汽車電線束輕量化設(shè)計方法研究

王 宇， 馬 良， 張 成， 楊冬冬， 王天洋

（一汽奔騰轎車有限公司智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院， 吉林 長春 130012）

根據(jù)權(quán)威機構(gòu)的調(diào)查結(jié)果顯示，汽車輕量化對整車的經(jīng)濟性、動力性、安全性、制動性及排放都有很大改善。研究表明，如果整車質(zhì)量降低10%，燃油車燃油消耗可降低6%～8%；車重每減輕100kg，燃油車百公里油耗可降低0.3～0.6L，CO2排放量可減少約5g/km；電動車電耗可減少0.4kWh/100km，續(xù)駛里程可增加約13km。此外，車重每減輕100kg，0—100km/h加速時間可減少0.3～0.5s，操控的靈敏性提升，同時可降低碰撞過程中前圍的入侵，減小制動距離。汽車整車的輕量化研究已成為業(yè)界的一個熱點，而隨著汽車電氣功能的增加，線束作為連接各電氣系統(tǒng)的橋梁也越來越復(fù)雜，線束分支也變得越重越粗。據(jù)統(tǒng)計，一輛B級汽車的線束使用量已達1.5～2km，質(zhì)量在25kg左右。本文將從線束輕量化設(shè)計方法及實施評價維度展開介紹、分析。

1 線束輕量化設(shè)計方法分析

線束輕量化設(shè)計方法包括線束拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電器件布置及原理控制方案優(yōu)化、附件選型優(yōu)化、材料優(yōu)化、工藝優(yōu)化等方面，下面將分別展開介紹。

1.1 線束拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

不同的主機廠，線束設(shè)計的理念及車間裝配工藝不同，使得線束的拓撲結(jié)構(gòu)也不盡相同，但基本上可以分為整體式、功能分段式、區(qū)域分段式等形式，大都采用H型和E型相結(jié)合的布置形式，避免線束回轉(zhuǎn)重復(fù)，導(dǎo)致線束成本和質(zhì)量的增加。德系車通常使用整體式線束布置，而日系、美系及國內(nèi)大多數(shù)自主品牌多是按照功能和區(qū)域來進行分段。

從線束成本及輕量化角度，整體式線束布置比較有優(yōu)勢，會整合前部線束、儀表板線束、車身線束、頂棚線束等，節(jié)約了線對線的對接及相關(guān)支架，減少質(zhì)量風(fēng)險，但車間裝配難度大，售后維修不方便，維護成本高，而分區(qū)域分段式線束布置，線束裝配及維修都較為便利。在此基礎(chǔ)上，也可以對部分線束進行整合，如將頂棚線束、化妝鏡照明線束、車身線束整合為一種，同時在前期開發(fā)過程中盡量減少因裝配原因所增加的過渡線束（如4門過渡線束、副儀表板過渡線束等），都可以有效減輕線束的成本及質(zhì)量。

線束布置路徑及走向是否合理，也會直接影響線束的成本及質(zhì)量。電動尾門控制器（PLG） 布置在車輛左后方，線束走向有優(yōu)化空間。更改右撐桿線束走向，減少線束繞行距離，成本可降低約4.8元，降重約37g。如圖1、圖2所示。

圖1 原有電動尾門控制器及撐桿線束布置路徑

圖2 優(yōu)化后電動尾門控制器及撐桿線束布置路徑

1.2 電器件布置及原理控制方案

線束是為整車電氣功能服務(wù)的，為相關(guān)控制器、傳感器、執(zhí)行器提供供電、供地及信號控制回路。如果整車電器件布置合理，可有效縮短線束布置路徑，減短供電、供地及相同系統(tǒng)功能內(nèi)信號回路距離，從而達到降本減重的目的。應(yīng)用方案舉例如下。

1） 為減短線束走向長度，通常將導(dǎo)線數(shù)量較多、線徑較粗的回路所連接的電器件布置在同側(cè)臨近的位置，如蓄電池配電盒、機艙配電盒、儀表板配電盒、EPS等。

