整車電氣原理降成本優(yōu)化設(shè)計(jì)

高仕寧，王君君

（一汽研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

汽車電線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，相當(dāng)于汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有電線束也就不存在汽車電路。隨著人們對(duì)汽車的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和排放性要求的提高，汽車電線束變得越來(lái)越復(fù)雜。復(fù)雜的系統(tǒng)帶來(lái)的是汽車電線束成本的上升。汽車電線束是電氣件中成本構(gòu)成最復(fù)雜，占電氣件成本比例最高的總成件，因此汽車電線束的精益化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。精益化設(shè)計(jì)不僅能帶來(lái)汽車線束總成本的降低，而且有利于實(shí)現(xiàn)整車的輕量化。

汽車電線束的設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分和整車電氣原理部分。機(jī)械部分主要從優(yōu)化電線束路徑、優(yōu)化各子部件的用量及優(yōu)化采購(gòu)成本等方面考慮降低成本。電氣原理部分則從優(yōu)化電源分配、搭鐵分配、系統(tǒng)接線原理等方面考慮降低成本。二者是有交集的，在成本優(yōu)化過(guò)程中必須綜合考慮才能達(dá)到最佳效果。本文主要以某具體車型項(xiàng)目為例，介紹整車電氣原理方面成本優(yōu)化的方法及思路。

1 整車電氣原理方案設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

1.1 電源分配優(yōu)化

在電線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，電源分配占據(jù)著重要的地位，它是整車原理設(shè)計(jì)的前提條件，也是保證整車功能可靠的前提條件。一個(gè)合理的電源分配可以大大提高車輛可靠性，保證各電子電氣部件的正常工作，并保證車輛的安全性。

汽車電源分配的內(nèi)容就是合理地給電子電氣部件分配電源和設(shè)置熔斷絲，選擇線徑，進(jìn)行電路保護(hù)，并盡量減小某個(gè)回路由于過(guò)流或短路燒斷熔斷絲后，對(duì)其他電路和電子電氣部件的影響。由此可見(jiàn)，電源分配決定了整車熔斷絲和繼電器的使用規(guī)格及用量，以及由熔斷絲保護(hù)的導(dǎo)線的規(guī)格，幾乎涵蓋了電線束總成的大部分子部件。因此，一個(gè)合理的電源分配設(shè)計(jì)對(duì)電線束的總成本影響是巨大的。

1.2 搭鐵分配優(yōu)化

汽車上的搭鐵線是構(gòu)成電氣回路的不可缺少的組成部分，它將蓄電池的負(fù)極與車身鈑金、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體連接起來(lái)，使得全車各個(gè)電氣件通過(guò)搭鐵線實(shí)現(xiàn)了與蓄電池負(fù)極電氣連接，因此搭鐵回路的分配和設(shè)計(jì)方案，與整車電子電氣系統(tǒng)的功能和性能直接相關(guān)。

搭鐵分配設(shè)計(jì)決定了整車搭鐵點(diǎn)的數(shù)量，各用電器搭鐵點(diǎn)的位置，如果設(shè)計(jì)得不合理，不僅影響電氣系統(tǒng)的使用性能，而且會(huì)帶來(lái)整車線束成本的增加。因此，搭鐵分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)是電線束原理成本優(yōu)化需要考慮的一個(gè)重要方向。

1.3 系統(tǒng)接線原理優(yōu)化

電氣原理設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)整車電氣功能，而同一個(gè)電氣功能的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)依托于不同的系統(tǒng)接線原理。系統(tǒng)接線原理體現(xiàn)了電氣功能的實(shí)現(xiàn)方式，在電氣原理設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要保證穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)電氣功能，而且要能達(dá)到成本與性能之間的平衡，這是系統(tǒng)接線原理設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。

2 電源分配優(yōu)化

2.1 配電盒方案優(yōu)化

汽車的電源分配均以配電盒為中樞，配電盒就相當(dāng)于電線束總成“神經(jīng)中樞”，整車所有用電器的供電回路大多數(shù)都經(jīng)過(guò)配電盒供電。而電源分配的方案決定了整車配電盒的數(shù)量、規(guī)格及尺寸大小。

