束、动力电池包内低压线束等。

FFC线束(顶棚)

图6 FFC线束(顶棚)

       4.1.5 电子保险丝盒的研究与应用

       通过半导体芯片替代保险丝、继电器,较插线式保险丝盒体积减少约15%,重量降低约20%。大电流采用驱动芯片+MOSFET分立方案,小电流(<25A)采用HSD智能高边开关集成方案,具有可靠性高、可编程、免维护、可联网,可精确供电管理等优点。

保险盒发展趋势

图7 保险盒发展趋势

       4.2 高压化

       4.2.1 高压连接器平台化设计

       新能源汽车高压系统通常采用300V以上高电压,大电流,对连接器的绝缘、防护等安全性要求更高。高压连接器平台化设计关键项主要有温升及降额曲线、高压互锁设计、防护等级、电磁屏蔽、连接器材质选择等。高压连接器从定制化到平台化,从金属连接器到塑料连接器轻量化,趋势明显。

高压连接器发展趋势

图8 高压连接器发展趋势

       4.2.2 片式连接器

       随着电流的不断增大,圆型连接器通过增大截面直径对载流能力的提升已不明显。片式连接器在大电流领域有着独特优势,其接触点呈线性排列,可通过增大接触件宽度,或多个接触件并排布置来减小接触电阻,效果显著。片式连接器采用冲压工艺,体积更小,生产效率高,成本低。

片式连接器

图9 片式连接器

       4.2.3 大电流Busbar

       为实现8分钟充电80%的目标,充电电流将由250A提升至400A-800A,铜电缆规格将由70mm²增加到120-150mm²,如果采用铝电缆,规格将进一步提升至150-200mm²。大规格电缆不易布线,车载电缆超过120mm²时基本无法布线,Busbar应运而生,并可实现自动化装配,相比线缆成型,省去了拉丝、退火、绞合的工序。如果使用尼龙料则无需交联工序,铝棒外套铝管即可实现屏蔽效果,同时对铝棒也是一种防护,无需再增加外护套。

排状Busbar

图10 排状Busbar

棒状Busbar

图11 棒状Busbar

       4.2.4 高压线束EMC性能开发

       从直流到三相交流、DC/DC电压转换,充电机交直流转换等工作过程,其内部IGBT会产生频率为100KHZ至200KHZ电磁干扰,这种干扰主要以公模电流的形式沿高压电缆传播,引起车载电子设备和通信网络异常。高压线束解决EMC三要素之“路”,采用接地滤波和屏蔽;高压导线采用双层屏蔽方式,高压连接器采用屏蔽环、屏蔽簧等方案。

EMC性能开发

图12 EMC性能开发

       4.3 高速化

       4.3.1 车载以太网的研究与应用

       是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。主要应用于带宽需求较高的系统,如自动驾驶辅助系统(ADAS)、车载诊断系统(OBD)以及车载信息娱乐系统等,可实现100M/s甚至10G/s的数据传输速率。

       以太网标准,主要是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程师协会)IEEE 802.3、OPEN联盟标准(One Pair Ether-Net,单绞线以太网联盟)。

       普通以太网使用2对或4对非屏蔽双绞线(UTP)电缆,车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率,并满足汽车行业高可靠性,低电磁辐射,低功耗,带宽分配,低延迟以及同步实时性等方面的要求。

汽车网络发展趋势

图13 汽车网络发展趋势

       4.3.2 特种线、特种连接器

       汽车上高频信号多样性,带来特种线种类的多样性,如FM/AM馈线、USB转接线、GPS天线、TBOX天线、摄像头线、fakra同轴线、HSD视频线、以太网线等;特种线具有高可靠性、低电磁辐射、低功耗、低延迟以及同步实时性技术特点,如fakra同轴线已逐步替代FM/AM馈线、GPS天线。

       特种线连接器发展迅速,由单一型向集成型发展,减少体积,提高集成度、提升工厂装配效率。

特种线参数

图14 特种线参数

特种连接器

图15 特种连接器

       4.4 线束设计方案平台化设计

       线束设计方案平台化设计主要遵循以下几个原则:

       (1)配置平台化:按照配置组合包的方式搭建基础配置,以最少的线束状态覆盖所有配置。

       (2)原理平台化:将整车架构划分为不同功能的子系统,每个子系统逐渐实现原理平台化。

       (3)接口平台化:统筹整车所有电器零部件接口信息,按照部件端和线束端接口固化建立数据库。

       (4)布置平台化:按照整车区域将线束分为不同模块,根据平台化布置原则建立线束3D平台化布置架构。

同一原理的不同分段布置方案

图16 同一原理的不同分段布置方案

不同车型的布置平台化

图17 不同车型的布置平台化

       4.5 智造化

       4.5.1 线束模块化设计

       因配置和保供需求,方案多样化,通过排列组合,线束总成将出现不同结果,线束模块化设计可以将功能划分成不同的模块,按照模块进行开发,能够快速实现线束生产多样化,实现一车一线,车车不同,满足客户的个性化需求。

