汽車線束與連接器的技術(shù)發(fā)展

趙平堂

（天海汽車電子集團(tuán)股份有限公司研究院，河南 鶴壁 458030）

汽車線束猶如人體的血液與神經(jīng)系統(tǒng)，貫穿汽車各個(gè)部位，連接所有的電子零部件，傳遞電力與數(shù)據(jù)。線纜即是路徑，連接器即是連接的節(jié)點(diǎn)，汽車線束（圖1）是線纜、連接器以及各種附屬零部件的總成，搭建起了汽車電力與數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。連接器是為汽車電器輸入信號(hào)和電源的連接器件，由端子、護(hù)套及其附件組成（圖2）。汽車線束與連接器對(duì)汽車的安全性、穩(wěn)定性、可靠性起著至關(guān)重要的作用。汽車智能網(wǎng)聯(lián)化帶來了信息流大量增加，汽車電子電氣迎來了升級(jí)，汽車架構(gòu)從分布式—域集中—中央計(jì)算的方式逐步進(jìn)化，車身域控制器作為區(qū)域決策中心，逐漸被應(yīng)用。汽車智能網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、5G技術(shù)及車載以太網(wǎng)的應(yīng)用等將引起汽車線束與連接器技術(shù)的變革。本文結(jié)合課題組與行業(yè)的研究成果介紹汽車當(dāng)前汽車線束和連接器行業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 一種汽車線束

圖2 一種汽車尾氣處理連接器

1 汽車線束技術(shù)發(fā)展

面對(duì)汽車電子電器架構(gòu)的不斷演變，汽車線束將面對(duì)新的技術(shù)變革。汽車電線束在不斷提高其安全性的前提下向輕量化、高壓化、模塊化及加工智能化的趨勢(shì)越來越明顯?；跍p小空間、系統(tǒng)降重降低油耗的要求，整車線束中鋁線、高強(qiáng)度細(xì)線、護(hù)板發(fā)泡等線束輕量化技術(shù)不斷得到應(yīng)用。

1）細(xì)導(dǎo)線技術(shù)。汽車上普遍使用的信號(hào)線的線徑導(dǎo)線為0.22mm、0.35mm，信號(hào)線的導(dǎo)線利用率一直很低，0.22mm、0.35mm的銅導(dǎo)線可以承受10A左右的電流（環(huán)境溫度24℃），但是信號(hào)線內(nèi)真正流通的電流往往只有幾毫安，這樣資源的浪費(fèi)成為很多線束生產(chǎn)廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。更小線徑的電線如高強(qiáng)度0.13mm電線（圖3） 代替0.22mm、0.35mm的信號(hào)線是電線行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。細(xì)線的應(yīng)用關(guān)鍵在于提高細(xì)線的強(qiáng)度及壓接工藝技術(shù)的開發(fā)。

圖3 細(xì)線

2）鋁導(dǎo)線技術(shù)。基于系統(tǒng)降重和成本控制，新型基材鋁及鋁合金導(dǎo)線（圖4）是整車線束輕量化的主要發(fā)展方向。鋁（Al）的質(zhì)量比銅（Cu）輕2/3左右，這種輕型材料可以降低電纜線束的整體質(zhì)量。即使考慮到導(dǎo)電性和密度的關(guān)系，具有相同電阻的鋁線仍然比同等的銅線輕50%左右。鋁是一種供應(yīng)量充足、容易獲取導(dǎo)電用的基礎(chǔ)材料，其價(jià)格將相對(duì)穩(wěn)定且低于銅的價(jià)格，對(duì)成本有著比較好的控制。鋁線應(yīng)用關(guān)鍵在解決銅鋁接觸的電偶腐蝕問題，目前主要采用銅鋁端子壓接或鋁線與銅端子超聲波焊接的方式來解決電偶腐蝕問題。對(duì)于焊接端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常重要，通過專利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖5）可以很好保證拉脫力達(dá)到銅線的拉脫力。通過銅鋁轉(zhuǎn)換頭將銅電纜和鋁電纜相連接專利設(shè)計(jì)（圖6），也能夠?qū)崿F(xiàn)鋁電纜替代銅電纜。這樣既保留了銅端子的優(yōu)點(diǎn)，亦使電線束的質(zhì)量縮小為原來1/4～1/2，解決了端子空間的限制問題。鋁線技術(shù)除在比較粗的汽車蓄電池線應(yīng)用外，細(xì)線上也開始得到應(yīng)用。鋁線在高壓線束上的應(yīng)用更有意義，有利于電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的增加。