2） 優(yōu)化供電、搭鐵分配，如機艙配電盒先分配到儀表板配電盒，再給周邊零件供電；合理進行供電回路的合并及熔斷絲容量的設(shè)定，避免低負載供電回路掛在相對大的熔斷絲下所造成線束線徑的冗余設(shè)計；結(jié)合各電器零件的電氣功能、負載特性、安全等級，根據(jù)電器控制原理，進行整合優(yōu)化、合并組合，減少熔斷絲和繼電器的數(shù)量；搭鐵點就近搭鐵，合理規(guī)劃布置位置及整合方案。

3） 配電盒模塊化設(shè)計采用拼接式配電盒（插線式），根據(jù)配置需求增減繼電器及熔斷絲插座。可實現(xiàn)降重、降成本，并提升配電盒的通用性，見圖3。

4） 同系統(tǒng)控制器、傳感器、執(zhí)行器盡量布置在同一段線束內(nèi)，減少不同線束分段的對接回路數(shù)量。如空調(diào)控制器盡量和其溫度傳感器、模式風(fēng)門電機、鼓風(fēng)機等布置在同一段線束上。

5） 通過對各電氣功能進行整合設(shè)計，可有效減少電器件的數(shù)量，從而減少線束連接回路，減輕線束質(zhì)量。如車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI系統(tǒng)） 集成了音響、儀表（主機集中完成圖像處理，組合儀表僅作為顯示單元）、全景影像控制器、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、車載遠程通信終端等功能，極大地減少了由于原來各系統(tǒng)分散布置所導(dǎo)致線束回路的增加。車身控制器（BCM） 集成相關(guān)控制繼電器（如供電擋位繼電器、雨刮繼電器、噴水繼電器、喇叭繼電器等），可節(jié)省線束控制回路，降本減重。

6） 開關(guān)功能虛擬化，將部分實體開關(guān)集成在娛樂系統(tǒng)的大屏中，減少實物按鍵，同樣可減少線束連接回路，降本減重。

7） 通過以太網(wǎng)、CAN總線、LIN線等技術(shù)可實現(xiàn)更多信號的傳輸，有效降低控制信號回路的數(shù)量，但需要注意為保證整車網(wǎng)絡(luò)的電阻匹配，防止信號反射，在終端設(shè)置終端電阻，將終端電阻設(shè)計在作為標準配置的節(jié)點中，并且要將該終端節(jié)點放置在整車線束最遠端，同時對于總線的支線長度需滿足標準要求。故需合理規(guī)劃線束走線，避免繞線。

1.3 線束附件選型

1.3.1 線種選型優(yōu)化

汽車導(dǎo)線是線束系統(tǒng)最重要的組成部分。線束總成包括導(dǎo)線、配電盒、熔斷絲、繼電器、插接件、外保護材料、定位件、支架等附件，其中導(dǎo)線質(zhì)量占比70%以上，是線束輕量化最重要的分析對象。目前，線束中薄壁、超薄壁、細線徑導(dǎo)線的應(yīng)用已成為主流。目前導(dǎo)線的種類主要按標準來區(qū)分，有國標線（QVR）、日標線（AVSS）、德標線（FLRY）、美標線（TWE） 等幾大類，國內(nèi)主機廠大都采用日標線或德標線，不同線種其絕緣皮厚度、材料各不相同。日系、德系常用0.5mm2導(dǎo)線參數(shù)對比見表1，從中可以看出選擇合適的導(dǎo)線可有效降低導(dǎo)線質(zhì)量。

表1 日系、 德系常用0.5mm2導(dǎo)線參數(shù)對比

為提升EMC性能，雙絞線和屏蔽線常被應(yīng)用于易受干擾的信號回路，在相關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)許可的范圍內(nèi)，由于相同長度的雙絞線比屏蔽線輕30%左右，所以優(yōu)先考慮選擇雙絞線。

