新材料与工艺手册

[轻量化材料] 汽车线束轻量化趋势及0.13mm2合金导线的应用

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发表于 2020-4-21 14:27:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新四化的变革对汽车线束技术发展也提出了更加严苛的要求。高压化、轻量化是汽车线束行业不可逆转的发展趋势。用电设备高压化,可是使额定电流降低,可以采用较细的高压导线,减少线束重量。车辆每减少100kg ,百公里油耗可降0.3-0.6L ,或者可续航里程提升10%-11%。汽车线束如果可以减重20kg ,可以提升2%的里程。下面就简要的聊一聊汽车线束发展趋势及0.13mm2合金导线的应用。

一、汽车轻量化趋势

1.1 轻量化
A)线束系统设计轻量化
采用合理的电气架构和电气系统布置、布线,及在安全范围内合理的保险、导线的选型匹配是设计轻量化关键所在。上图为奔驰老GL平台 ,下图是特斯拉model 3平台。BenzGL 上-代架
构采用分布式功能架构,就是各个功能集成在各个ECU模块中,有70- -80个模块 ,高配有上百个模块,虽然模块间都是网络通讯,但整车线束重量高达40- -50kg, 单 车身线束已经重达25-30kg。而特斯拉采用的是集成分布相结合的域控制器,包括中央计算模块(CCM)、左车身控制模块(BCM_ LH)和右车身控制模块(BCM_ RH)三个域控制器。许多功能集成在域控制器内,仅留下负责外设的ECU分散布置,通过CAN或以太网总线桥接域控制器,加上优化布置设计,全车线束重只有20kg ,总长1.5km。有较好的节电效果。奔驰在布置方面也是有减重方面考虑的,如前SAM布置在右A柱这- -侧,前舱、顶棚、仪表、车身线可以分别接进来直接对接相应的SAM.上的插件位置,减少inline的使用,也可以有些减重的效果。

B)线束材料轻量化:
导线轻量化
导体选用更合理如0.13 mm2导线或者是软排线,可以减重及节省空间。超薄壁导线替代常规的薄壁导线,如0.13mm2的超薄壁PVC导线可以实现重量降低13% ,尺寸降低24%。铝导线的应用,与铜相比铝导线可将车身线束总重降低30%以上。高压铝导线采用铝合鍀体比铜导体减重46-49%。

连接器轻量化
作为减轻线束重量有效方法之一是降低连接器的体积和重量。目前,日本住友公司开发的小型连接器在同样功能需求下重量会降低20% ~ 40%。以罗森博格HFM为例,罗森博格将传统的FAKRA改成了结构紧凑, 尺寸更小,传输速度更快的HFM ( high-speed FAKRA mini)系列。

发泡技术用于护板支架等产品
聚氨酯发泡技术也可以有效的降低线束重量,而且还便于线束的空间布置。具有重量轻、成型周期短、减少翘曲提高精度、抗油污、粉尘能力强,安装后没有噪声等特点。
1.2 线束系统模块化、集成化
线束进行模块化设计时,将线束按功能分成各个小模块线束,生产时可以按配置的功能需求,选用不同的功能模块进行组装。如benz是将汽车线束按功能划分为每一个小模块线束,然后按照不同配置要求选取不同模块装配到一起,但不会生产-一个大的零部件号,产品标签上会打印上所有的选取线束模块号。整车线束采用KSK模块化生产模式,这样能最大限度的满足客户的不同需求。
线束系统也会同其他的模块进行集成装配,如门模块、顶棚模块、前后保模块等,以减少整车在生产过程中装配时间,提高工作效率。
线束零件的组合数量和复杂程度是由车辆配置表上有多少可选项来决定的。以某款C级车为例,全系可实现的选装组合100多种。导致线束BOM愈发复杂,组合数量爆炸式增长。虽然采用模块化生产方式有所缓解,但依然增加了许多的管理成本。
这种形式下线束一种新的发展趋势,就如特斯拉已经开始设施软硬分离设计,产车上直接是统-硬件,再通过OTA为硬件赋予实际功能,升级,扩展,优化等。线束作为对软件0诉求零件,在此软硬分离的趋势下,可以直接覆盖最大范围电器件进行设计,从100多个配置组合中挣脱出来。