圖4 鋁線

圖5 專利鋁線焊接端子

圖6 一種銅鋁轉(zhuǎn)換專利鋁線束

3）薄壁（圖7）及新型低密度絕緣材料導(dǎo)線技術(shù)。0.13mm細(xì)線采用超薄壁PVC可減重13%，減少體積24%。采用低密度PPE絕緣材料0.35mm線減重30%，直徑降低27%。

圖7 薄壁導(dǎo)線

4）護(hù)板支架的微發(fā)泡技術(shù)。聚氨酯發(fā)泡技術(shù)可有效降低線束質(zhì)量，作為支架可防止翹曲、提高精度、抗油污和粉塵能力強(qiáng)，安裝后沒有噪聲等優(yōu)點(diǎn)。利用聚氨酯發(fā)泡成型完成的線束（圖8來源網(wǎng)絡(luò)）具有很好的導(dǎo)向性，安裝方便。工人只需要在拿到線束之后按照成型的方向和路徑就可以一步到位，進(jìn)行安裝而且不容易出錯(cuò)，且可依據(jù)車身空間做自由的三維造型制成各種不規(guī)則形狀。但發(fā)泡材料制成的線束需要在前期有很大的固定設(shè)備投資，故很多線束廠商沒采用。

圖8 聚氨酯發(fā)泡成型線束

5）光導(dǎo)纖維技術(shù)?；诠鈱?dǎo)纖維（圖9）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)娛樂系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等電子設(shè)備的互聯(lián)和控制。開發(fā)并搭載光導(dǎo)纖維等新型基材導(dǎo)線技術(shù)也是整車線束系統(tǒng)輕量化的發(fā)展方向之一，同時(shí)能優(yōu)化改變線束布置。

圖9 光導(dǎo)纖維

6）線束的模塊化設(shè)計(jì)。線束零部件的組合數(shù)量和復(fù)雜程度是由車輛配置表上有多少選擇配置來決定的。隨著汽車功能配置的增加，汽車線束越來越復(fù)雜。通過低壓線束設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和功能的模塊化來簡(jiǎn)化線束是目前行業(yè)追求的目標(biāo)，特斯拉在線束模塊設(shè)計(jì)（圖10）上為線束設(shè)計(jì)提供了一些啟示。

圖10 特斯拉模塊化線束

7）無線傳輸。云計(jì)算和5G的鋪設(shè)速度加快，云平臺(tái)的計(jì)算、存儲(chǔ)能力和5G的傳輸速度為智能座艙的域控制器的大數(shù)據(jù)量、低延遲需求提供了保障。而其中智能座艙域?yàn)槠嚱鼛啄臧l(fā)展的核心。圍繞智能座艙及自動(dòng)駕駛域控制器的產(chǎn)品也將成為未來需求量最大的產(chǎn)品。智能座艙（圖11）安全性不大的車載連接逐漸開始無線化傳輸?shù)奶剿餮芯俊?/p>

圖11 智能化座艙

8）柔性化平面電路及平面電纜的應(yīng)用。采用平面材料柔性化平面電路或平面電纜（圖12圖片來源網(wǎng)絡(luò)）在配線空間非常有限的汽車車頂、車門等可以在提高車廂空間的前提下保證線束布線的有效性。

圖12 平面電纜

9）高壓線束超聲波焊接技術(shù)。由于大平方超聲波焊接的高壓線束的拉脫力、接觸電阻、穩(wěn)定性相對(duì)傳統(tǒng)的壓接技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，超聲波焊接技術(shù)開始在高壓線束上得到推廣應(yīng)用（圖13）。采用導(dǎo)體與高壓端子尾部超聲波焊接的方式來保證其機(jī)械和電氣性能，這種方式不僅可以實(shí)現(xiàn)銅導(dǎo)體與銅端子的焊接，而且能實(shí)現(xiàn)鋁導(dǎo)體與銅端子的焊接。