以某車型為例，全車共有3個(gè)配電盒，即蓄電池正極配電盒、前艙配電盒和儀表板配電盒，如圖1所示。

圖1 某車型配電盒

原蓄電池正極配電盒中放置整車供電的大電流熔斷絲，此設(shè)計(jì)主要對(duì)標(biāo)某德系合資車型，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是有利于平臺(tái)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并降低了通過(guò)其它配電盒的最大通過(guò)電流。但這種方案最大的缺點(diǎn)是配電盒尺寸大，屬于異型結(jié)構(gòu)，無(wú)法借用供應(yīng)商現(xiàn)有的產(chǎn)品，需要新開(kāi)模具。這直接帶來(lái)了蓄電池正極配電盒成本的增加。

圖2 捷達(dá)蓄電池正極配電盒

綜上考慮，此車型電源分配方案成本優(yōu)化的重點(diǎn)方向是取消蓄電池正極配電盒或選用供應(yīng)商現(xiàn)有的正極配電盒產(chǎn)品。同時(shí)盡量保證對(duì)前艙配電盒和儀表板配電盒的影響最小。蓄電池正極配電盒中的熔斷絲容量及用途如表1所示。

表1 蓄電池正極配電盒信息

供應(yīng)商資源中，用于正極配電盒的現(xiàn)有產(chǎn)品最多為4路輸出。結(jié)合此車型正極配電盒現(xiàn)方案的熔斷絲數(shù)量，需要將原方案正極配電盒中的一部分熔斷絲重新分配到其余2個(gè)配電盒中。其余2個(gè)配電盒中無(wú)MIDI熔斷絲的預(yù)留位置，為保證不改動(dòng)其余2個(gè)配電盒的結(jié)構(gòu)，需要考慮優(yōu)化電源分配方案，從而降低原MIDI熔斷絲的容量。對(duì)原正極配電盒中的熔斷絲逐一進(jìn)行分析如下。

2.1.1 PF01熔斷絲

蓄電池傳感器用于檢測(cè)蓄電池的狀態(tài)，對(duì)電壓信號(hào)的精度要求非常高，其電源回路要求任何工況下從蓄電池正極到傳感器接線端子上的壓降必須＜1 mV，所以此電源回路中的熔斷絲和導(dǎo)線不能與其它回路共用，而且導(dǎo)線的線徑和長(zhǎng)度的選擇，都要經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，保證滿足上述回路壓降要求。優(yōu)化方案的回路路徑及各分支導(dǎo)線長(zhǎng)度見(jiàn)圖3。蓄電池傳感器的最大工作電流為0.022 5 A，根據(jù)回路長(zhǎng)度及線徑計(jì)算的回路電阻為40.6 mΩ，經(jīng)計(jì)算，從蓄電池正極到蓄電池傳感器正極的最大電壓降為0.91 mV，滿足回路電壓降要求。

圖3 蓄電池傳感器回路信息

2.1.2 PF02熔斷絲

前艙配電盒供電的電線束路徑是從蓄電池正極配電盒到前艙配電盒正極，此回路總長(zhǎng)度為610 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，蓄電池到前艙熔斷絲盒的電源線，如果足夠短 (一般是小于1 000 mm，且周邊環(huán)境安全，造成該電路失效的機(jī)會(huì)極低)，可以不加熔斷絲保護(hù)。因此，這個(gè)熔斷絲可以取消。如圖4所示。

圖4 前艙配電盒電源線路徑

2.1.3 PF03熔斷絲

備用熔斷絲，經(jīng)對(duì)標(biāo)同類車型均沒(méi)有預(yù)留MIDI熔斷絲，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)取消此備用熔斷絲。

2.1.4 PF04、PF07熔斷絲

發(fā)電機(jī)熔斷絲和EPS熔斷絲需要保留，如果布置到前艙配電盒，不但會(huì)增加前艙配電盒的最大電流，而且相應(yīng)的線束會(huì)加長(zhǎng)，不利于成本優(yōu)化。因此這2個(gè)熔斷絲依舊布置在蓄電池正極配電盒中。

2.1.5 PF05、PF06熔斷絲

PF05、PF06是給儀表板配電盒供電的熔斷絲，PF05對(duì)應(yīng)BB1+接線柱，PF06對(duì)應(yīng)BB2+接線柱。熔斷絲容量是根據(jù)各自所帶負(fù)載的電流值進(jìn)行選擇的，如果在當(dāng)前電源分配的方案下，將這2個(gè)MIDI熔斷絲布置到前艙配電盒中，由于前艙配電盒中無(wú)MIDI熔斷絲的預(yù)留空間，因此需要更改前艙配電盒結(jié)構(gòu)，無(wú)法繼續(xù)使用目前的配電盒結(jié)構(gòu)。此車型儀表板配電盒的內(nèi)部排位圖見(jiàn)圖5。需要通過(guò)詳細(xì)分析PF05和PF06熔斷絲所帶的負(fù)載電流值，從而考慮優(yōu)化電源分配方案來(lái)降低熔斷絲容量。

