汽車低壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

【摘" 要】文章主要闡述電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)和電器負(fù)載的變化導(dǎo)致的低壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從新型電子電氣架構(gòu)對(duì)電路影響、電源分配、線束拓?fù)洹⒕€束物料、48V系統(tǒng)和自動(dòng)化制程6個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化以提升低壓電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】汽車低壓線束；電路設(shè)計(jì)；電子電氣架構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463.62"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" 文章編號(hào)：1003-8639（2025）01-0060-05

Discussion of Vehicle Low Voltage Circuit System Design

WANG Xiaoyun，CAO Shanggui

（Production Digital Center Chery Automotive Co.，Ltd.，Wuhu 241006，China）

【Abstract】This paper mainly describes the design challenges of low voltage circuit system caused by the evolution of electronic and electrical architecture and the change of electrical load. The design of low voltage circuit system is improved by optimization from six dimensions：the influence of new electronic architecture on circuit，power distribution，wiring harness topology，wiring harness materials，48V system and automated process.

【Key words】vehicle low voltage wire harness；circuit design；EEA

隨著新能源汽車智能座艙、智能駕駛和各種舒適性、便利性負(fù)載的發(fā)展，整車電器負(fù)載的數(shù)量越來越多，負(fù)載功率越來越大。為應(yīng)對(duì)電器負(fù)載發(fā)展，電子電氣架構(gòu)也相應(yīng)發(fā)展演進(jìn)，以更好地實(shí)現(xiàn)電器控制，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，整車低壓電路系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更少的回路數(shù)量、更輕的質(zhì)量、更好的品質(zhì)以達(dá)成成本和質(zhì)量目標(biāo)。

1" 汽車低壓電器的演進(jìn)

1.1" 電子電氣架構(gòu)

電子電氣架構(gòu)發(fā)展分為三個(gè)階段：分布式、域控制器式、車載計(jì)算機(jī)式，如圖1所示。汽車從最開始的開關(guān)驅(qū)動(dòng)負(fù)載到模塊直接驅(qū)動(dòng)，再到模塊集成、域控制器集中及跨域融合。到了新能源汽車時(shí)代，重新定義電子電氣架構(gòu)，功能集中化成為典型趨勢(shì)。集中式電子電氣架構(gòu)，能夠逐步平抑ECU和線束的增長(zhǎng)趨勢(shì)，甚至到達(dá)某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)之后，能夠促進(jìn)大幅減少ECU和線束用量，降低EEA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜度。

1.2" 整車電器負(fù)載數(shù)量及功率

整車負(fù)載功率日益增多，如高階自動(dòng)駕駛的應(yīng)用；底盤的電動(dòng)化逐步替代傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)，如主動(dòng)懸掛、線控轉(zhuǎn)向、電子穩(wěn)定桿負(fù)載等大功率負(fù)載；音響娛樂系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)負(fù)載功率增大?？刂破髫?fù)載功率越來越大，導(dǎo)致12V低壓系統(tǒng)電流超過200A（2025：3～4kW，2028+：5～6kW），促使低壓電路系統(tǒng)中粗線束越來越多，帶來質(zhì)量、布置、損耗問題。負(fù)載功率變化預(yù)估如圖2所示，整車電流變化如圖3所示。

2" 汽車低壓電路系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

根據(jù)當(dāng)前電子電氣架構(gòu)和功率器件的發(fā)展，智能駕駛、智能座艙配置率提升對(duì)低壓電路系統(tǒng)的影響最直接表現(xiàn)在整車線束上為回路數(shù)量從幾百增加到2000左右，質(zhì)量從10kg左右增加到部分車型40～50kg。在設(shè)計(jì)、成本、質(zhì)量、制造工藝和主機(jī)廠裝配等維度帶來挑戰(zhàn)。

