线束行业的未来

本文关键词：线束 自动化 轻量化 发展

谈到未来，就不可避免的提及过去！电线束与汽车同步诞生的。汽车的初始状态，结构简单，机械控制占主导地位，在很长的一段时期内，人们更着重汽车机械性能方面的研究，汽车电线束仅作为整车的一个部件，始终没有得到过重视，对其技术质量的评价也只是电路的导通与否，汽车电线束的加工工艺为手工的铰接、焊接、栓接等落后工艺，其连接器等零件的可靠性、互换性和缺陷的可维修性就更差了。

80年代初，随着机械制造业的发展，拉动了压接工艺的进步和成熟，尤其是全自动压接机的问世，使汽车电线束的制造技术产生了质和量的飞跃，汽车电线束的单线抗拉强度大大提高，机械性能趋于稳定，压接点的电压降可得到有效控制，信号在传输过程中的损耗降低，整车的可靠性成倍提高，同时汽车线束的功能由单一的供电回路扩大到信号传递。

进入90年代后，除原有的仪表系统、发动机系统、照明系统等日益完善外，相继出现了安全气囊系统、刹车防抱死系统、中控锁电动门窗系统、防盗系统、电动座椅系统以及汽车音响系统和汽车导航系统等等，大大提高了汽车的智能和可靠性。

然而，电气系统的增加直接导致了终端电器的增加，不仅增加了功耗，信号传输能力也收到了强烈的挑战，从而使电线束、连接器、继电器、传感器等不可避免地剧增，汽车电线束的重量和体积也达到了汽车难以承受的范围，一辆中档水平的轿车，有上百对连接器、数以千计的接点，所用的导线总长度达1500-2000m。

进入21世纪，由于技术创新和消费者对新功能的需求（安全，舒适度，驾驶体验），线束变得更加复杂。一些现代中型车辆最多包含40个线束，总计数百个连接器，数千个端子和多达1500条电线。如果拆开并放入一条连续的线中，这些电线将超过2英里（3.2公里）的长度，重约132磅（60千克）。此外，可以有70多种专用电缆，例如同轴电缆，高速数据和USB电缆。在较老的汽车中，这个数字接近10。线束变得越来越复杂。最直观的印象可以从中控台面板可以看到这种变化。

下面就以2009年宝马X1与2020宝马X7的中控台为例，

2009款X1宝马中控台

2020款宝马X7中控台

经济在发展，科技在进步，对车辆的性能要求越来越严格，但是到目前为止线束的制造所有线束制造操作中约有85％是手动进行的。业界通用的工程和制造方法已经使用了数十年，并在新时代中显示出它们的局限性。线束制造仍然是一个非常劳动密集的过程。更麻烦的是线束设计，制造部门和系统之间的支离破碎。设计和制造工程师经常在各自的域之间手动传输数据，然后将所传输的设计数据重新创建并重新输入到他们的每个系统中，例如CAD，生产，装配板设计或成本核算系统等。

在这些新挑战的重压下，传统的线束制造方法开始崩溃。首先，分散的设计和制造过程导致域之间的手动数据传输和重新输入。这很慢，容易出错，并且对工程师的时间和精力的利用效率低下。当制造工程师进行更改以提高线束的可制造性时，这些更改通常会在团队之间的数据转换中丢失。即使在最先进的设备中，从设计工程到产品工程，制造工程以及制造文档生成的高级过程也可以通过基本的Office应用程序和AutoCAD图形完成，然后传递给整个流程中的下一个环节，而下一个环节又以另一种格式或样式手动重新创建非数字信息，以此类推。

这种方式是难以接受的。新产品的引入周期可能要花费数月的时间，而设计更改可能要花几周才能完全实施。手动数据共享和重新输入会导致错误，这些错误会花费金钱，时间，甚至更糟的是，会损害与客户的良好关系。