上述2個(gè)熔斷絲所帶負(fù)載情況見(jiàn)表2和表3。表中“權(quán)重”的數(shù)值取決于負(fù)載類型，代表相應(yīng)負(fù)載電流值對(duì)上游熔斷絲總通過(guò)電流的貢獻(xiàn)值。例如點(diǎn)煙器屬于長(zhǎng)時(shí)工作負(fù)載，則權(quán)重值定義為1。門鎖只在開(kāi)鎖或解鎖時(shí)工作，屬于短時(shí)工作負(fù)載，則權(quán)重定義為0.1。

圖5 儀表板配電盒排位圖

表2 PF05-80A熔斷絲MIDI所帶負(fù)載

如表2所示，PF05熔斷絲所帶負(fù)載的最大加權(quán)電流值為56.47 A，此熔斷絲容量可以由80 A降低至60 A。熔斷絲類型由MIDI改為JCASE。

如表3所示，PF06熔斷絲所帶負(fù)載的最大加權(quán)電流值為150 A，目前PF06熔斷絲的容量為100 A，MIDI保險(xiǎn)絲屬于慢熔熔斷絲，可以承受短時(shí)過(guò)載。表4是力特100 A的MIDI熔斷絲過(guò)載熔斷時(shí)間，PF06熔斷絲最大過(guò)載電流時(shí)150 A，相當(dāng)于150%過(guò)載。如表4所示，熔斷絲的熔斷時(shí)間為90 s至3 600 s。結(jié)合負(fù)載的使用情況，最大電流的持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)90 s，因此100 A慢熔熔斷絲可以滿足使用要求。如果要將PF06熔斷絲類型由MIDI改為JCASE，則惟一的途徑就是將PF06熔斷絲所帶的大電流負(fù)載重新分配到前艙配電盒。如表5所示，大電流負(fù)載為鼓風(fēng)機(jī)、3個(gè)門窗電機(jī)、后除霜加熱。除去大電流負(fù)載，PF06熔斷絲所帶負(fù)載的加權(quán)最大電流值減小到73.84 A，如果選用60 A的JCASE熔斷絲，相當(dāng)于120%過(guò)載，如表6所示，熔斷時(shí)間大于60 s，可以滿足電路保護(hù)要求。

表3 PF06-100A熔斷絲所帶負(fù)載

表4 PF06熔斷絲過(guò)載熔斷時(shí)間 （100A-MIDI）

表5 PF06熔斷絲大電流負(fù)載

表6 60A-JCASE熔斷絲過(guò)載熔斷時(shí)間

根據(jù)上述分析結(jié)果，電源分配的優(yōu)化包括如下幾點(diǎn)。

1)為保證蓄電池正極到蓄電池傳感器的電壓降要求，蓄電池傳感器的回路線徑由原來(lái)的0.5 mm2增大到0.75 mm2。回路導(dǎo)線總用量由原來(lái)的300 mm增加到1 645 mm。

2)將儀表板配電盒中的IF34(電動(dòng)窗熔斷絲)、IF25(鼓風(fēng)機(jī)熔斷絲)、IF45(后除霜熔斷絲)3個(gè)熔斷絲取消作為預(yù)留。占用前艙配電盒EF15(電動(dòng)窗熔斷絲)、EF22(鼓風(fēng)機(jī)熔斷絲)、EF27(后除霜熔斷絲)3個(gè)熔斷絲。

3)原蓄電池正極配電盒中的PF05和PF06熔斷絲容量降低至60 A，并改為JCASE類型熔斷絲。分別占用前艙配電盒EF17和EF18熔斷絲。熔斷絲容量的降低意味著其保護(hù)的導(dǎo)線線徑也可以降低，因此儀表板配電盒供電的兩根導(dǎo)線可由原8 mm2和10 mm2降低至6 mm2。

4)前艙配電盒的負(fù)載增加了，相應(yīng)的供電線徑要加粗，由原來(lái)的16 mm2加粗至25 mm2。

根據(jù)上述優(yōu)化方案，蓄電池正極配電盒中的熔斷絲減少為2個(gè)，即PF04(發(fā)電機(jī)熔斷絲)和PF07(EPS熔斷絲)，再加上起動(dòng)機(jī)電源線和前艙配電盒電源線，剛好是4路輸出。優(yōu)化后的蓄電池配電盒方案如圖6所示。

