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摘要：從能源安全與生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出汽車輕量化的必要性；從鋁導(dǎo)線、線徑細(xì)小化、線束總體布局設(shè)計(jì)、域控制器技術(shù)等方面論述汽車線束系統(tǒng)輕量化技術(shù)，通過案例驗(yàn)證，說明汽車電氣系統(tǒng)輕量化的可行性，總結(jié)汽車電氣系統(tǒng)輕量化方法。

關(guān)鍵詞：線束；輕量化；鋁導(dǎo)線；小線徑導(dǎo)線

0引言

汽車保有量的持續(xù)增高，一方面推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，另一方面給環(huán)境與能源消耗帶來了壓力與影響。汽車排放是大氣污染的重要來源，節(jié)能減排是汽車行業(yè)的重要任務(wù)。汽車輕量化是節(jié)能減排的重要方面，汽車線束是輕量化的重要組成部分。以某C級(jí)車為例，通過線束連接的電器件達(dá)到514個(gè)，這些線束本身可被拆分成5000多個(gè)獨(dú)立零件，拆解后長(zhǎng)度可達(dá)3~4km，線束成本約占整車成本3%。線束輕量化研究越來越受重視。本文從鋁導(dǎo)線、線徑細(xì)小化、線束總體布局、域控制器技術(shù)等方面研究線束輕量化，進(jìn)行案例驗(yàn)證，總結(jié)出汽車線束輕量化方法，為汽車降重、降成本提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1導(dǎo)線小型化設(shè)計(jì)

1.1應(yīng)用小型導(dǎo)線的意義

目前，汽車線束導(dǎo)線朝著細(xì)小化方向發(fā)展，與之前相比，內(nèi)艙越來越多使用0.13mm²和0.75mm²銅導(dǎo)線。小型化線束是各大線束廠商的重點(diǎn)研究方向，整車線束越來越輕，占汽車重量比率逐漸降低。隨著新技術(shù)的發(fā)展，越來越多企業(yè)采用新型合金細(xì)導(dǎo)線（0.17、0.13mm²）替代傳統(tǒng)銅導(dǎo)線，以減輕線束重量。線束中信號(hào)回路比電源回路數(shù)量大，如果信號(hào)線能采用合金細(xì)導(dǎo)線，則可以在很大程度上減輕線束重量，這是線束輕量化的一個(gè)方向。

1.2小型導(dǎo)線可行性論證

各類導(dǎo)線參數(shù)見表1，單位長(zhǎng)度下0.13mm²合金導(dǎo)線比0.35mm²銅導(dǎo)線重量減少60%，導(dǎo)線截面積減小65%，同時(shí)抗拉強(qiáng)度更優(yōu)。采用0.13mm²導(dǎo)線可以改善線束的重量和尺寸。在汽車線束中，單根信號(hào)導(dǎo)線的回路長(zhǎng)度一般不超過5m，因此小線徑合金導(dǎo)線的電阻很小，引起的電壓降消耗不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。0.13mm²合金導(dǎo)線對(duì)于端子的壓接效果高于標(biāo)準(zhǔn)要求，目前基本可以實(shí)現(xiàn)合金細(xì)導(dǎo)線壓接，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由上可知，0.13mm²導(dǎo)線在機(jī)械強(qiáng)度、性能和壓接工藝上均具有可行性[1]。

1.3小型導(dǎo)線應(yīng)用問題及措施

汽車運(yùn)行中，導(dǎo)線外包的絕緣體受熱后性能逐步退化，導(dǎo)線電阻逐步升高，選取導(dǎo)線線徑時(shí)，需要評(píng)估電流是否匹配小線徑導(dǎo)線。在整車線束布置中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境溫度較高且不穩(wěn)定，對(duì)于導(dǎo)線性能具有一定影響和安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于小線徑導(dǎo)線，建議從內(nèi)艙開始應(yīng)用，內(nèi)艙環(huán)境溫度合適而且多為靜態(tài)區(qū)域；待小型導(dǎo)線技術(shù)逐漸完善后，再應(yīng)用到其他區(qū)域。