低壓電路系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施如下。

1）質(zhì)量增長(zhǎng)、成本壓力。可以用小型化、輕量化材料（小線徑、小端子、鋁代銅等）。

2）模塊數(shù)量增多，布置空間局限。通過小型化插件、拓?fù)鋬?yōu)化、模塊集中及布局優(yōu)化來改善設(shè)計(jì)。

3）高速數(shù)據(jù)傳輸需求劇增，帶來特種導(dǎo)線FAKRA和以太網(wǎng)導(dǎo)線數(shù)量劇增。同時(shí)數(shù)據(jù)線、模塊、軟件處理等系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及整車問題診斷能力也面臨挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4）物料品種增多，低壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度加大。需要標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，減少物料種類，并同二級(jí)物料廠家聯(lián)動(dòng)開發(fā)，以減少整車應(yīng)用問題。

3" 汽車低壓電路設(shè)計(jì)探索

3.1" 新型電子電氣架構(gòu)對(duì)電路影響

目前電子電氣架構(gòu)普遍采用區(qū)域控制器的方式，控制器的集成度影響網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，其布置位置直接決定線束與電器件的連接復(fù)雜程度和導(dǎo)線用量，優(yōu)化電子電氣架構(gòu)可以大幅減少ECU模塊數(shù)量和線束導(dǎo)線用量，同時(shí)降低EEA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜度。如圖4所示。

域控制器的集成除了考慮電器負(fù)載就近控制，域模塊集成電源分配與驅(qū)動(dòng)功能也實(shí)現(xiàn)就近布置線束，可以降低導(dǎo)線用量實(shí)現(xiàn)降本減重。通過區(qū)域模塊功能集中整合，以前模塊間分布控制時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)減少，從而減少了低壓控制電路數(shù)量，小線徑導(dǎo)線用量可優(yōu)化，同時(shí)模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸線也會(huì)減少。

3.2" 電源分配

隨著整車電子電氣架構(gòu)發(fā)展，整車配電從集中式配電變?yōu)閰^(qū)域配電。以前電源分配系統(tǒng)主要采用集中供電，供電系統(tǒng)由前艙電器盒、儀表電器盒和行李廂電器盒三者搭配組合構(gòu)成，區(qū)域配電方式則為電器盒一級(jí)配電+區(qū)域控制器二級(jí)配電組合構(gòu)成。

由于高階自動(dòng)駕駛要求EPS、ADAS等安全相關(guān)需冗余供電，需具備功能安全等級(jí)，配電需要智能化+電子化，所以一級(jí)配電為大功率負(fù)載+EPS、ADAS等安全相關(guān)提供冗余供電，具備主動(dòng)電流診斷和電路保護(hù)等安全功能。

考慮成本因素，目前電源分配系統(tǒng)仍以傳統(tǒng)繼電器加熔斷絲的方式，電子熔斷絲的成本較高，整車配置率還很低。電源分配系統(tǒng)變化如圖5所示。

3.3" 線束拓?fù)?/p>

由于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保等法規(guī)的要求，整車能耗控制越來越高。整車質(zhì)量對(duì)整車能耗影響較大，降低整車質(zhì)量是所有車輛部件設(shè)計(jì)的目標(biāo)，同時(shí)整車內(nèi)乘坐空間要求越來越高，可布置的空間越來越有限，整車低壓電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在有限的空間內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)及布局，降低質(zhì)量，所以低壓電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要推動(dòng)線束參與電器架構(gòu)與整車架構(gòu)前期開發(fā)，線域融合來優(yōu)化線束主干布局、分段方案和功能分配，降低導(dǎo)線用量同時(shí)為線束加工制造和主機(jī)廠總裝裝配提供便利。線束布局如圖6所示。

依據(jù)電子電氣架構(gòu)方案的控制器選型情況、控制器尺寸和所驅(qū)動(dòng)的功能分布情況來核算各域控制模塊布置位置所使用的導(dǎo)線用量，通過對(duì)比分析從而選擇最優(yōu)方案。另外還需要根據(jù)總裝裝配工藝、各汽車部件總成供貨情況和整車線束自身設(shè)計(jì)方案來設(shè)計(jì)線束分段方案，以盡量減少對(duì)接插件以控制成本并減少裝配工時(shí)。