圖13 一種超聲波焊接線束

10）電動(dòng)車電池包銅排或鋁排的應(yīng)用。緊湊型電池組內(nèi)，包括硬銅排和軟銅排（圖14）都在新能源汽車電池包中得到應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)輕量化鋁排也開始嘗試應(yīng)用到電池組內(nèi)。

圖14 電池包銅排與銅包鋁排

目前，3D打印技術(shù)在線束設(shè)計(jì)制造上也有技術(shù)人員開展探索。

2 汽車連接器技術(shù)發(fā)展

智能網(wǎng)聯(lián)、電動(dòng)化和5G技術(shù)以太網(wǎng)的應(yīng)用同樣也推動(dòng)著汽車連接器技術(shù)的發(fā)展。

1）小型化。隨著汽車智能化的發(fā)展，功能模塊的增加，同樣汽車系統(tǒng)的空間需要擠進(jìn)更多的模塊。在保證汽車連接的安全、穩(wěn)定、可靠性的同時(shí)，汽車連接器的小型化趨勢(shì)明顯。0.64、1.2、1.5規(guī)格連接器應(yīng)用呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖15）。2.3規(guī)格的連接器應(yīng)用呈下降趨勢(shì)，同時(shí)0.5規(guī)格的連接器也逐漸開始應(yīng)用。出于對(duì)空間的要求，小Pin距的連接器越來越多。材料與結(jié)構(gòu)的突破使連接器規(guī)格變小，載流能力提升。

圖15 小型化的連接器

2）超多線連接器防彎針技術(shù)。多線連接器端子間相對(duì)位置要求更為嚴(yán)格，端子中心不一致的細(xì)微偏移會(huì)引起對(duì)插困難、彎針，甚至導(dǎo)致連接失效的嚴(yán)重后果。行業(yè)中有的企業(yè)發(fā)貨時(shí)采用貼膠帶來防端子彎針，只能防止線束運(yùn)輸過程中磕碰端子彎針故障，無法控制護(hù)套對(duì)配造成的彎針。我們課題組開發(fā)了聯(lián)動(dòng)式固定卡的專利結(jié)構(gòu)（圖16）來防止發(fā)貨和對(duì)插時(shí)端子擺動(dòng)。在不增加工序和使用專用工裝的情況下即完全防止了端子運(yùn)輸、裝配過程中的端子彎針現(xiàn)象。

3）多觸點(diǎn)接觸。為了保證電接觸的穩(wěn)定、可靠性，不僅高壓連接器采用冠簧和彈簧增加接觸點(diǎn)，低壓連接器也不斷出現(xiàn)多觸點(diǎn)設(shè)計(jì)。最近我們課題組設(shè)計(jì)了一種懸臂-簡(jiǎn)支梁多觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)插座端子（圖17），采用懸臂-簡(jiǎn)支梁彈片結(jié)構(gòu)，當(dāng)插頭端子插頭插入穩(wěn)定時(shí)，b點(diǎn)與插座端子箱體部底壁內(nèi)側(cè)接觸。懸臂-簡(jiǎn)支梁彈片中間1個(gè)（或以上）凹點(diǎn)或2個(gè)（或以上）凸點(diǎn)設(shè)計(jì)，形成多觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖16 多線連接器防彎針聯(lián)動(dòng)式固定卡專利結(jié)構(gòu)

圖17 多觸點(diǎn)接觸插座專利結(jié)構(gòu)

4）高速化。隨著5G技術(shù)應(yīng)用及車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)汽車架構(gòu)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸速度要求越來越高。汽車電子架構(gòu)的不斷演變，車內(nèi)多樣性的數(shù)據(jù)通信模塊及接口需求不斷增長(zhǎng)，更需要實(shí)現(xiàn)更高速、更精準(zhǔn)的通信，如：集成了局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN），以及百兆，千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)认嚓P(guān)的網(wǎng)關(guān)模塊，遠(yuǎn)程通信、行車記錄儀等模塊，射頻連接器應(yīng)用越來越多，以太網(wǎng)高速連接器也將得到應(yīng)用（圖18）。