计划的加快步伐还意味着制造工程师几乎没有时间优化制造过程，从而从一开始就导致次优过程。可能特别具有挑战性的一项任务是创建工作说明。使用当前的方法，创建工作指令是一项困难，耗时且富挑战性的工作，需要技能和专业知识才能准确，及时地完成。迟交或质量低下的作业指导书可能会导致工作站不足和不令人满意，进而导致组装错误。测试期间发现的错误会导致工程师进行冗长的返工，甚至彻底报废有故障的线束，从而产生意外成本。

下图显示了线束行业中典型的高级制造工程流程。如今，手动输入数据会在任何这些阶段发生错误，每个阶段都需要出色的技能和经验才能准确完成。在流程下游进行的调整和校正必须手动输入上游，以实现数据一致性。传统的线束制造方法很容易受到零散过程的错误的影响，并且随着工程师退休或离职而失去部落知识。其他关键问题包括成本核算不一致或不正确，模板设计或制造工艺设计欠佳，以及关键信息在车间的错放。这些会直接导致生产过程中的效率低下。结果，制造和总成本可能会超出对客户的报价，并且会影响生产质量

随着车辆技术继续推进，尤其是在自动和辅助驾驶领域，线束的复杂性只会继续升级。先进的驾驶员辅助系统（ADAS）以及最终的自动驾驶汽车极大地增加了车辆上将配备的传感器和执行器的数量。即使制造商合并了ECU以创建更集中的车辆体系结构，传感器和执行器的显着增加也将导致线束的尺寸和复杂度不断增长。

汽车工业向电动和电子汽车特征及部件的这些趋势有望推动线束制造行业的增长。根据Future Market Insights 的一份报告，全球汽车线束市场预计到2025年将达到915.3亿美元的价值。该报告指出，汽车销售的增长以及对电子安全功能，高端电子产品和电动动力总成的需求不断增长。线束行业的预期增长背后的驱动力。

增长带来了新的挑战，也给行业带来了新的压力。为了支持更多的电气和电子系统，其中一些系统非常复杂，线束变得越来越复杂。制造商还必须适应车辆的所有可能配置，而这种配置经常会飙升到数千万。在制造这些复杂的系统时，公司必须满足非常严格的时间表，严格的质量要求并最大程度地降低生产成本，以保持在市场上的竞争地位。

为了保持竞争优势，从巨大的市场蛋糕中分一杯羹，不仅是线束制造商，甚至汽车制造商，制造软件服务商等，提出各种解决方案。总体来讲，分为四类:

一、高级制造工程流程

这类基于模型的线束制造通过自动进行数据交换并为工程师提供跨域决策的访问权限，基于模型的流程统一了以前分散的设计和制造领域。以前由经验丰富的工程师掌握的部落知识，可以通过支持自动化的集成设计规则来获取，始终如一地指导所有工程师并检查设计中的问题。

线束行业中数字化和基于模型的企业涉及三个关键方面下图。首先是线束产品和制造过程的数字模型。线束和生产过程的数字模型共同构成了数字孪生。自动化是第二大支柱。现代的线束设计和制造解决方案可以使用由资深工程师创建的设计规则，并使用它们来自动将数字线束和过程模型转换为流程单，工作指令和其他输出格式。第三支柱是数据重用。在基于模型的工程流程中，不是重新创建或重新输入数据，而是一次创建数据，并由所有上游和下游使用者最大程度地重用数据。

基于模型的企业的三个主要原则：数字化，自动化和数据重用

创建了一个数字线程，其中从架构和功能设计到物理设计，制造工程和售后服务的所有功能都可以使用相同的数据。在线束生命周期的每个阶段，每个利益相关者都可以使用相同的数据模型，并可以访问在其他域中做出的决策。使用数字线程可以缩短设计周期，并且可以在过程中以更低的成本发现并解决问题。通过减少设计返工，数据重用可最大程度地降低成本并提高生产效率。