3.4" 線束物料

電器功能與智能化、電動(dòng)化需求快速增長(zhǎng)，車輛電器件數(shù)量上漲至近250個(gè)，隨之帶來的大平方電源線束長(zhǎng)度增長(zhǎng)，特種導(dǎo)線占比翻倍增長(zhǎng)，其中FAKRA導(dǎo)線使用近90m，相較之前車型上升1.7倍，以太網(wǎng)導(dǎo)線使用近40m相較之前車型上升12.7倍。同時(shí)新能源車型的接插件產(chǎn)品種類增加且部分物料單價(jià)過高（如DC-DC、BMS等），總體上整車線束成本攀升明顯，如圖7所示。

3.4.1" 高速數(shù)據(jù)傳輸

隨著電子電氣架構(gòu)的演變，智能網(wǎng)聯(lián)汽車中高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大量應(yīng)用使得車載高速連接器的需求增大，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸可靠性帶來新的挑戰(zhàn)。

目前高速數(shù)據(jù)線束面臨的問題及應(yīng)對(duì)主要有以下幾方面。

1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口非標(biāo)準(zhǔn)接口，需統(tǒng)一接口，以減少產(chǎn)品種類和增強(qiáng)可替換性。

2）所用導(dǎo)線小線徑強(qiáng)度差，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高壓接工藝，提升機(jī)械性能。

3）高速數(shù)據(jù)傳輸線在整車上的故障排除效率和診斷手段缺乏，需要聯(lián)合芯片、控制器、數(shù)據(jù)線、檢測(cè)機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以規(guī)避機(jī)械問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸顯示及整車故障診斷難題。

4）高速數(shù)據(jù)線普遍成本高，需要不斷創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行成本優(yōu)化，同時(shí)還需要采用自動(dòng)化生產(chǎn)手段來提高生產(chǎn)效率，提升生產(chǎn)品質(zhì)，降低成本。

5）高速數(shù)據(jù)傳輸線相較傳統(tǒng)導(dǎo)線有絕緣層，相較傳統(tǒng)導(dǎo)線更重，需要不斷優(yōu)化材質(zhì)和質(zhì)量，輕量化設(shè)計(jì)。

3.4.2" 鋁導(dǎo)線應(yīng)用

基于實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用和性能要求，降低碳排放，保障品質(zhì)和可靠性，線束需要實(shí)現(xiàn)輕量化和低成本目標(biāo)。由于銅材料的價(jià)格波動(dòng)比較大，同時(shí)價(jià)格也比較高。性價(jià)比更優(yōu)，導(dǎo)電性能略弱于銅的鋁導(dǎo)線成行業(yè)內(nèi)普遍趨向。

鋁導(dǎo)線相較于銅導(dǎo)線的優(yōu)勢(shì)為，同導(dǎo)電性能情況下，鋁導(dǎo)線可降重17%～40% ，鋁導(dǎo)線可實(shí)現(xiàn)降本5%～45%。但鋁導(dǎo)線也有其劣勢(shì)，需注意以下幾方面。

1）布置空間。導(dǎo)電率約為銅的60%，同等載流量需求時(shí)，鋁線徑約為銅線徑1.6倍。故部分空間不足區(qū)域使用特殊工藝來滿足布置可行性，比如采用塑型工藝或鋁板來減少空間局限性。

2）抗拉強(qiáng)度低。鋁的機(jī)械強(qiáng)度只有銅線的1/3，端子壓接拉脫力小。對(duì)于小線徑導(dǎo)線應(yīng)用環(huán)境，就需要使用高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)線來增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線加工和端子壓接等問題目前還未成熟，所以小線徑鋁導(dǎo)線應(yīng)用目前仍受限，普遍應(yīng)用的還是大平方鋁導(dǎo)線。

3）易電化學(xué)腐蝕。鋁導(dǎo)線表面極易形成氧化膜，氧化層具有絕緣特性，將造成壓接電阻升高。需要采用特制鋁導(dǎo)線專用端子以解決電化學(xué)腐蝕問題。

4）易氧化。銅鋁電極電位差約2V，銅鋁壓接易電化學(xué)腐蝕。端子壓接處需密封，盡量用于干燥區(qū)域。

3.5" 48V系統(tǒng)

3.5.1" 48V電源優(yōu)點(diǎn)

隨著智能化、電動(dòng)化和自動(dòng)駕駛發(fā)展，12V系統(tǒng)所需提供的功率極限在3～4kW，其已無法滿足負(fù)載需求，在負(fù)載提升情況下，可將電壓提升至48V，以降低電流的方式來解決該問題。12V與48V整車電流變化對(duì)比如圖8所示。