1.3 线束系统兄余设计
随着L3\L4自动化驾驶的技术的迅速发展,自动驾驶功能对部分关键零部件(ESP、EPS等)提出了功能安全设计要求即冗余化设计。冗余设计对整车电源系统、电源分配系统、线路系统设计提出了新的要求。目前有些方案直接增加一套电源及电源分配系统、智能断路器满足功能安全D等级要求,有些方案通过增加智能的电源分配系统,需要结合车辆实际状态选择合理方案。
1.4 通信高速化
随着智能化、网联化的发展, V2X、ADAS、 自动驾驶领域发展,对数据采集处理速度要求越来越高,车辆网络系统,也从原来的CAN\LIN发展到CANFD、百兆以太网( 100M)、千兆以太网( 1000M)。线束系统也要随之升级,虽然CAN的双绞线和百兆以太网的双绞线,外观看上去没有什么差别,实质上有大不同,但100base-T1以太网线束对特性阻抗、插损、回损等特性参数都进行了详细的定义,对中间的inline数量也进行了规定。


二、0.13mm2合金导线的应用

以下针对汽车线束轻量化-0.13mm2合金导线的应用趋势进行分析和研究。从应用范围、质量占比、导电性能、机械强度和加工工艺等几个方面分析0.13mm2合金导线在整车低压线束中的应用可行性,从而降低整车线束的质量,实现轻量化的目的。
汽车线束约占整车质量的5%,汽车线束由导线、包裹材料、接插件、卡钉、支架等零件组成,其中导线占比约为70%,导线的轻量化分析变得尤为重要。
整车线束从功能分类大致可以分为3类:供电导线、搭铁导线和信号导线,本文重点分析0.13mm2合金导线替代传统信号线的优势及相关风险。对于信号导线,传统车型上我们在综合考虑导电性能、机械性能以及加工工艺上,会优先选择含铜量大于99.9%的纯铜,导线线径会优先选择0.35mm2或0.5mm2的导线,但是从线束轻量化的角度还有非常大的优化空间。
0.13mm2导线对比0.35mm2以及0.5mm2导线,如果依然是纯铜导线,导电性能上不会有太大的差异,但是因为铜丝较少机械性能相比会弱化很多,在加工工艺上,会存在非常大的风险,在端子压接、超声波焊接等区域非常容易出现断丝、 压接不牢靠等问题,会极大提高产品的不合格率,所以对于 0.13mm2导线需要通过Sn、Mg、Ag等金属来提升其机械性能。
在各大主机厂中,宝马车型使用CuAg较多,在大众集团、奔驰以及通用等OEM中有CuMg和CuSn两种规格合金导线,福特部分车型中有使用CCS(铜包钢) 合金。因为合金金属的差异,CuSn的合金价格会比CuMg便宜 10% 左右,CuAg价格比CuSn的价格贵。
综上所述,本文重点分析的是0.13mm2的CuSn和CuMg合金的轻量化应用。

2.1 0.13mm2导线应用范围
整车线束的布置区域大致可以分为3个部分:底盘区域、发动机舱区域和内舱区域。以传统燃油车为例,发动机舱环境最为恶劣,底盘区域次之,内舱相对环境最佳且多为静态区域。对于0.13mm2导线的推广和应用,优先建议在内舱区域使用,生产工艺上也只需考虑端子选型和超声波焊接要求,而在底盘和发动机舱区域,还需要额外考虑防水防尘以及运动区域的动态使用要求,建议在供应商设备投入和整车试验较完善的情况下,再逐步往底盘区域和发动机舱区域推广使用。
在整车的震动区域应用合金导线时,建议在样车阶段做振动试验以验证导线的机械强度,避免后续跑车或者高低温环境下导线断裂的情况。

2.2 0.13mm2合金导线质量占比
在传统车型中,信号线大多使用0.35mm2和0.5mm2的导线,其质量分别是4.5kg /km、6.5kg/km,而0.13mm2的质量仅有2.0kg/km(0.13mm2纯铜导线和合金导线质量近似),应用0.13mm2对于信号线的质量较少可以达到55%~69%。整车低压线束的信号导线大致可以分为Lin、CAN、Ethernet、LVDS等,其中Lin和CAN导线的用量居多,Ethernet、LVDS等是半成品导线且价格比较高,在整车应用中的比例相对较小。以某品牌新能源纯电动SUV为例,整车Lin网络使用的全部是0.35mm2导线,用量大约为80m,导线铜重约为0.36kg,CAN网络使用的全部是0.35mm2导线,用量大致为120m,导线铜重大致为0.54kg,如果将上述所有导线都有优化为0.13mm2导线,线束铜重将减少0.5kg。
高度复杂的电子电气架构导致今天整个汽车构造复杂,成本也非常高。甚至汽车的不安全性都息息相关。在可预期的未来智能化普及之后,域控制器对于数据传输的要求会将下一代汽车完全以太网化,优化执行器、传感器和控制器的线束连接,减少线束的长度和用量。其中以特斯拉为代表的新能源纯电动车,通过集成控制器的做法,推广使用Zone  Control区域控制器的概念,减少了功能控制器和执行器的数量,优化控制器和执行器的连接,整车导线用量会剧减,线束的成本大幅降低且整车的导线长度在新一代的Model Y车型上只有约2400m,以大众B级车为例,整车的导线长度约为5000m,C级车线束长度高达6000m,导线的轻量化成果显而易见。图1是博世划分的汽车电子电气架构的演进趋势。