1.3.2 線徑設(shè)計優(yōu)化

合理地選擇導(dǎo)線的種類、設(shè)計導(dǎo)線的線徑及與熔斷絲的匹配關(guān)系，直接影響到整車的安全性、可靠性、經(jīng)濟性。根據(jù)負載的大小，合理地選擇導(dǎo)線的線徑，既能保證電線束的品質(zhì)，又能降低成本和自身的質(zhì)量、節(jié)省空間［1］。導(dǎo)線線徑的設(shè)計選型方法，這里不再贅述，可參見汽車電器2015年第4期《汽車電線束與熔斷器的匹配設(shè)計》作為設(shè)計參考。

從表2中可以看到，不同線徑的導(dǎo)線質(zhì)量不同，故能否做到優(yōu)化導(dǎo)線線徑的設(shè)計，會對線束整體質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。經(jīng)測算，僅在某一項目中，通過優(yōu)化導(dǎo)線線徑，不同車型降成本額度為39.89～62.85元，降重約1kg，取得了很好的降本減重效果。需要注意的是，優(yōu)化線徑時不僅僅需要考慮導(dǎo)線的承載能力及與熔斷絲的匹配性，還需要關(guān)注實際工況下，線束所處的環(huán)境溫度、機械強度、振動耐磨等因素。

表2 AVSS不同線徑導(dǎo)線參數(shù)對比

當前國內(nèi)主機廠信號線多采用0.5mm2或0.35mm2的純銅導(dǎo)線，暫無大量應(yīng)用0.13mm2導(dǎo)線案例，信號回路實際電流在mA 級別，導(dǎo)線的承載能力大于實際電流需求，可通過應(yīng)用極細0.13mm2導(dǎo)線，探索線束降重方案。各規(guī)格導(dǎo)線成本、質(zhì)量對比如圖4所示。

圖4 各規(guī)格導(dǎo)線成本、 質(zhì)量對比

0.13mm2導(dǎo)線多為合金導(dǎo)線，這是因為對比0.5mm2或0.35mm2的純銅導(dǎo)線，如果0.13mm2導(dǎo)線依然用純銅導(dǎo)線，其銅絲較少，在壓接或焊接過程中，易出現(xiàn)跑絲、斷絲等問題，故需要通過Sn、Mg、Ag等金屬來提升其機械性能。因為合金金屬的差異，合金價格CuAg＞CuMg＞CuSn。

由于0.13mm2導(dǎo)線應(yīng)用經(jīng)驗較少，故建議主機廠優(yōu)先選擇工作環(huán)境較好的駕駛室內(nèi)作為本技術(shù)的應(yīng)用場景，主要選擇應(yīng)用在儀表板線束及車身線束相關(guān)回路中。在某一項目中，通過0.13mm2導(dǎo)線的應(yīng)用（主要考慮端子選型適配的信號回路），大約可減重425g。

1.3.3 插接件及端子輕量化選型

連接器由壓接導(dǎo)線的金屬端子和使端子相互絕緣的塑料插接件所組成，是線束的重要組成部分，占整車線束質(zhì)量的15%左右。端子和插接件輕量化、小型化的開發(fā)，也是線束輕量化應(yīng)用的重要方向。

根據(jù)對國內(nèi)3家自主品牌同一級別車型上連接器應(yīng)用情況的調(diào)查結(jié)果，配合端子片寬2.8型號以下的插接件占整體的70%以上，占據(jù)主導(dǎo)地位。連接器端子的小型化趨勢為小電流0.64系列，中電流1.5系列，大電流2.8系列為主導(dǎo)。典型應(yīng)用例子有住友的EE系列及TE的MQS、NanoMQS系列，這類端子被廣泛應(yīng)用在信號回路上，降低了插接件的規(guī)格尺寸。圖5為TE公司MQS與Nano MQS系列產(chǎn)品質(zhì)量、體積參數(shù)的對比。

圖5 TE公司MQS與Nano MQS系列產(chǎn)品質(zhì)量、 體積參數(shù)對比

小型化連接器需重點關(guān)注端子保持力、抗拉強度、帶載溫升、耐振動、接觸電壓降、接觸電阻等性能指標，保證連接器的機械性能和電器性能。

1.3.4 熔斷絲、繼電器輕量化選型

在熔斷絲、繼電器的選型開發(fā)過程中，在滿足電氣性能及裝配要求的前提下，通過選用小型化的熔斷絲和繼電器，能實現(xiàn)其質(zhì)量和占位體積的優(yōu)化，并優(yōu)化配電盒的設(shè)計空間。常用插片式熔斷絲和慢熔熔斷絲的示意見圖6、圖7。

