前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的汽车线束轻量化设计方法探析，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：从能源安全与生态环境现状进行分析，提出汽车轻量化的必要性；从铝导线、线径细小化、线束总体布局设计、域控制器技术等方面论述汽车线束系统轻量化技术，通过案例验证，说明汽车电气系统轻量化的可行性，总结汽车电气系统轻量化方法。
关键词：线束；轻量化；铝导线；小线径导线
0引言
汽车保有量的持续增高，一方面推动社会经济发展，另一方面给环境与能源消耗带来了压力与影响。汽车排放是大气污染的重要来源，节能减排是汽车行业的重要任务。汽车轻量化是节能减排的重要方面，汽车线束是轻量化的重要组成部分。以某C级车为例，通过线束连接的电器件达到514个，这些线束本身可被拆分成5000多个独立零件，拆解后长度可达3~4km，线束成本约占整车成本3%。线束轻量化研究越来越受重视。本文从铝导线、线径细小化、线束总体布局、域控制器技术等方面研究线束轻量化，进行案例验证，总结出汽车线束轻量化方法，为汽车降重、降成本提供一定的经验借鉴。
1导线小型化设计
1.1应用小型导线的意义
目前，汽车线束导线朝着细小化方向发展，与之前相比，内舱越来越多使用0.13mm²和0.75mm²铜导线。小型化线束是各大线束厂商的重点研究方向，整车线束越来越轻，占汽车重量比率逐渐降低。随着新技术的发展，越来越多企业采用新型合金细导线（0.17、0.13mm²）替代传统铜导线，以减轻线束重量。线束中信号回路比电源回路数量大，如果信号线能采用合金细导线，则可以在很大程度上减轻线束重量，这是线束轻量化的一个方向。
1.2小型导线可行性论证
各类导线参数见表1，单位长度下0.13mm²合金导线比0.35mm²铜导线重量减少60%，导线截面积减小65%，同时抗拉强度更优。采用0.13mm²导线可以改善线束的重量和尺寸。在汽车线束中，单根信号导线的回路长度一般不超过5m，因此小线径合金导线的电阻很小，引起的电压降消耗不会对信号产生影响。0.13mm²合金导线对于端子的压接效果高于标准要求，目前基本可以实现合金细导线压接，符合质量标准。由上可知，0.13mm²导线在机械强度、性能和压接工艺上均具有可行性[1]。
1.3小型导线应用问题及措施
汽车运行中，导线外包的绝缘体受热后性能逐步退化，导线电阻逐步升高，选取导线线径时，需要评估电流是否匹配小线径导线。在整车线束布置中，发动机舱环境温度较高且不稳定，对于导线性能具有一定影响和安全风险。对于小线径导线，建议从内舱开始应用，内舱环境温度合适而且多为静态区域；待小型导线技术逐渐完善后，再应用到其他区域。
2铝导线应用分析
近年来，汽车上整车控制器、传感器越来越多，连接线束越来越长，整车成本不断增加。电气设计师努力尝试采用数据总线来减少线束回路，但减重效果已逐步达到极限；因此，铝导线的应用越来越成为发展方向。
2.1铝导线的优势
2.1.1密度小
与铜导线相比铝导线密度小，在相同长度下铝导线重量更轻，是线束轻量化发展的趋势之一[2]。铜铝性质对比见表2，铜与铝的密度比为10：3，购买1t铝线的体积约相当于3.3t铜线。
2.1.2价格低、铝资源丰富
全球铜储量远小于铝，因此铜价格高于铝，且铜价格呈上升趋势，铝价格相对低廉且波动较小。汽车线束用铜量大，采用铝替代铜，可以有效降低汽车线束的生产成本。
2.2铝导线的劣势
2.2.1电阻率高
铝的电阻率比铜高，意味着在给定的电压降下，铝导体必须具有较大横截面积。
2.2.2机械强度低
铝导线柔软易弯曲，且抗振性差。相同条件下，铝的抗拉强度仅为铜的一半，这会影响端子的压接拉脱力[2]。
2.3铝导线应用可行性