圖18 車載以太網(wǎng)高速連接器

5）細(xì)鋁線端子。細(xì)鋁導(dǎo)線的應(yīng)用，催生了各類適配鋁導(dǎo)線的端子開發(fā)。為了解決氧化問題，適配鋁導(dǎo)線端子壓接結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的密封結(jié)構(gòu)，從而使得導(dǎo)體鋁不與空氣直接接觸。Tyco公司開發(fā)出了一種適合鋁線壓接的端子。圖19是對(duì)應(yīng)修改后新的端子結(jié)構(gòu)。銅鋁復(fù)合帶材沖壓端子是細(xì)鋁線應(yīng)用的最佳方案之一（圖20），國(guó)外該技術(shù)已開始應(yīng)用，突破銅鋁復(fù)合帶材的制備工藝技術(shù)是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。

圖19 鋁線壓接端子

圖20 銅鋁復(fù)合帶

6）針對(duì)柔性電纜連接器最近網(wǎng)上報(bào)道的I-PEX MINIFLEX FPC/FFC連接器（圖21來源于網(wǎng)絡(luò)），稱為零插入力（ZIF）或低插入力（LIF）連接器。對(duì)于需要更高FPC保持力，可以使用具有FPC開孔鎖定功能的附加機(jī)械鎖定選項(xiàng)來確保安全連接。Molex也開發(fā)了具有雙底部、底部和頂部觸點(diǎn)位置，提供各種電路尺寸和電纜樣式選擇FFC和FPC連接器（圖22來源于網(wǎng)絡(luò)），期望在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。

圖21 I-PEX連接器

圖22 Molex連接器

7）高壓矩形連接器技術(shù)。圓柱型高壓連接器為機(jī)加工方式，加工成本高。為降低加工成本連接器企業(yè)紛紛研究矩形高壓連接器（圖23）。特別是國(guó)際企業(yè)開發(fā)的疊片式高壓連接器（圖24）通過調(diào)整疊加的單片彈叉的數(shù)量來配置不同電流，以滿足整車系統(tǒng)的不同電流使用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)模塊化配置，方便后期物料的統(tǒng)一，具有高壓連接器設(shè)計(jì)的顛覆性。

圖23 一種高壓矩形連接器

圖24 疊片式矩形高壓連接器

8）高壓連接器集成化。DC/DC、OBC、PTC、PDU等小功率電器高壓電電器合并為三合一和多合一（圖25），高壓連接器有合并為一款多線連接器的趨勢(shì)。

圖25 一種集成化高壓連接器

目前，已有部分車型高壓連接器是采用非屏蔽的方式，把控制EMC的責(zé)任全部交給各個(gè)用電器件，采用硬件濾波的方式進(jìn)行。

9）CAE仿真技術(shù)助力連接器設(shè)計(jì)。隨著開發(fā)周期的縮短、新材料及新工藝的應(yīng)用對(duì)連接器的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了更高的要求。CAE仿真在連接器前期設(shè)計(jì)驗(yàn)證中逐步得到應(yīng)用，如通過連接器的CAE力學(xué)分析（圖26）、熱分析（圖27）等來完善連接器的設(shè)計(jì)，加快開發(fā)速度等。

圖26 應(yīng)力分析

圖27 熱分析

10）裝配自動(dòng)化。為保證連接器裝配的穩(wěn)定性，連接器的裝配逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化（圖28），相對(duì)人工裝配不僅保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，而且效率得到了大幅提升。

圖28 天海連接器自動(dòng)化裝配設(shè)備

3 結(jié)論

汽車線束技術(shù)在不斷提高其安全性的前提下，向輕量化、高壓化、模塊化方向發(fā)展。線束的關(guān)鍵附件連接器則在通過增加觸點(diǎn)、防彎針技術(shù)提高其安全穩(wěn)定性的同時(shí)向小型化、高壓化、高速化發(fā)展。高壓連接器則在通過沖壓成型的矩形端子來降低成本，并有集成化的趨勢(shì)。CAE仿真助力了連接器的設(shè)計(jì)。自動(dòng)化裝配對(duì)保證連接器穩(wěn)定性、可靠性和提高裝配效率具有重要的作用。