圖6 蓄電池正極配電盒優(yōu)化方案

配電盒優(yōu)化方案的成本分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 某車型配電盒優(yōu)化成本分析表

2.2 熔斷絲優(yōu)化思路

電氣件電源回路的熔斷絲共用方案應(yīng)該遵循以下原則。

1)相同電源類型是電氣件熔斷絲共用的必要非充分條件。

2)相同安全等級(jí)的電氣件且從屬于一個(gè)電氣子系統(tǒng)的電源回路可以共用熔斷絲。

3)工作電流＜1 A的電氣件負(fù)載，盡管其物理類型不同，但是其熔斷絲可以共用。

4)不同安全等級(jí)的電氣件電源回路不能共用熔斷絲，避免出現(xiàn)等級(jí)低的電氣件電源回路短路或過(guò)載而導(dǎo)致熔斷絲熔斷，從而影響了安全等級(jí)高的電氣件正常工作。

5)安全等級(jí)為1級(jí)的電氣件電源回路應(yīng)該單獨(dú)設(shè)置熔斷絲，不能與其它電氣件負(fù)載共用。

6)工作電流值≥30 A的電氣件負(fù)載其熔斷絲應(yīng)該單獨(dú)的，不能與其它電氣件負(fù)載共用，如ABS/ESP、EPS/EHPS、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等。

7)有些與行車安全相關(guān)的電氣件負(fù)載，雖然其電源類型相同，工作電流值也不大，但是也不能共用熔斷絲，如左、右燈組。

8)有些關(guān)鍵電氣件備份判斷信號(hào)的電源回路不能與主信號(hào)電源回路共用熔斷絲，如接觸式制動(dòng)開(kāi)關(guān)的常開(kāi)和常閉信號(hào)的電源回路。

9)外接設(shè)備的電源回路最好單獨(dú)設(shè)置熔斷絲，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師無(wú)法約束用戶外接設(shè)備的品質(zhì)，此回路出現(xiàn)短路或過(guò)載的幾率比較大，所以不要與其它電氣件負(fù)載共用熔斷絲，如點(diǎn)煙器、后備電源、診斷接口電源回路等。

某車型項(xiàng)目的熔斷絲共用方案在設(shè)計(jì)之初均遵循上述原則。

3 搭鐵分配優(yōu)化

3.1 搭鐵分配優(yōu)化思路

電氣件搭鐵點(diǎn)共用方案及成本優(yōu)化方案應(yīng)該遵循以下原則。

1)安全等級(jí)為1級(jí)的控制器如安全氣囊控制器、ECU、TCU、ESP等控制器應(yīng)單獨(dú)搭鐵。

2)工作電流≥30A的電氣件負(fù)載應(yīng)該單獨(dú)搭鐵，如冷卻風(fēng)扇、EPS、鼓風(fēng)機(jī)等。

3)為了避免對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，電氣件負(fù)載的功率搭鐵和信號(hào)搭鐵不能共用。

4)為了避免干擾音視頻信號(hào)，音響單元應(yīng)該單獨(dú)搭鐵。

5)為了降低同時(shí)失效的幾率，與行車安全相關(guān)的左右對(duì)稱電氣件負(fù)載不要共用搭鐵，例如左右側(cè)前照燈的搭鐵回路。

6)搭鐵回路的導(dǎo)線線徑選擇不一定要與同回路的電源線的線徑保持一致，因?yàn)殡娫淳€必須滿足電氣件負(fù)載過(guò)載使用的要求，同時(shí)電源線必須與所選用的熔斷絲相匹配，另外還考慮電源回路的導(dǎo)線長(zhǎng)度、布置環(huán)境和電壓降等要求，而搭鐵回路的線徑選擇主要是由電氣件負(fù)載決定的，受環(huán)境和電壓降的影響較小，所以某些回路的搭鐵線的線徑會(huì)略小于電源線的線徑，這種設(shè)計(jì)方法既能保證搭鐵性能又能降低導(dǎo)線成本。

7)安全氣囊控制器的搭鐵導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)≤200 mm，并且單獨(dú)搭鐵。

