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汽車經(jīng)濟(jì)性之線束輕量化設(shè)計:(電壓平臺提升、電氣架構(gòu)優(yōu)化、新材料)

 小毛HYL 2022-12-05 發(fā)布于上海
線束輕量化對汽車意味著什么?

線束是汽車中最重、最復(fù)雜的部件之一。隨著汽車電子化、信息化的迅猛發(fā)展,人們對汽車智能化功能的要求不斷提高,汽車狹小的空間內(nèi)所放置的電子電氣設(shè)備也隨之增多,導(dǎo)線數(shù)量也相應(yīng)不斷增加。據(jù)統(tǒng)計,目前一輛高檔汽車的導(dǎo)線使用量達(dá)2km,重量在20~30kg左右。線束重量每減少10%,燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3%。如果一輛汽車每消耗1加侖汽油可以行使20英里(約合32km),那么按每年行使15000英里(約合2414km)計算,燃油經(jīng)濟(jì)性每提高3%,每人每年就可以節(jié)省22.5加侖(約合85L)汽油?!熬€束減重在幫助整車減重、提升燃油經(jīng)濟(jì)性方面有著不容忽視的作用,將會越來越受到汽車制造商的重視。

線束由于長度過長且“太軟”,組裝必須要由人工來完成,因此線束的減少最大的好處就是提高生產(chǎn)效率及降低人工成本,特斯拉Model Y 的車內(nèi)線束長度縮短到100 米,而且將線束設(shè)計為結(jié)構(gòu)件,將線束變成一個個固定的零件,使得線束的組裝可以由機(jī)械手臂來完成,自動化率進(jìn)一步提升。除此之外,其也能解決產(chǎn)能問題,降低資金投入;還能減少汽車能量損耗及車重,提升續(xù)航。

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1.低壓平臺的48V系統(tǒng)運用
近年來,48V系統(tǒng)普及化序幕正在逐步拉開注。一方面,是高端的奧迪、奔馳新S級,插電混動版將配備48V系統(tǒng),另一方面,比亞迪以外的自主廠商也在發(fā)布自己的48V系統(tǒng)研發(fā)和投入計劃,例如奇瑞,甚至寶駿。
 受制于傳統(tǒng)的12V低電壓系統(tǒng),由于電壓平臺過低,部分總成部件無法實現(xiàn)電氣化,例如空調(diào)、轉(zhuǎn)向助力等,發(fā)動機(jī)一旦熄火將意味著空調(diào)無法工作、失去轉(zhuǎn)向助力。然而有了48V系統(tǒng)以后,轉(zhuǎn)向助力和剎車助力都可以電氣化,這時候就不需要發(fā)動機(jī)再無謂地空轉(zhuǎn)“待命”了。它對于節(jié)油的影響是相當(dāng)可觀的。其次就是真正實現(xiàn)了“該啟再啟”、“該停就停”——即便最難通過的路口,電氣系統(tǒng)也足以維持空調(diào)的運轉(zhuǎn)和保留支持再次啟動的電量,48V系統(tǒng)相對于12V系統(tǒng),同樣的功率下線束的電流降至原來的1/4,對于線束減重相當(dāng)可觀。

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2.高壓平臺的800V系統(tǒng)運用
電動化把高性能跑車和高端轎車在純加速層面的差異化完全抹平了,高性能跑車市場和高端轎車市場的界限變得模糊了.

特斯拉 Model S P100D 的加速已經(jīng)超過了保時捷 918 Spyder、邁凱倫 P1 和法拉利 Laferrari 這三大神車。保時捷打算通過 Taycan 重新定義高性能電動汽車。

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Taycan 電池組沒有應(yīng)用任何特殊的、改變游戲規(guī)則的化學(xué)材料來實現(xiàn) 800V 的高壓,通過串聯(lián) 400V 的電池,保時捷找到了一種優(yōu)雅的解決方案,實現(xiàn)了同等輸入功率,雙倍電壓但電流減半。另外,919 Hybrid LMP1 其實是保時捷第一款采用 800V 高壓電池的車型,Taycan 的高壓電池正是脫胎于此。

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800V 高壓電池還實現(xiàn)了線束的減重,相對 400V 電池車型,Taycan 的所有銅電纜線束的傳輸損耗只有前者的 1/4,因為傳輸電流要低得多。800V 高壓電池讓 Taycan 的銅線束減重了 88 磅(約 40kg)。

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特斯拉三款主流車型Model S/Model 3/Model Y的線束長度為3km/1.5km/預(yù)測100m。特斯拉于 2019年 7 月 22 日公布了其最近的一項專利技術(shù),將更新車型布線結(jié)構(gòu),計劃將 Model Y 的車內(nèi)線束長度縮短到 100 米。傳統(tǒng)汽車設(shè)計的時候線束長度可達(dá)數(shù)公里,復(fù)雜度高。

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Model S到Model 3,由于Model 3在域控制架構(gòu)方面,特斯拉推出了“區(qū)域zone”的概念,分為中域、左域與右域,不再是Model S那樣按照傳統(tǒng)的劃分方法劃分為動力域、底盤域等功能域。

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Model S的動力域、車身域、娛樂域等都不復(fù)存在,取而代之的是三大區(qū)域架構(gòu),分別是中央計算模塊(CCM)、左車身控制模塊(BCMLH)和右車身控制模塊(BCMRH)。中央計算模塊(CCM)整合了信息娛樂系統(tǒng)(IV)、輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS),以及外部連接和車內(nèi)通信系統(tǒng)域功能;左車身控制模塊(BCMLH)和右車身控制模塊(BCMRH)分別負(fù)責(zé)剩下的車身與便利系統(tǒng)、底盤與安全系統(tǒng)和部分動力系統(tǒng)的功能。