二、线束架构的简化

汽车制造业见证了机器人自动化的最高部署。焊接，组装，机器维护，材料去除，零件转移等是最适合机器人自动化的组装操作。但是，对于需要判断和决策的任务，机器人的性能仍有改进的空间。线束是汽车的神经系统，由多种尺寸和形状的电线和连接器组件组成。线束在主控制单元，电池和汽车的各个部件之间传递各种控制和电源信号。将此类电缆与连接器组装在一起需要很高的技术水平，并且最耗时。它涉及将电缆与适当的连接器配对，并将复杂的布线结构固定在汽车内部。传统上，机器人很难在车身上安装线束。因此，为了简化与线束相关的复杂问题，正在采用多种方法来简化线束体系结构并提高机器人的功能。简化线束制造的目标需要坚持不懈地推动自动化。

1) 特斯拉的专利申请（US20190217794）要求在车辆制造过程中易于组装线束。该专利还公开了减少导线的总长度。

2) Yazaki Corporation（其核心产品是汽车线束组件）正在致力于将控制信号从车辆的电子控制单元（ECU）无线传输到扩展系统中的电子设备。该公司最近获得了一项专利（US10122125B2），其中要求保护一种车辆线束结构，该结构旨在将多个主要设备与通信线和信号线互连。每个系统都包括一个主设备ECU和一个有线连接到主电源线的辅助设备，其中两个设备进行无线通信，从而减少了通信信号的额外接线。在附图中，扩展系统中的每个电子设备包括无线通信接口。ECU确保与扩展系统中每个电子设备的无线通信通道，实现双向数据通信以达到控制目的。

3)在美国专利申请No. 20190168698A1（受让人：Yazaki Corp.），可以在连接电源和电气部件的同时简化电路主体的结构。通过将干线束穿过管状外部构件的中空部分（例如，类似用于止水的索环）插入，可以减少构成干线束的电线的数量。与电路主体中的典型布线相比，这要容易得多

4)以色列的中小企业雅马电子公司（YamarElectronics）专门研究在嘈杂的直流电源线上进行通信的技术。其目标是减少导线，从而降低成本和重量。Yamar引入了使用DC-BUS技术的“汽车电力线通信”，并使用现有的CAN和LIN协议在电力线上合并数据，从而消除了额外的束缚。提出的解决方案可以将总线束的长度从2km减少到20米。Yamar的专利申请US20180302187A1要求一种收发器以及通过噪声通道（AC / DC线）进行异步数据传输的方法。该解决方案可用于车辆和商用卡车，以减少额外的布线要求。

三、替代产品

一种出现新的产品替代现有的线束，一种是用其它材质替代现有的铜材质，达到整车轻量化的目标；轻量化要求，在航空航天上也是一个越来越大的挑战。

铝是一种很早就进入视线的铜的替代品。TE,Sumitomo,Furukawa,Yazaki等公司都对使用铝或者铝合金替代铜作为导电和信号传输的材质，也提出了一些可行性比较高，操作性比较强的方案。（这些技术性的文章，有的公开的，有的是保密性的，如果有心，都可以获得。）因为使用铝会比铜减重20%-40%，而且在成本上有优势，同时在可能受水影响的区域使用这种耐腐蚀的材质，不需要做单独的耐腐蚀处理。

光纤是另外一种替代选项。市场研究公司Bishop & Associates的总裁罗纳德·毕晓普(Ronald Bishop)说:“头发大小的光纤可以传输数百个高速信号，取代笨重的铜电缆。

但是，光纤在许多非电信应用上没有得到普及。毕肖普指出:“多年来，人们曾多次预测铜的内在衰落，但先进芯片技术与信号完整性设计方面的改进结合在一起，使工程师们能够找到扩展铜实际带宽的方法。”与所需的光电转换过程相关的成本，以及连接器，需要熟练的技术人员成功终止，阻碍了广泛的市场转换为光纤

航空航天工业是发展传统电线电缆替代品的领头羊。纳米技术是一项具有巨大长期潜力的技术。碳纳米管(CNTs)已经被用于一些需要更小更轻线束的军事应用，如无人机和卫星。

碳纳米管的强度重量比是其他已知材料无法比拟的。Nanocomp技术公司的工程师们研究出了如何将它们变成具有非常高的抗拉强度、高效导电性、电磁干扰(EMI)屏蔽能力和极轻重量的电线。

