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[汽车线束] 汽车经济性之线束轻量化设计:(电压平台提升、电气架构优化、新材料)

P:2023-01-23 20:35:15

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线束轻量化对汽车意味着什么?

线束是汽车中最重、最复杂的部件之一。随着汽车电子化、信息化的迅猛发展,人们对汽车智能化功能的要求不断提高,汽车狭小的空间内所放置的电子电气设备也随之增多,导线数量也相应不断增加。据统计,目前一辆高档汽车的导线使用量达2km,重量在20~30kg左右。线束重量每减少10%,燃油经济性可提高3%。如果一辆汽车每消耗1加仑汽油可以行使20英里(约合32km),那么按每年行使15000英里(约合2414km)计算,燃油经济性每提高3%,每人每年就可以节省22.5加仑(约合85L)汽油。“线束减重在帮助整车减重、提升燃油经济性方面有着不容忽视的作用,将会越来越受到汽车制造商的重视。

线束由于长度过长且“太软”,组装必须要由人工来完成,因此线束的减少最大的好处就是提高生产效率及降低人工成本,特斯拉Model Y 的车内线束长度缩短到100 米,而且将线束设计为结构件,将线束变成一个个固定的零件,使得线束的组装可以由机械手臂来完成,自动化率进一步提升。除此之外,其也能解决产能问题,降低资金投入;还能减少汽车能量损耗及车重,提升续航。

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1.低压平台的48V系统运用
近年来,48V系统普及化序幕正在逐步拉开注。一方面,是高端的奥迪、奔驰新S级,插电混动版将配备48V系统,另一方面,比亚迪以外的自主厂商也在发布自己的48V系统研发和投入计划,例如奇瑞,甚至宝骏。
 受制于传统的12V低电压系统由于电压平台过低,部分总成部件无法实现电气化,例如空调转向助力等,发动机一旦熄火将意味着空调无法工作、失去转向助力。然而有了48V系统以后,转向助力和刹车助力都可以电气化,这时候就不需要发动机再无谓地空转“待命”了。它对于节油的影响是相当可观的。其次就是真正实现了“该启再启”、“该停就停”——即便最难通过的路口,电气系统也足以维持空调的运转和保留支持再次启动的电量48V系统相对于12V系统,同样的功率下线束的电流降至原来的1/4,对于线束减重相当可观

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2.高压平台的800V系统运用
电动化把高性能跑车和高端轿车在纯加速层面的差异化完全抹平了,高性能跑车市场和高端轿车市场的界限变得模糊了.

特斯拉 Model S P100D 的加速已经超过了保时捷 918 Spyder、迈凯伦 P1 和法拉利 Laferrari 这三大神车。保时捷打算通过 Taycan 重新定义高性能电动汽车。

 

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Taycan 电池组没有应用任何特殊的、改变游戏规则的化学材料来实现 800V 的高压,通过串联 400V 的电池,保时捷找到了一种优雅的解决方案,实现了同等输入功率,双倍电压但电流减半。另外,919 Hybrid LMP1 其实是保时捷第一款采用 800V 高压电池的车型,Taycan 的高压电池正是脱胎于此。

 

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800V 高压电池还实现了线束的减重,相对 400V 电池车型,Taycan 的所有铜电缆线束的传输损耗只有前者的 1/4,因为传输电流要低得多。800V 高压电池让 Taycan 的铜线束减重了 88 磅(约 40kg)。

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特斯拉三款主流车型Model S/Model 3/Model Y的线束长度为3km/1.5km/预测100m。特斯拉于 2019年 7 月 22 日公布了其最近的一项专利技术,将更新车型布线结构,计划将 Model Y 的车内线束长度缩短到 100 米。传统汽车设计的时候线束长度可达数公里,复杂度高。

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Model S到Model 3,由于Model 3在域控制架构方面,特斯拉推出了“区域zone”的概念,分为中域、左域与右域,不再是Model S那样按照传统的划分方法划分为动力域、底盘域等功能域。

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Model S的动力域、车身域、娱乐域等都不复存在,取而代之的是三大区域架构,分别是中央计算模块(CCM)、左车身控制模块(BCMLH)和右车身控制模块(BCMRH)。中央计算模块(CCM)整合了信息娱乐系统(IV)、辅助驾驶系统(ADAS),以及外部连接和车内通信系统域功能;左车身控制模块(BCMLH)和右车身控制模块(BCMRH)分别负责剩下的车身与便利系统、底盘与安全系统和部分动力系统的功能。