线束模块化设计和生产

图18 线束模块化设计和生产

       4.5.2 生产线的自动化

       汽车线束属于劳动密集型产业,行业自动化率不到30%,产品质量参差不齐,上升的人工成本对企业利润形成较大冲击,招工难成为行业难点,提高线束行业自动化生产水平,推动线束企业转型尤为重要。推进柔性智能自动化生产线是对中国制造2025工业4.0的有力支撑,更为重要意义是在于提升产品一致性、提升企业生产效率、提升行业竞争力。

       主要针对占汽车线束生产工艺中70%以上劳动力的分装和组装环节进行自动化改造,这需要结合精密机械设计技术、智能机器人控制技术、机器视觉技术和计算机技术等学科技术,突破线束自动插植、自动布线、自动包胶和自动扎带等关键技术难点,实现分装和组装环节的整体布局,最终实现自动加工和柔性生产。现阶段的电器盒的PIN脚/保险丝/继电器、下线及安装防水堵、以及安全气囊线束等产品已经实现工业自动化。

生产线的自动化

图19 生产线的自动化

5 结论

       零部件供应商、线束供应商、OEM设计及工厂质量管控,层层递进、层层相关,形成一个完成的线束产业链。所有的技术都是为了不断提高汽车的安全性、舒适性和人、车、路的信息交互,提高车主的体验感,必须经过严格的测试才能应用到产品中,否则将成为空中楼阁。整车线束的可靠性提升,需要从其设计、装配、使用等多个环节进行可靠性的设计和验证。设计是第一个环节,也是线束关键环节。

       提升主机厂和供应商的研发能力,引入基于网络、基于数据库系统的线束设计软件,搭建设计数据库、固化图纸模板,缩短开发周期,减少错误率,将线束工程师从繁琐的工作中解脱出来,把更多精力和时间集中在工艺优化和项目创新方面。

       线束作为劳动密集型产品,主要依托人工组装,生产过程控制是线束质量的重要保障,才能提供合格的产品。

线束检测台

图20 线束检测台

       据乘联会数据显示2022年1-5月新能源汽车渗透率已达到23.4%,已提前实现国务院办公厅在《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中提出的目标,预测2025年或将达到40%。高压线束作为电动汽车上动力输出的主要载体,是整车性能和安全的关键零部件之一。车内高压线束主要是对新能源车辆提供高压强电供电作用,在新能源汽车中属于高安全件,具有大电压/大电流、大线径导线数量多等特点与传统的车内低压用途相比车内高压电源传输对线束的电性能、屏蔽性能、机械性能和耐久性能都有较高的要求。高压线束零部件的迭代开发、模块化开发、成组开发,成为未来线束发展的重中之重。

       中国颁布的《智能网联汽车技术路线图2.0》进一步明确发展线路:到2025年,PA(部分自动驾驶)、CA(有条件自动驾驶)级智能网联汽车市场份额超过50%,HA(高度自动驾驶)级智能网联汽车实现限定区域和特定场景商业化应用;到2030年,PA、CA级智能网联汽车市场份额超过70%,HA级智能网联汽车市场份额达到20%,并在高速公路广泛应用、在部分城市道路规模化应用;到2035年,中国方案智能网联汽车技术和产业体系全面建成、产业生态健全完善,整车智能化水平显著提升,HA级智能网联汽车大规模应用整体来看,2022-2025年线束市场规模将随着电动化、智能化渗透率的增加而增长。但其中低压线束市场作为基本盘,在域架构下线束用量减少,因此在我们3%的汽车销量增速预期下,其规模基本保持稳定;高压线束和高速线束是传统低压线束之外的增量市场,分别受益于电动化和智能化程度和渗透率的提升,在较高单车价值量的情况增速较快,预计到2025年的市场规模将分别达到205亿元和123亿元,年复合分别增长11%和13%。综合考虑,汽车线束市场建议主要关注增量市场的高压线束和高速线束。

       参考文献:
       [1]刘平.伍绍亮等.《图解汽车线束技术基础》[M].化学工业出版社,2023
       [2]凌永成《车载网络技术》[M].机械工业出版社,2022
       [3]崔胜民.《新能源汽车技术解析》[M]. 化学工业出版社,2021
       [4]唐海.《新四化汽车线束关键技术和挑战》.线束中国微信公众号. 2021.8.11
       [5]赵平堂.《汽车线束与连接器的技术发展》.线束中国微信公众号.2022.4.19
       [6]周庆文.《谈谈线束发展趋势》.线束世界微信公众号.2019.7.16
责任编辑:程玥
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