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“汽车线束” 将随自动驾驶发生哪些变化？

来源：公众号“SAE International”

2020-05-25

SAE International

国际自动机工程师学会

作者：Dan Scott 和 Ulrike Hoff

本文原发表于

SAE《自动驾驶车辆工程》杂志

车辆的线束系统已经愈发复杂，并给车辆带来沉重的重量和成本负担。未来，这一情况会随着自动驾驶设备的加入而发生哪些变化呢？两位专家对此发表了自己的看法。

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随着OEM开始将自动驾驶等越来越多的新功能集成至车辆产品中，车辆线束设计将面临更大的尺寸、复杂性、成本和重量挑战。

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工程师和产品规划师应对当今的自动驾驶汽车复杂度就已十分艰难，而今后复杂度只增不减，他们又该如何应对？现代车辆通过高带宽网络以管理高级传感器融合，通过车载计算机以运行人工智能算法，完成千兆级别的数据处理。各个模块各司其职，而将这些不同模块连接起来的就是线束。随着功能的不断增加，如今的汽车“线束”已经越堆越重，给厂商带来高昂的成本和封装挑战。

事实上，高档轿车和全尺寸卡车可能使用了 40 种不同的“线束”，搭载了超过 700 个连接器和 3000 条电线。给大家一个更直观的数据，如果把汽车上的电线全部连起来，其长度可以超过2.5 英里（4 公里），重量也将达 132 磅（60 公斤）。而且，汽车所需的电线多种多样，有时甚至会用到高达 70 多种专用电线，包括同轴电缆、高速数据线和 USB 电线等。

事实上，上述数据还是在不包含“自动驾驶”相关设计下的测算结果。自动驾驶技术一旦部署，势必会进一步增加汽车线束的规模、重量、成本和复杂程度。对于基于电动汽车平台构建的自动驾驶汽车而言，更多的电子内容也会带来严峻挑战。对此，工程师可以从汽车架构层面和线束层面采用不同策略进行应对。

自动驾驶依靠强大而密集的传感器和计算机网络来检测不断变化的驾驶场景，并对其做出反应。

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架构层面优化

汽车制造商正在研究新的电子电气架构，从而通过简化线路设计，最大程度地降低成本和重量。此类设计可以减少支持各类车辆功能所需的布线，并有机会降低重量、便利自动化生产，从而降低成本。此外，在OEM中已经兴起了整合电子组件的趋势，比如将 ECU 和传感器模块整合起来，从高度分布式结构向集中式结构转型。这种架构整合有助于精简物料清单（BoM），并直接简化线路的复杂性。

随着汽车制造商开始向车辆嵌入功能强劲的集成电路（IC）和微处理器，ECU 整合已经成为一种流行趋势。如今，芯片的运算能力大幅增强，一个单元已足以承担过去多个单元才能完成的任务。这样一来，车辆架构整合的趋势愈发明显，各类强大的域控制器将借助传感器融合和人工智能算法，首先对传感器数据进行预处理，而后再将其发送至车辆的中央处理单元。

然而，架构整合不能过度。如果所有汽车功能均仅有 1 或 2 个控制单元全权负责，则势必产生大量布线需求，将分布在车辆各处的所有组件连接起来。OEM将需要执行大量分析，从而在分布式和集中式功能管理之间达到最佳平衡。

OEM和一级制造商也在积极寻求新型线材，从而达到降低线束重量的目标。举个例子，业内已经推出了一款横截面积只有 0.13 平方毫米的新型超细电线。遗憾的是，虽然有了超细电线，但电线两端的连接器配套却仍跟不上，因此这种超细电线很难在市场上进行大规模推广。铝质电线的情况也一样，纯铝材质太脆，因此无法做到太细。如今，相关供应商均在开发适合极细电路的终端连接器材料，比如铝合金。一时间，市场上的合金材料也形形色色，而且绝大多数情况无法相互兼容。这意味着，如果使用任何一种电线，整辆车都需要使用同一家供应商的连接器，这并不现实。

新型特种电缆的出现也可以进一步缩小线束直径，并降低线束重量和成本。未来，车辆上的数据密集型传感器和显示器的数量只会继续增加。因此，通过标准化线路传输视频和其他数据丰富的信号愈发重要。另一个思路是，在多种设备同时接入的大背景之下，通过线路复用将多路信号部署在同一条共用专用电缆上，这也可以达到降低重量、成本、电线直径的效果。

“

关键是要采用一套可以支持整个电子电气和线束开发流的工程软件解决方案。

自动化的数据传输可以简化域与域之间的交互，从而减少线束设计中的错误。

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借助数字化工具

除了架构和线束层面的优化外，在开发过程中采用电子电气软件解决方案也至关重要。我们需要使用软件工具来进行快速权衡分析，以优化模块安装位置，并识别可以进行集成的模块，从而节省重量、成本或降低复杂度。也就是说，软件工具可以快速分析改变任何布局可能带来的影响，帮助工程师选择出最优系统架构。

此外，最先进的电子电气工程解决方案还可以在整个线束开发过程中保证数据的连续性，与其他工程软件和自动化设计软件完美兼容。比如，Mentor 公司的 Capital 软件套件即可支持车辆等大型平台进行电气系统工程设计，帮助OEM成功完成哪怕最复杂的车辆线束设计。

数据连续性可确保工程师在电子电气架构和线束开发的各个阶段均可以访问最新的准确信息，即通过为车辆架构和线束创建一个数字化“副本”，以避免手动交换数据的需求。这样一来，工程师可以通过自动数据交换，避免手动数据交换和重复输入可能产生的错误，从而实现更有效的协作。此外，由于具备与其他领域软件（比如机械设计工具和产品周期管理解决方案）进行集成的能力，该解决方案还可以便利跨工程领域的协作和自动数据交换。

自动化功能可帮助工程师进一步优化车辆架构和线束。综合线路设计可以将系统连接性信息（例如设备和信号类型）与物理线束限制相结合，从而在车辆范围内生成最优的线路布局和连接方式。如今的综合线路设计工具支持复杂的电线类型、丰富的屏蔽材料选择、多种网络协议，甚至可以自动创建接地点。

最后，结构性优化和系统级改变也会对电子电气和汽车线束带来广泛影响。此外，这种方法还允许在工程和制造的任何环节启动变更流程，从而让持续优化成为一种常态。值得注意的是，最重要的是要在项目的早期阶段引入结构性的变更管理规范。

先进的电子电气工程软件是一套非常优雅的解决方案。借助于变更控制机制，这套软件的内置设备数据库功能得到了极大的增强，可以判断特定设计数据的负责人，并提示变更的开展方向。

通过这些增强特性，该数据库可以立即提供自动化、结构化的变更管理程序。