圖6 常用插片式熔斷絲示意圖

圖7 常用慢熔熔斷絲的示意圖

輕量化、小型化熔斷絲、繼電器的參數(shù)對比見圖8、圖9。

圖8 輕量化、 小型化熔斷絲參數(shù)對比

圖9 輕量化、 小型化繼電器參數(shù)對比

對于繼電器的選取，在滿足負載使用要求的前提下，針對不同負載需求可盡量選擇小型化的產(chǎn)品，如對于負載小于20A的供電回路，可選擇超小型繼電器（圖10），質(zhì)量約10g。

圖10 超小型繼電器產(chǎn)品示意

1.3.5 支架等保護材料優(yōu)化選型

線束在整車前期開發(fā)布置過程中，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)，可采用支架、橡膠件、包裹材料等多種保護方式。為實現(xiàn)降重的目標，根據(jù)實車應(yīng)用環(huán)境，可通過以下優(yōu)化方案。

1） 減少線束專有金屬支架的應(yīng)用，用高強度的塑料支架替代或與其他支架整合應(yīng)用。

2） 盡量利用車身上的固定結(jié)構(gòu)或利用特殊定位件來代替塑料支架，起到保護和約束線束走向的目的，如某車型通過取消左右A柱處的線束對接支架，可實現(xiàn)降重172g，降本10.56元。

3） 對于部分密封性要求低的區(qū)域，用發(fā)泡材料替代橡膠件。

4） 合理選裝線束外部包裹材料及包裹方法。線束常見的包裹材料主要包括：PVC膠帶、絨布膠帶、耐磨膠帶、PVC套管、波紋管、耐磨纖維管、隔熱鋁箔、套管等。常見的包裹方法包括點纏、花纏、密繞等。通過不同的包裹材料及方法，可實現(xiàn)線束的耐磨性、美觀性、降噪性、隔熱性等要求。在線束前期布置時，應(yīng)根據(jù)線束走向的周邊環(huán)境，盡量地選取低成本的、簡潔輕便的線束包裹材料及包裹方法，更好地減輕線束質(zhì)量。

1.4 線束材料優(yōu)化

和銅導(dǎo)線相比，鋁導(dǎo)線由于質(zhì)量和成本方面的優(yōu)勢，正在越來越多地應(yīng)用到汽車線束的輕量化設(shè)計中。

圖11為鋁價及銅價的走勢圖。銅價自2005年以來持續(xù)上升，給整車線束成本帶來了巨大的成本壓力，因此行業(yè)內(nèi)正在積極開發(fā)鋁導(dǎo)線的替代方案。鋁導(dǎo)體與銅導(dǎo)體的物理性能對比如表3所示。

圖11 鋁價及銅價走勢圖

表3 鋁導(dǎo)體與銅導(dǎo)體的物理性能參數(shù)對比

從表3可以看出，選擇鋁導(dǎo)線替代銅導(dǎo)線，兩種相比，鋁的導(dǎo)電率大約只有銅的2/3，鋁的密度大約只有銅的1/3，故在輸送相同電量的情況下，鋁線的質(zhì)量大約為銅線的一半，因此，鋁導(dǎo)線在降重方面有明顯的優(yōu)勢。目前，市場上已經(jīng)開發(fā)出0.5～2.5mm2的小線徑導(dǎo)線、3～8mm2的中線徑導(dǎo)線及10～160mm2的電源動力線導(dǎo)線。整車各部位鋁導(dǎo)線應(yīng)用方針如圖12所示，其中傳統(tǒng)用在汽車電源線的銅導(dǎo)線正逐漸被鋁導(dǎo)線所替代，降重效果也最為明顯。表4為載流量大體相同的鋁導(dǎo)線與銅導(dǎo)線的參數(shù)對比，從表中可以看出，不同線徑的鋁導(dǎo)線相比銅導(dǎo)線可降低質(zhì)量26%～44%。