2鋁導(dǎo)線應(yīng)用分析

近年來，汽車上整車控制器、傳感器越來越多，連接線束越來越長(zhǎng)，整車成本不斷增加。電氣設(shè)計(jì)師努力嘗試采用數(shù)據(jù)總線來減少線束回路，但減重效果已逐步達(dá)到極限；因此，鋁導(dǎo)線的應(yīng)用越來越成為發(fā)展方向。

2.1鋁導(dǎo)線的優(yōu)勢(shì)

2.1.1密度小

與銅導(dǎo)線相比鋁導(dǎo)線密度小，在相同長(zhǎng)度下鋁導(dǎo)線重量更輕，是線束輕量化發(fā)展的趨勢(shì)之一[2]。銅鋁性質(zhì)對(duì)比見表2，銅與鋁的密度比為10：3，購(gòu)買1t鋁線的體積約相當(dāng)于3.3t銅線。

2.1.2價(jià)格低、鋁資源豐富

全球銅儲(chǔ)量遠(yuǎn)小于鋁，因此銅價(jià)格高于鋁，且銅價(jià)格呈上升趨勢(shì)，鋁價(jià)格相對(duì)低廉且波動(dòng)較小。汽車線束用銅量大，采用鋁替代銅，可以有效降低汽車線束的生產(chǎn)成本。

2.2鋁導(dǎo)線的劣勢(shì)

2.2.1電阻率高

鋁的電阻率比銅高，意味著在給定的電壓降下，鋁導(dǎo)體必須具有較大橫截面積。

2.2.2機(jī)械強(qiáng)度低

鋁導(dǎo)線柔軟易彎曲，且抗振性差。相同條件下，鋁的抗拉強(qiáng)度僅為銅的一半，這會(huì)影響端子的壓接拉脫力[2]。

2.3鋁導(dǎo)線應(yīng)用可行性

鋁導(dǎo)線是線束行業(yè)輕量化的發(fā)展方向，尤其在蓄電池線束上的應(yīng)用越來越廣泛。為驗(yàn)證電源線路使用鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線的可行性，在某C級(jí)車上，試驗(yàn)鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線技術(shù)。選取了傳輸電源的單回路、非絞線回路、非接地回路、非焊點(diǎn)回路，并優(yōu)選非長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作干區(qū)電源回路。搭載鋁導(dǎo)線前后，分別對(duì)銅、鋁導(dǎo)線進(jìn)行電壓降測(cè)試、熱沖擊測(cè)試、載流測(cè)試等一系列試驗(yàn)，并進(jìn)行道路試驗(yàn)，目前試驗(yàn)結(jié)果均無異常，說明在這些回路上銅、鋁介質(zhì)無明顯差異，鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線的方案可以在部分回路上推廣。

3線束連接方式設(shè)計(jì)

目前各類控制器、傳感器遍布整車，主要包括制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、主動(dòng)懸架系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)等。目前高端車型控制器的平均數(shù)量為60個(gè)左右，隨著智能駕駛的發(fā)展，電子元器件數(shù)量迅速增加。某C級(jí)車上60多個(gè)ECU間通過網(wǎng)關(guān)通信，系統(tǒng)控制成本與通信量均很大，且各個(gè)子系統(tǒng)之間完全獨(dú)立，很難進(jìn)行有效的資源共享和互操作，硬件成本高。如果每個(gè)系統(tǒng)間用線束單獨(dú)連接，則線束數(shù)量和重量非常大，且通信效率低，采用以下方法進(jìn)行優(yōu)化。

3.1CAN-LIN總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

CAN總線技術(shù)促進(jìn)了汽車線束輕量化，如圖1所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)與儀表板的數(shù)據(jù)交換為例，采用硬線傳輸比總線傳輸多出若干條回路。高端車型常采用電控單元通信，避免點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單一通信及所帶來的大量布線。總線技術(shù)使用盡量少的導(dǎo)線傳遞信息，電器部件只需與臨近控制器相連，降低整車線束重量，對(duì)線束輕量化意義較大。

3.2域控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)