图1 电子电器架构的演进趋势图
在这张趋势图中能看出domain control(域控制器)的变化,通过设立多个主节点、各个主节点之间用以太网传输来解决大带宽的需求,而分布的控制器只需要收集对应执行器、传感器的信号然后在主节点之间传输,能大量减少两两之间的通信,甚至可以完全取代传统的CAN网络,比传统的CAN网络能节省很多导线,轻量化效果同样效果卓著。

2.3 0.13mm2导线机械强度
相比0.35mm2的纯铜导线,CuSn合金导线的抗拉强度是110N,拉伸强度约为620N/mm2,而CuMg合金导线的抗拉强度是118N,拉伸强度约为670N/mm2,0.35mm2的纯铜导线抗拉强度仅为75N,拉伸强度约为670N/mm2,显而易见,合金导线的机械强度要明显优于纯铜导线。
在弯曲测试方面CuSn和CuMg合金导线的性能也是优于0.35mm2的纯铜导线,如图2所示。


图2 弯曲测试图
在整车应用中,因为存在很多震动区域,比如门铰链区域、发动机舱震动区域等,在2013年曾发生一起某品牌小型SUV线束断裂事故,事故描述为:驾驶座窗户升降失灵,检查后确认左前门线束车门铰链处电线塑胶皮老化开裂n根、一根断裂(线束完全接上后故障消除)。震动区域无疑对线束的性能会造成影响,尤其如果在高温环境下,甚至会出现断裂;在极端低温环境下,线束也会因为冰晶冻结出现断裂现象。
对于0.13mm2的合金导线在高温环境以及震动区域的使用可靠性建议在样车阶段做震动实验、跑车实验来验证导线是否安全。

2.4 0.13mm2合金导线加工工艺
0.13mm2合金导线的铜丝数量和0.35mm2的导线是一致的,但是因为线径差异,0.13mm2合金导线的单根铜丝线径会小很多,所以对于导线剥线和端子压接有非常高的要求,在人工剥线或者设备开线时,极易出现剥断铜丝的现象,这样会导致端子压接不合格,如果侥幸流入市场,会造成对应功能不稳定或者故障等问题。所以对于0.13mm2合金导线绝对不允许单根铜丝断裂问题,线束供应商在生产阶段一定要有检测手段。目前Komax提供的自动开线和自动压接设备中有电容刀头可以对断线进行检测,在设备操作过程中检测到的断线截面,会自动截断一定长度的导线,再继续进行剥线和压接,这样既保证了导线的品质,设备也依然可以正常运行。

2.5 0.13mm2导线导电性能
以裸铜线的导电率作为基准的话,裸铜线的含铜量大约是99.9%,导电率为100%,在常温20℃环境下,导电性≥58.58mΩ/mm2;而在铜镁合金导线中,Mg的含量约在0.14%~0.26%,CuMg合金导线的导电性≥44mΩ/mm2,导电率约为75%。在铜锡合金导线中,Sn的含量约在0.25%~0.35%,CuSN合金导线的导电性≥42mΩ/mm2,导电率约为72%。以0.35mm2的裸铜线为例,其导线电阻值约为54.4Ω/km,CuSn和CuMg合金的电阻值约为170Ω/km,在汽车线束中,因为单根信号导线的回路长度一般不会超过5m,最长大约是从由行李厢经过仪表到BCM或者网关,所以即便是0.13mm2的合金导线,其导线电阻也是非常的小,不会对信号产生影响。
通常导线的电阻随温度升高而增加,在整车环境中,尤其对于传统燃油车型来说,发动机舱因为有发动机环境非常恶劣,环境温度也非常高,对于导线性能有一定影响。对于0.13mm2合金导线的推广使用,建议从内舱开始。
导线作为线束中占比最大的一部分,推广0.13mm2合金导线甚至更低的小平方导线是重要途径之一。
在新能源车型中,轻量化即意味着行驶里程的增加,平均每5kg的质量节约意味着1km行驶里程的增加,应用0.13mm2的合金导线对于整车轻量化具有重大意义。

参考文献:
[1]刘英莉,张旭,程斌.汽车线束轻量化的发展趋势研究[J]. 2016(1):1-3.
[2]马雷刚.浅谈汽车线束轻量化设计[J] 2017(7):55-57.

文章来源:Blue sea、线束中国。


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