汽車采用48V電源的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）可以提供更大的功率，減少損耗：P=U×I，電壓4倍，電流降低4倍，P=I2R，1/4的電流，1/16的功耗，效率提升；解除功率限制，性能更加穩(wěn)定可靠。

2）實(shí)現(xiàn)線束的極簡(jiǎn)化、輕量化。電壓升高后，相同功率情況下僅1/4的電流，可以選型更小的線徑、散熱器和芯片，更低成本的連接器、PCB板和外殼。

3）提高車輛操控性。對(duì)于搭載后輪轉(zhuǎn)向、主動(dòng)防傾桿等新技術(shù)的車型可讓原本被動(dòng)的懸掛系統(tǒng)變?yōu)橹鲃?dòng)。

4）最高充電電壓接近60V，可有效滿足安全電壓。

3.5.2" 48V系統(tǒng)對(duì)線束的影響

48V替代12V之后，線徑降低250%～400%（功率≥300W），如圖9所示；P=I2R，理論上最大可以降低1/16，線束功率損耗降低100%～150%（功率≥300W），如圖10所示。

3.5.3 48V系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1）48V系統(tǒng)的復(fù)雜性和安全性問題是亟需解決的關(guān)鍵問題。

2）采用新系統(tǒng)的擔(dān)憂也是制約其發(fā)展的因素之一，48V產(chǎn)品及芯片少，整個(gè)行業(yè)可能需要很長(zhǎng)時(shí)間的過渡，才能實(shí)現(xiàn)48V系統(tǒng)的更新。

3）供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)面臨重新洗牌。48V需要開發(fā)和制造以更高電壓運(yùn)行的零部件，產(chǎn)量相對(duì)較小的情況下，成本增加。

4）基礎(chǔ)技術(shù)問題。EMC電磁兼容、12V和48V電壓分離、爬電距離增加、電弧能量高、電化學(xué)腐蝕和耐壓等級(jí)高等。

3.6" 自動(dòng)化制程

鑒于線束系統(tǒng)的質(zhì)量增加、物料種類繁多，線束制造復(fù)雜性也隨之增強(qiáng)，而線束的制造是勞動(dòng)密集型行業(yè)，為了減少制造的過程復(fù)雜性，在線束設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮制造過程自動(dòng)化，以提升線束的制造品質(zhì)和效率。傳統(tǒng)的線束制造工藝是二級(jí)物料到線束廠后，通過人工進(jìn)行開線、壓接、裝配的方式?，F(xiàn)如今自動(dòng)化制造設(shè)備和工藝的引入，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的開線、剝皮、端子壓接和絞線等工藝一臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，甚至有些線束廠針對(duì)量大、物料固定的總成實(shí)現(xiàn)開線、剝皮、穿密封塞、端子壓接和插孔等一系列動(dòng)作自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

未來，線束設(shè)計(jì)需要考慮面向生產(chǎn)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)理念，通過端子種類的縮減、優(yōu)化線束結(jié)構(gòu)和分?jǐn)?、采用短路器替代超聲波焊接、在線注塑密封橡膠件、采用連接器式接地端子等方式來達(dá)成后續(xù)制造自動(dòng)化的目的。同時(shí)更多自動(dòng)化的加工工藝和設(shè)備引入，來提升加工效率，比如自動(dòng)扎帶機(jī)器、自動(dòng)包裹膠帶、視覺引導(dǎo)布線等。線束設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)如圖11所示。

4" 總結(jié)

低壓電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因其涉及的電器件和電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜性、物料種類的多樣性和設(shè)計(jì)軟件的自動(dòng)化程度低等給其帶來很大的難度。為了更好地提升低壓電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，后續(xù)需要持續(xù)加強(qiáng)與控制器和電子電氣架構(gòu)的融合，深入了解各個(gè)電器件的發(fā)展方向，創(chuàng)新引入新材料、新工藝、新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的設(shè)計(jì)、更輕的質(zhì)量、更可靠的品質(zhì)和更智能的制造。

（編輯" 楊凱麟）