表4 相同載流量的鋁導(dǎo)線與銅導(dǎo)線的參數(shù)對比

圖12 整車各部位鋁導(dǎo)線應(yīng)用方針

對于電源動力線，由于鋁導(dǎo)線的線徑較銅導(dǎo)線大，不容易裝配，可使用鋁排導(dǎo)線來解決車輛電源動力線的布置問題。鋁排是由單根鋁棒加上絕緣材料成型而成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排，在出廠時可根據(jù)整車布置的需要做相關(guān)彎曲造型，如圖13所示。對于相同載流量的銅導(dǎo)線及鋁導(dǎo)線，鋁排結(jié)構(gòu)的線束可有效減少線束的粗度，優(yōu)化線束空間布局，并可大大降低線束的質(zhì)量，如圖14所示。

圖13 鋁排線束的彎曲造型

圖14 鋁排線束的布線空間要求對比

由于鋁本身的特性原因，其抗拉強度要弱于銅導(dǎo)體，因此不適合加工成鋁端子與車上的其他部件連接，只能考慮采用銅端子與鋁導(dǎo)線連接。同時，由于鋁的電極電位低，本身極易被氧化，有以下幾方面的問題需要解決。

1） 端子壓接鋁導(dǎo)線拉脫力低的問題：可通過優(yōu)化端子壓接部位結(jié)構(gòu)來提升，如增加錐形凸點的壓筋結(jié)構(gòu)或鋸齒邊的倒錐形結(jié)構(gòu)，可以增加端子與導(dǎo)線壓接接觸面積和端子壓接的拉脫力；同時，也可通過在鋁線中添加金屬來提升壓接的保持力。如某鋁合金電線中包含了Al、Fe、Cu、Mg元素，銅元素可增加合金的電阻穩(wěn)定性；鐵元素提高合金的抗蠕變性，避免由于蠕變引起的松弛問題；鎂元素在同樣的界面壓力下，能夠使接觸點具有更高的抗拉強度［2］。

2） 鋁導(dǎo)線與銅端子接觸部位的電化學(xué)腐蝕問題：從表3可以看出，Cu的標準電極電位為0.34V，AL的標準電極電位為-1.66V，電位差相差較大，當銅、鋁直接接觸時，空氣中水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)形成電解質(zhì)環(huán)境，在其作用下產(chǎn)生電偶腐蝕（電偶腐蝕就是由于電位不同，異種金屬彼此接觸或通過其他導(dǎo)體連通，處于同一介質(zhì)中，造成異種金屬接觸部位的局部腐蝕，亦稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕）。

要防止銅端子、鋁導(dǎo)線的電偶腐蝕，關(guān)鍵是連接部位要與潮濕或鹽化的環(huán)境之間做好隔絕措施。某新型端子壓接徑向剖面如圖15所示［3］，整個端子的壓接區(qū)域不與空氣直接接觸，提升了氧化防腐效果。

圖15 端子壓接徑向剖面圖

在壓接端子的外部，為更好地提高防腐效果，還需要通過使用密封膠的形式提高密封效果，其他的常規(guī)密封方式有：雙壁熱縮管密封或熱熔膠密封，可較好地隔絕空氣與腐蝕液體。

3） 標準電位越低，還原能力越強，越容易失去電子，變成正離子，也越容易被氧化。鋁導(dǎo)體就是這樣，即便在常溫下，也極易被氧化為三氧化二鋁（Al2O3）。這種很薄的氧化層膜雖然阻止了氧向鋁導(dǎo)體內(nèi)部擴散，起到了抗腐蝕保護的作用，但其良好的絕緣效果，也阻止了電子從一個鋁基材導(dǎo)體向另一個鋁基材導(dǎo)體移動，即電子只能在鋁基材本體內(nèi)移動。如圖16所示，鋁導(dǎo)體中的電子只能在單根鋁絲中移動，而無法在鋁絲與鋁絲之間移動。如果在一束鋁芯線中存在部分斷絲現(xiàn)象，那么這些斷絲中的電子運動就被阻斷，相比于斷絲前的鋁導(dǎo)線，其電阻值將會增加，導(dǎo)電性能將會降低。通過將鋁導(dǎo)線與銅端子進行超聲波焊接，可以有效地破壞鋁絲表面的氧化膜，實現(xiàn)電子在不同鋁絲導(dǎo)體之間的自由移動，同時使端子的銅基材與導(dǎo)線的鋁基材之間實現(xiàn)分子層面的熔合，從而達到良好的電氣性能。鋁導(dǎo)線焊接前后電子在導(dǎo)體中移動軌跡的變化如圖17所示［4］。目前鋁導(dǎo)線與銅端子常用的焊接方式有：摩擦焊、超聲波焊和等離子焊。