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同時Model 3配電控制模塊被放置在12V電池后部,有效減少了線束的長度。從Model 3到Model Y,特斯拉是在原來的基礎(chǔ)上,使用新專利(如新型線束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)線纜專利等)和新技術(shù)(如柔性印刷電路FPC技術(shù)等),線束集成化大大增強(qiáng)。
為了實現(xiàn)電力和信號傳輸,特斯拉使用了新的電纜和連接器,將整體的線束組件做了一些更改。把原有基于點對點+通信+電源的線的體系,分成了電源母線、通訊線組和外部屏蔽組件,由于整體外圍的ECU和傳感器已經(jīng)被規(guī)整了,整體的連接密度提升,工控中運用的排線設(shè)計的密度有所上升,這也將有助于特斯拉將布線需求控制100m左右且仍然能保證信號和電流傳輸不受影響。

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新技術(shù):除了新專利的使用,其技術(shù)也不可或缺。其中就包括目前SpaceX所使用的技術(shù)——柔性印刷電路FPC(Flexible Printed Circuit)技術(shù),該技術(shù)目前在太空車上得到應(yīng)用。FPC所帶來的革命性的電纜電路,該電路可縮短整臺車的線束長度,并為每個組件提供電池與計算平臺的冗余連接。

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德爾福本開發(fā)的0.13mm2無鹵素超薄壁導(dǎo)線,大大減輕了線束重量。擁有比薄壁PVC 導(dǎo)線更耐高溫,層壁更薄、更輕的絕緣層。0.13mm2導(dǎo)線一般用在開關(guān)信號、傳感器信號等的電流回路,相比0.3mm2導(dǎo)線,單線外徑減少40%,重量減少高達(dá)66%。德爾福使用了銅鎂合金,添加0.2%的鎂,大大提高了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度。研發(fā)出L型端子,利用一高一低的壓接翼技術(shù),讓導(dǎo)線的電氣性能和機(jī)械性能在同一個壓接高度上同時達(dá)到最優(yōu)。同時,為了更加普及0.13mm2導(dǎo)線的應(yīng)用,德爾福開發(fā)了一種新型的Double-X壓接工藝:將0.13mm2導(dǎo)線剝頭剝長一些,將它折彎后進(jìn)行壓接,這種壓接方式相當(dāng)于壓接0.26mm2導(dǎo)線,可以直接使用現(xiàn)有的0.3mm2端子體系,應(yīng)用比較廣泛。

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電線作為線束主要的部件和載體,其重要性不言而喻。目前銅芯導(dǎo)線是行業(yè)主流因為銅材質(zhì)是目前可知的導(dǎo)體中,導(dǎo)電率和安全性比較出色的導(dǎo)體,也是適合汽車線束的導(dǎo)體(考慮價格因素)。但是自從2005年以來,銅價飆升之后,鋁作為有可能取代銅的導(dǎo)體再次被擺上了臺面。讓我們來對比下銅和鋁的關(guān)鍵參數(shù),首先,銅鋁密度比重為3.29:1,也就是說1噸鋁等于3.29噸銅,看到了么,先不說價格,從重量上鋁就有很大的優(yōu)勢,輕量化大有希望;第二個參數(shù)是導(dǎo)電率,銅鋁比率為1:0.629,鋁在導(dǎo)電性能上弱于銅,并且鋁的機(jī)械強(qiáng)度不如銅,也就是說,在汽車線束上,暫時鋁還沒有辦法完全替代銅,但這是一個發(fā)展趨勢,特別是在價格和重量兩大因素影響下,線束加工中越來越多的設(shè)備也對應(yīng)鋁線材加工包括銅鋁混合,比如超聲波線束焊接機(jī)。

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保險絲盒/保護(hù)導(dǎo)槽/卡釘扎帶/橡膠件/波紋&絕緣保護(hù)套管等等都是常見的線束輔助材料。 

關(guān)于保護(hù)線槽,在汽車發(fā)展的初期一度還有金屬結(jié)構(gòu)材料,我們目前使用的大部分都是高強(qiáng)度的塑料護(hù)板/線槽,想輕量化,,可以在材質(zhì)上做文章,盡量使用較輕的聚酰胺(尼龍)來構(gòu)造;第二,減小尺寸,確定需要保護(hù)的關(guān)鍵部位,其他可以采用厚膠布等保護(hù),如果能做到完全取消當(dāng)然更好,這需要在設(shè)計階段就考慮。

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關(guān)于橡膠件,其作用是密閉保護(hù)電線,起到防外部塵埃和液體腐蝕的作用.在某些關(guān)鍵部位,比如發(fā)動機(jī)艙和駕駛艙連接之處,這里不但不能取消還得加強(qiáng)防護(hù),其他的密封需要不高的區(qū)域,完全可用”發(fā)泡”工藝來取代橡膠件;另外關(guān)于波紋/絕緣套管,除了像光纖線/天線等信號傳輸較高部位需要嚴(yán)加保護(hù)外,其他大部分可以考慮使用加厚的布基膠布來取代。

 關(guān)于保險絲盒,E-BOX和外支架合在一起,上面插入不同阻值的保險絲和繼電器;也是從塑料件(E-BOX盒+外支架)材質(zhì)著手考慮,使用更輕的材料;第二,根據(jù)回路原理,盡量減少保險絲和繼電器的數(shù)量,能合并就合并,這也是需要在設(shè)計階段考慮,如果減少一條帶端子的電線,那么這里就不需要插入保險絲或繼電器去和這個端子匹配,從而實現(xiàn)輕量化。

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