铝导线是线束行业轻量化的发展方向，尤其在蓄电池线束上的应用越来越广泛。为验证电源线路使用铝导线代替铜导线的可行性，在某C级车上，试验铝导线代替铜导线技术。选取了传输电源的单回路、非绞线回路、非接地回路、非焊点回路，并优选非长时间持续工作干区电源回路。搭载铝导线前后，分别对铜、铝导线进行电压降测试、热冲击测试、载流测试等一系列试验，并进行道路试验，目前试验结果均无异常，说明在这些回路上铜、铝介质无明显差异，铝导线代替铜导线的方案可以在部分回路上推广。
3线束连接方式设计
目前各类控制器、传感器遍布整车，主要包括制动系统、安全气囊系统、主动悬架系统、多媒体系统、舒适系统等。目前高端车型控制器的平均数量为60个左右，随着智能驾驶的发展，电子元器件数量迅速增加。某C级车上60多个ECU间通过网关通信，系统控制成本与通信量均很大，且各个子系统之间完全独立，很难进行有效的资源共享和互操作，硬件成本高。如果每个系统间用线束单独连接，则线束数量和重量非常大，且通信效率低，采用以下方法进行优化。
3.1CAN-LIN总线架构设计
CAN总线技术促进了汽车线束轻量化，如图1所示，以发动机与仪表板的数据交换为例，采用硬线传输比总线传输多出若干条回路。高端车型常采用电控单元通信，避免点对点单一通信及所带来的大量布线。总线技术使用尽量少的导线传递信息，电器部件只需与临近控制器相连，降低整车线束重量，对线束轻量化意义较大。
3.2域控制器架构设计
每辆车中不同的ECU有不同的供应商，供应商生产自己品牌的控制器、执行器，提供与之配套的应用程序、操作系统，这导致ECU间没有直接联系，部件之间缺少信息交互，整体算力无法共享；软件开发也只能针对某一部件或具体系统进行，无法实现整车级。随着汽车芯片计算能力的提升，域控制器逐步成为汽车电子行业的研究热点。将控制器功能集成在域控制器上，可以有效克服分布式架构中嵌入式软件和底层驱动交互不一致及冗余的缺点。通过域控制器技术，可以减少微控制器数量，降低整车重量、成本以及软件操作的复杂度。以某电动车域控制器为例，共有3个大的域控制器，分别负责车身系统、仪表系统以及自动驾驶系统，其中车身域控制器集成了车身电子的所有基础驱动，整合了车身各类电控系统功能，规避了控制器之间通信不一致带来的风险。通过域控制器架构，使线束重量进一步降低。
3.3模块化线束设计
线束的模块化设计可以使线束的连接和布置在一个比较优化的状态下进行，线束设计不断趋于轻量化，使总体质量控制在合理范围。车身大线束由若干个线束模块构成，如制动线束模块、空调线束模块、安全气囊线束模块等，当所有模块集成到成品线束后，可以为任何特定的客户配置提供支持。在线束散件较多的情况下，通过模块化设计可以建立线束散件数据库，并统一化设计规则，方便散件的模块化和标准化，也便于图纸管理。
3.4合理化线束布置
通过合理化线束布置设计，可以极大减少线束长度，降低导线用量。1）优化线束布置图2为某B级车后排座椅加热线束分支走向优化前后对比，优化后座椅线和车身总线束路径缩短，降低导线的总体用量。由上可知，通过合理布局，可以较大幅度实现线束轻量化，更好地实现线束布置。图3为某车型车顶A柱线束走向优化前后对比。优化后右侧A柱线束合并到左侧A柱线束，不仅省去右侧A柱线束，也减少了固定右侧A柱线束的5个卡钉，降低了导线总体用量，节省成本。2）接地点布置线束接地点设计是典型的汽车线束设计，通过优化接地点位置缩短线束长度。线束接地原则为尽量选择就近接地，且优先考虑在内舱接地，可布置在距离底板内板至少100mm的上方。线束开发过程中，很大一部分工作是优化线束设计，优化线束接地路径可以降低线束重量，避免电磁干扰问题、电器功能性问题等[3]。图4为线束接地点优化前后对比，优化后接地回路就近螺栓接地，节省了线束长度，同时降低线束重量。3）焊点布置焊点是若干线束汇集接在一起的位置，尽量布置在几个设备的中间，节省线束总长度。优化焊点位置，是线束降本工作重点。图5为优化焊点位置的前后对比，优化焊点位置可以节省线束的长度。
4结束语
以汽车线束轻量化作为研究方向，探究各类轻量化方式。从铝导线、小型导线、线束总体布局、域控制器技术、模块化设计等方面论述汽车线束轻量化，通过实例验证，说明汽车线束轻量化的可行性，并总结汽车线束轻量化方法。
作者：郑艺 单位：同济大学 汽车学院