圖16 電子在銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體中的移動軌跡對比

圖17 焊接前后電子在鋁導(dǎo)體中移動軌跡變化對比

1.5 焊點工藝優(yōu)化

通過合理設(shè)計焊點的位置，盡量延長信號的主回路，靠近具體的應(yīng)用設(shè)備端設(shè)置焊點，減少焊點分支的長度；同時做好焊點平衡，單側(cè)回路數(shù)多或線徑較粗的回路盡量短，以達到減短同一信號回路長度及粗度的目的。

2 實施評價維度展開介紹、分析

線束設(shè)計過程中的各種輕量化方案，最終是否實施，可以從價重比及技術(shù)成熟度去判斷、評價是否開展。

2.1 輕量化價重比的評價

2.1.1 燃油車

根據(jù)某團隊的調(diào)研，不同級別的汽車，每降0.1L油耗需要的代價見表5。如果某一SUV車型，每降重100kg，降低油耗0.3～0.6L，以0.3L為參考，可減少成本474×3=1422元，約為14.22元/kg。

表5 不同級別的汽車每降0.1L油耗代價對比

同時從用戶使用角度來說，減重100kg，降低油耗0.3L/100km，油價約6.5元/L，用戶行駛里程按10萬km計算，減重100kg，節(jié)約成本0.3×1000×6.5=1950元，約為19.5元/kg。

從材料成本緯度，車身的材料成本約為13元/kg。

綜合判斷，燃油車輕量化價重比為20元/kg較為合理（不同主機廠要求可能不一致），如圖18所示，在線束設(shè)計過程中，優(yōu)先考慮既能降成本又能減重的方案，其次考慮輕量化價重比≤20元/kg的方案，根據(jù)需求考慮價重比＞20元/kg的方案。

圖18 輕量化對成本和綜合效益的關(guān)系模型

2.1.2 電動車

對于電動車，輕量化有助于增加續(xù)駛里程或相同里程降低電量，帶來顯性溢價。車重每減輕100kg，續(xù)駛里程可增加約13km，節(jié)約電量1.7kWh，電耗可減少0.4kWh/100km。

根據(jù)續(xù)駛里程，如果每增加50km可以溢價8000元，則降重100kg，增加溢價8000/50×13=2080元，價重比為20.8元/kg。

如果電池價格為750元/kWh，則降重100kg，節(jié)約電池成本1.7×750=1275元，價重比為14.3元/kg（×100kg減去11kg電池質(zhì)量）。

如果用戶平均使用100000km，則降重100kg，電耗溢價0.4×1000=400元，價重比為4元/kg。

綜合判斷，電動車輕量化價重比為25元/kg較為合理（不同主機廠要求可能不一致）。

以上所述為顯性溢價，降重還可為整車的加速性、安全性、制動性、轉(zhuǎn)向性能等帶來改善，形成隱性溢價。

2.2 技術(shù)成熟度等級界定

如表6所示，將產(chǎn)品技術(shù)成熟度劃分為不同等級，以便主機廠判斷實施輕量化提案的風(fēng)險性，并逐步提升能力水平。

表6 技術(shù)成熟度等級界定

3 結(jié)束語

在《中國制造2025》中，關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中強調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”，電線束作為重要的汽車零部件，也必將向輕量化的方向發(fā)展，為整車的節(jié)能減耗、降本增效提供積極應(yīng)對方案。