每輛車中不同的ECU有不同的供應(yīng)商，供應(yīng)商生產(chǎn)自己品牌的控制器、執(zhí)行器，提供與之配套的應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)，這導(dǎo)致ECU間沒有直接聯(lián)系，部件之間缺少信息交互，整體算力無法共享；軟件開發(fā)也只能針對(duì)某一部件或具體系統(tǒng)進(jìn)行，無法實(shí)現(xiàn)整車級(jí)。隨著汽車芯片計(jì)算能力的提升，域控制器逐步成為汽車電子行業(yè)的研究熱點(diǎn)。將控制器功能集成在域控制器上，可以有效克服分布式架構(gòu)中嵌入式軟件和底層驅(qū)動(dòng)交互不一致及冗余的缺點(diǎn)。通過域控制器技術(shù)，可以減少微控制器數(shù)量，降低整車重量、成本以及軟件操作的復(fù)雜度。以某電動(dòng)車域控制器為例，共有3個(gè)大的域控制器，分別負(fù)責(zé)車身系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)以及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，其中車身域控制器集成了車身電子的所有基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)，整合了車身各類電控系統(tǒng)功能，規(guī)避了控制器之間通信不一致帶來的風(fēng)險(xiǎn)。通過域控制器架構(gòu)，使線束重量進(jìn)一步降低。

3.3模塊化線束設(shè)計(jì)

線束的模塊化設(shè)計(jì)可以使線束的連接和布置在一個(gè)比較優(yōu)化的狀態(tài)下進(jìn)行，線束設(shè)計(jì)不斷趨于輕量化，使總體質(zhì)量控制在合理范圍。車身大線束由若干個(gè)線束模塊構(gòu)成，如制動(dòng)線束模塊、空調(diào)線束模塊、安全氣囊線束模塊等，當(dāng)所有模塊集成到成品線束后，可以為任何特定的客戶配置提供支持。在線束散件較多的情況下，通過模塊化設(shè)計(jì)可以建立線束散件數(shù)據(jù)庫(kù)，并統(tǒng)一化設(shè)計(jì)規(guī)則，方便散件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，也便于圖紙管理。

3.4合理化線束布置

通過合理化線束布置設(shè)計(jì)，可以極大減少線束長(zhǎng)度，降低導(dǎo)線用量。1）優(yōu)化線束布置圖2為某B級(jí)車后排座椅加熱線束分支走向優(yōu)化前后對(duì)比，優(yōu)化后座椅線和車身總線束路徑縮短，降低導(dǎo)線的總體用量。由上可知，通過合理布局，可以較大幅度實(shí)現(xiàn)線束輕量化，更好地實(shí)現(xiàn)線束布置。圖3為某車型車頂A柱線束走向優(yōu)化前后對(duì)比。優(yōu)化后右側(cè)A柱線束合并到左側(cè)A柱線束，不僅省去右側(cè)A柱線束，也減少了固定右側(cè)A柱線束的5個(gè)卡釘，降低了導(dǎo)線總體用量，節(jié)省成本。2）接地點(diǎn)布置線束接地點(diǎn)設(shè)計(jì)是典型的汽車線束設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化接地點(diǎn)位置縮短線束長(zhǎng)度。線束接地原則為盡量選擇就近接地，且優(yōu)先考慮在內(nèi)艙接地，可布置在距離底板內(nèi)板至少100mm的上方。線束開發(fā)過程中，很大一部分工作是優(yōu)化線束設(shè)計(jì)，優(yōu)化線束接地路徑可以降低線束重量，避免電磁干擾問題、電器功能性問題等[3]。圖4為線束接地點(diǎn)優(yōu)化前后對(duì)比，優(yōu)化后接地回路就近螺栓接地，節(jié)省了線束長(zhǎng)度，同時(shí)降低線束重量。3）焊點(diǎn)布置焊點(diǎn)是若干線束匯集接在一起的位置，盡量布置在幾個(gè)設(shè)備的中間，節(jié)省線束總長(zhǎng)度。優(yōu)化焊點(diǎn)位置，是線束降本工作重點(diǎn)。圖5為優(yōu)化焊點(diǎn)位置的前后對(duì)比，優(yōu)化焊點(diǎn)位置可以節(jié)省線束的長(zhǎng)度。

4結(jié)束語(yǔ)

以汽車線束輕量化作為研究方向，探究各類輕量化方式。從鋁導(dǎo)線、小型導(dǎo)線、線束總體布局、域控制器技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)等方面論述汽車線束輕量化，通過實(shí)例驗(yàn)證，說明汽車線束輕量化的可行性，并總結(jié)汽車線束輕量化方法。

作者：鄭藝 單位：同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院