3.2 搭鐵分配優(yōu)化方案

根據(jù)上述原則，對(duì)此車型目前的搭鐵分配進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，此車型設(shè)計(jì)初期基本滿足上述要求，主要根據(jù)第6條優(yōu)化了部分搭鐵回路的導(dǎo)線線徑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，由0.5 mm2導(dǎo)線降低至0.35 mm2的導(dǎo)線共計(jì)34.657 m，可降低成本2.77元。

4 系統(tǒng)接線原理優(yōu)化

整車上每個(gè)電氣功能均能夠形成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，這個(gè)子系統(tǒng)中包含各電氣件及電氣件間的接線關(guān)系，接線關(guān)系的改變可能會(huì)影響電氣功能的實(shí)現(xiàn)，因此在考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要注意對(duì)電氣功能的影響。下面以某車型組合開(kāi)關(guān)直接驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)近光燈項(xiàng)目為例，舉例說(shuō)明系統(tǒng)接線原理優(yōu)化的思路和方法。

4.1 原方案

組合開(kāi)關(guān)輸入給BCM，由BCM驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)近光燈。操作組合開(kāi)關(guān)接通近光擋或遠(yuǎn)光擋時(shí)，相當(dāng)于將對(duì)應(yīng)管腳搭鐵，此搭鐵信息通過(guò)硬線反饋給BCM相應(yīng)管腳，BCM驅(qū)動(dòng)近光燈點(diǎn)亮 (近光擋)或驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)光燈電磁閥工作 (遠(yuǎn)光擋)。相應(yīng)的子系統(tǒng)接線原理見(jiàn)圖7。

4.2 優(yōu)化方案

由組合開(kāi)關(guān)直接驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)近光燈工作。通過(guò)組合開(kāi)關(guān)控制外部繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光燈的工作，當(dāng)組合開(kāi)關(guān)在近光擋時(shí)，遠(yuǎn)近光繼電器吸合，此時(shí)近光燈點(diǎn)亮。當(dāng)組合開(kāi)關(guān)在遠(yuǎn)光擋時(shí)，遠(yuǎn)光電磁閥負(fù)極通過(guò)組合開(kāi)關(guān)搭鐵，遠(yuǎn)光電磁閥工作，切換至遠(yuǎn)光燈。相應(yīng)的子系統(tǒng)接線原理見(jiàn)圖8。

圖7 遠(yuǎn)近光燈驅(qū)動(dòng)方案--原方案

圖8 遠(yuǎn)近光燈驅(qū)動(dòng)方案--優(yōu)化方案

4.3 方案優(yōu)化后對(duì)功能的影響

1)無(wú)法實(shí)現(xiàn)伴我回家功能。

2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉遠(yuǎn)近光燈的功能。

3)近光燈在30電時(shí)也可以工作。

4)BCM仍需要接收組合開(kāi)關(guān)控制遠(yuǎn)近光燈工作的信號(hào)。由于BCM要驅(qū)動(dòng)后霧燈，而后霧燈點(diǎn)亮的前提條件是近光燈、遠(yuǎn)光燈或前霧燈點(diǎn)亮，因此BCM需要通過(guò)組合開(kāi)關(guān)接收遠(yuǎn)近光點(diǎn)亮的信息。

4.4 成本變化

1)BCM減少2個(gè)驅(qū)動(dòng)管腳，成本大概降低4元。

2)線徑為0.5 mm2的導(dǎo)線增加1 600 mm，成本大概增加0.5元。

此方案總計(jì)降低成本3.5元。

上述方案是某車型系統(tǒng)接線原理優(yōu)化的實(shí)例。通過(guò)優(yōu)化結(jié)果可以看出，系統(tǒng)接線原理的優(yōu)化涉及到子系統(tǒng)內(nèi)的大部分部件，是成本優(yōu)化主要的突破口。

5 總結(jié)

現(xiàn)代汽車產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，在保證性能的前提下達(dá)到成本最優(yōu)，是各整車廠努力的重點(diǎn)方向。因此，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期的成本意識(shí)顯得尤為重要，有些功能或性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要增加大量的成本，而這些功能可能并不是用戶重點(diǎn)關(guān)注的，這就可能引起成本的浪費(fèi)，因此在設(shè)計(jì)初期需要通過(guò)大量的對(duì)標(biāo)與用戶調(diào)查，找到功能、性能與成本的平衡點(diǎn)。本文以某具體車型為例，提供了整車電氣原理方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路和方法，希望能為后續(xù)新車型電氣原理方案的制定提供有價(jià)值的參考。