Nanocomp业务开发副总裁John Dorr称:“通过使用我们的CNT胶带产品替代传统的铜和铝电缆屏蔽，航空航天制造商可以实现高达50%的额外节约，同时保持可比或更好的电气性能。”“如果使用中心导体，(重量可以)减少10%。

而柔性线路板是Trackwise（英国公司）开发了改进的线束技术（IHT），该技术有助于制造任何长度的柔性印刷电路。最近，该公司制造了世界上第一个，最长的26米FPC，无需额外的线束即可支持电力和通信信号的控制和传输。当前，由于其轻量级优势，该技术已在航天器中使用，并且可以在汽车中采用以实现同等优势。

专门从事印刷电子产品咨询的IDTechEx公司的主席Peter Harrop补充说:“完全印刷和层压替换的仪器簇和线路将节省重量、成本和空间。”“无线传感器和执行器也将为未来的汽车节省布线，并逐渐被打印出来

四、线束制造自动化

总体而言，线束的加工是极成熟的产业。但是依然由劳动力和熟练工人所制约。“低成本”人力加工，在现在的制造业中，已经不是吸引客户的主要因素。尤其在要求一致性很高的汽车制造业，越来越多的机械介入，越来越少的人工环节，让效率、成品率、一致性和综合成本达到新的高度。如何提高自动化生产和机械制造的比例，已经是线束加工业新的议题。

而自动驾驶和电气化正在引导这个行业的转变。利用现在不仅以外最昂贵的车,但质量也将成为其中一个最重要的,因为它越来越多地支持安全关键功能如转向、刹车或车道切换。

分析当前线束行业的技术发展过程的不足和优势，了解未来趋势(如自动驾驶)对线束开发和生产的影响。为什么自动驾驶压力会成为自动驾驶行业的颠覆性创新?

自动驾驶为什么会影响线束的开发和生产过程吗?怎么影响?

国外的一家研究机构在对在7个国家，26家不同公司，54位专家，43小时的深度访谈，访谈资料达280页，这些专家来自不同行业，得出结论：自动驾驶会给线束从设计到制造整个过程带来颠覆性的改变：自动化。分析了实现自动化过程中的弱点和优势，为自动化的实现提出新的思路。

这是受访行业分布图和受访者职位构成

受访者都认为在线束开发过程中，存在的弱点和优势如下图 最大的弱点是过程和数据的不连续性，受访者都认为线束开发没有一个整体的过程。相反，具有不同工具和数据格式的筒仓结构阻碍了连续的流程流。此外，装具组件和变体的数量增加导致装具开发的复杂性增加，其结果是，复杂性被视为第二大弱点。最大的优势是FSS(Full Service Supplier全面服务供应商)；受访者认为，应对这种复杂而频繁的变化在开发和生产线束时，管理效率极大地影响了他们在速度、质量和成本方面的运作

自动驾驶(AD)会对线束的开发和生产过程产生很大影响，因为自动驾驶要求:

■提高开发和制造质量。

■通过智能和可追溯的方式，将需求与生命周期中的规格进行记录，并将其明显联系

起来，这在手工流程中很难做到。

■设计和制造的自动化程度和数据连续性有所提高。

特别是原始设备制造商非常清楚，线束的开发和制造需要更高的质量、安全性和透明度，这只能通过可再生和可理解的工艺来实现。这就引出了对设计(设计自动化)和生产(自动化制造)过程自动化的高度需求。

此外，可追溯性(文档和数据连续性)对于实现所需的透明度和安全性是绝对必要的。为了实现这一点，他们需要一个全新的线束架构的高度需求。

可追溯性和自动化被看作是环境中最重要的措施，然而，可追溯性，可以被视为未来的第一号措施，而线束制造商仍然保留制造自动化。对于线束制造商来说，新的趋势意味着要确保线束的制造是正确的，为此需要可追溯性数据。如果不投资于生产自动化，我们都不知道供应商如何能够提供和验证运行安全。

可追溯性被认为是最重要的策略，原因如下:

