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线束关键技术及发展趋势

发布时间:10/31 —— 2023 1987

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。

1 .轻量化

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%。

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% 。

1.3 导线、连接器的小型化

信号线可采用0.22/0.13/0.0 8mm²超细导线代替,0.22/0.13 mm²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。

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;

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。

2.高压化

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。

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。

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。

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。

3.高速化

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。

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。

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;

5 .智造化

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;

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和工业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。

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。

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。


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