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同时Model 3配电控制模块被放置在12V电池后部,有效减少了线束的长度。从Model 3到Model Y,特斯拉是在原来的基础上,使用新专利(如新型线束系统结构和结构线缆专利等)和新技术(如柔性印刷电路FPC技术等),线束集成化大大增强。
为了实现电力和信号传输,特斯拉使用了新的电缆和连接器,将整体的线束组件做了一些更改。把原有基于点对点+通信+电源的线的体系,分成了电源母线、通讯线组和外部屏蔽组件,由于整体外围的ECU和传感器已经被规整了,整体的连接密度提升,工控中运用的排线设计的密度有所上升,这也将有助于特斯拉将布线需求控制100m左右且仍然能保证信号和电流传输不受影响。

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新技术:除了新专利的使用,其技术也不可或缺。其中就包括目前SpaceX所使用的技术——柔性印刷电路FPC(Flexible Printed Circuit)技术,该技术目前在太空车上得到应用。FPC所带来的革命性的电缆电路,该电路可缩短整台车的线束长度,并为每个组件提供电池与计算平台的冗余连接。

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德尔福本开发的0.13mm2无卤素超薄壁导线,大大减轻了线束重量。拥有比薄壁PVC 导线更耐高温,层壁更薄、更轻的绝缘层。0.13mm2导线一般用在开关信号、传感器信号等的电流回路,相比0.3mm2导线,单线外径减少40%,重量减少高达66%。德尔福使用了铜镁合金,添加0.2%的镁,大大提高了导线的机械强度。研发出L型端子,利用一高一低的压接翼技术,让导线的电气性能和机械性能在同一个压接高度上同时达到最优。同时,为了更加普及0.13mm2导线的应用,德尔福开发了一种新型的Double-X压接工艺:将0.13mm2导线剥头剥长一些,将它折弯后进行压接,这种压接方式相当于压接0.26mm2导线,可以直接使用现有的0.3mm2端子体系,应用比较广泛。

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电线作为线束主要的部件和载体,其重要性不言而喻。目前铜芯导线是行业主流因为铜材质是目前可知的导体中,导电率和安全性比较出色的导体,也是适合汽车线束的导体(考虑价格因素)。但是自从2005年以来,铜价飙升之后,铝作为有可能取代铜的导体再次被摆上了台面。让我们来对比下铜和铝的关键参数,首先,铜铝密度比重为3.29:1,也就是说1吨铝等于3.29吨铜,看到了么,先不说价格,从重量上铝就有很大的优势,轻量化大有希望;第二个参数是导电率,铜铝比率为1:0.629,铝在导电性能上弱于铜,并且铝的机械强度不如铜,也就是说,在汽车线束上,暂时铝还没有办法完全替代铜,但这是一个发展趋势,特别是在价格和重量两大因素影响下,线束加工中越来越多的设备也对应铝线材加工包括铜铝混合,比如超声波线束焊接机。

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保险丝盒/保护导槽/卡钉扎带/橡胶件/波纹&绝缘保护套管等等都是常见的线束辅助材料。 

关于保护线槽,在汽车发展的初期一度还有金属结构材料,我们目前使用的大部分都是高强度的塑料护板/线槽,想轻量化,,可以在材质上做文章,尽量使用较轻的聚酰胺(尼龙)来构造;第二,减小尺寸,确定需要保护的关键部位,其他可以采用厚胶布等保护,如果能做到完全取消当然更好,这需要在设计阶段就考虑。

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关于橡胶件,其作用是密闭保护电线,起到防外部尘埃和液体腐蚀的作用.在某些关键部位,比如发动机舱和驾驶舱连接之处,这里不但不能取消还得加强防护,其他的密封需要不高的区域,完全可用”发泡”工艺来取代橡胶件;另外关于波纹/绝缘套管,除了像光纤线/天线等信号传输较高部位需要严加保护外,其他大部分可以考虑使用加厚的布基胶布来取代。

 关于保险丝盒,E-BOX和外支架合在一起,上面插入不同阻值的保险丝和继电器;也是从塑料件(E-BOX盒+外支架)材质着手考虑,使用更轻的材料;第二,根据回路原理,尽量减少保险丝和继电器的数量,能合并就合并,这也是需要在设计阶段考虑,如果减少一条带端子的电线,那么这里就不需要插入保险丝或继电器去和这个端子匹配,从而实现轻量化。

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