■为设计和制造带来透明度。

■在设计和制造过程中建立一个数据连续的工艺流程，以减少成本，时间，成本和提高质

量。

■及时发现错误并改进流程以达到最高的安全性。

■应对变化管理、复杂性和不断增加的数据量。

■为法律或规范要求、召回和可能的诉讼提供文件。

大多数线束制造商对自动驾驶的影响持保留态度。这是由于不确定性，在未来，安全带是否真的会成为安全关键系统的一部分。许多线缆制造商表示，随着电气化和线束的增加，将会有更多的内容和功能。因此，工具会变得更多，但可以使用与以前相同的流程进行开发和生产。因此，大多数线束制造商看到的是对产品的小影响，但对过程没有重大影响

相同的线束架构，但内容和功能更多，对屏蔽和路由的要求更高，但过程基本相同

AD(自动驾驶）意味着额外的文档和验证。这种方法分类为质量验证方法。现在有很多人和专家并不认为自动驾驶是一种大的颠覆，而是一种改进。随着自动驾驶增加更多的内容和功能，以及验证和文档需求，他们希望顺应这一趋势并从中受益。

由于布线在系统中起着至关重要的作用，所以需要理解和评估所有的相互关系和相互依赖关系。为了理解系统及其行为，需要一种基于端到端的连续数据的系统工程方法。此外，高度自动化（从设计到生产的数据连续性和可追溯性的系统工程方法）的设计减少了开发时间和失效概率，并允许工程师在第一时间正确地设计质量.

自动驾驶是一种巨大的颠覆，尤其是考虑到汽车电气化程度的提高，以及特斯拉(Tesla)、优步(Uber)或软件公司等新玩家带来的即将到来的市场变化。少数公司预计，市场结构将发生重大变化，只有这些少数公司能够适应这个新世界。我们的数据显示，全面服务供应商和一些工程公司正致力于这种方式。

开发一个高质量的从设计到生产的系统需要一个整体和敏捷的方法与互联流程、跨领域和跨组织的协作。所有过程步骤为依赖于前一个流程步骤的输入，并提供相应的输出和数据应高度相关，并影响后续所有工艺步骤的输出质量。这种高度依赖关系也适用于由集成产生的系统软件、电子 机械专业。许多新的开发方法已经被采用 在其他行业，如敏捷、精益开发或SCRUM中引入，这是可以的作为未来汽车线束发展道路的灵感来源。

大多数线束制造商和软件供应商表示，处理如此大量的数据进一步增加了软件和硬件设计的复杂性，同时也增加了线束的数量。为了确保系统的可靠性，线束的增加将是必要的。这样就会导致更多的线路，增加线束的尺寸和重量。为了应对自动驾驶，将会出现新的要求。

OEM和工程服务机构认为，自动驾驶需要降低线束的复杂性。新的线束架构将拥有更少的内容和更简单的结构。这可以通过将重点转移到软件、功能和领域的集成以及替代铜电缆的新技术来实现。（如扁线、无线)。一个更简单的工具架构将意味着更多的标准化和对以前设计的重用。模块化区域架构就是其中的解决方案之一.

未来的线束将被设计为系统优化和可制造性，这使得它更简单和更小。未来线束有可能：

■带有小KSKs（定制化）的模块化区域架构，而不是基于领域的架构，以减少复杂性，

同时又不失客户导向和灵活性

■在开发和制造过程中，关键和非关键治理区域是分开的，并面临不同的要求(例如，根据ASIL和高压分类的可追溯性措施)**ASIL(Automotive Safety Integration Level)

■利用可实现自动化制造流程的组件和架构

■针对特定组件的一对一连接:用于确定适配率和更好的故障分配

■新技术的集成和评估(数字电缆、平板电缆、无线、印刷中间件、以太网、骨干结

构、智能和自诊断电缆)

软件有可能

■所有的特性和功能将以软件为基础

■软件功能的集成将需要更少的ECU(Electronic Control Unit）

■硬件是根据软件要求设计的

■基于服务的架构，具有不同级别的计算操作