基于可變編程集線器的整車線束模塊化設(shè)計(jì)

鄭志芳

(廣汽蔚來新能源汽車科技有限公司，廣東廣州 511458)

0 引言

傳統(tǒng)的線束設(shè)計(jì)方法根據(jù)整車功能選配開發(fā)對應(yīng)的線束，每個(gè)配置需要專用的線束零件號(hào)，不同車型或品牌的線束都不能通用，線束成了高度專用化產(chǎn)品。另外，不管是在新項(xiàng)目開發(fā)過程還是車型迭代，線束總是面臨不斷的大量變更，且單一變更經(jīng)常涉及多個(gè)線束總成。從線束設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，倉儲(chǔ)管理，到總裝排序、裝配、售后備料及返修，分別面臨周期長、工作量大、管理困難、人力成本高、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大、庫存種類多、報(bào)廢率高等問題。隨著汽車娛樂化、網(wǎng)聯(lián)化、個(gè)性化和快速迭代的需要，汽車上用電器及功能選配越來越多，而可用開發(fā)的時(shí)間越來越短，將給涉及線束的所有環(huán)節(jié)帶來越來越大的壓力。

現(xiàn)在車企，特別是造車新勢力都在積極推動(dòng)少線化。用域控制器集成多個(gè)控制器功能，減少ECU之間的導(dǎo)線；應(yīng)用以太網(wǎng)減少通信導(dǎo)線數(shù)量。減少導(dǎo)線的數(shù)量很大程度減輕以上線束問題，但沒有根本上解決。線束模塊化，通過提高線束的通用性以減小線束種類，只需改變模塊之間的組合就可應(yīng)付變更需求，減少因各種原因?qū)е碌木€束變更范圍，可以從根本上解決以上問題。

1 汽車線束模塊化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

1.1 半模塊化分解

大部分車企在整車原理設(shè)計(jì)階段都采用按照功能進(jìn)行子系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，如前大燈系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)等等。江淮汽車等提出了在線束生產(chǎn)前期把每個(gè)功能做成一個(gè)模塊，線束供應(yīng)商根據(jù)主機(jī)廠的訂單需求把相應(yīng)的模塊組合成線束總成后再供貨，方法如圖1所示[1-2]。

圖1 按照功能進(jìn)行半模塊化分解

1.2 完整模塊化分解

一汽等車企把區(qū)分不同配置的功能做成功能模塊，所有配置共有的功能集合成基礎(chǔ)模塊，基礎(chǔ)模塊做最大的導(dǎo)線預(yù)留來兼容不同的功能模塊，方法如圖2所示[3-5]。

圖2 按照功能進(jìn)行完整模塊化分解

1.3 模塊化方法

現(xiàn)有的線束設(shè)計(jì)都根據(jù)整車架構(gòu)和工藝流程的需要，把整車線束按照區(qū)域分段，不同的配置需要不同的線束型號(hào)對應(yīng)[6]，這是簡單的模塊化。

為實(shí)現(xiàn)汽車智能化裝配，特斯拉提出了結(jié)構(gòu)線束概念。把整車線束根據(jù)智能生產(chǎn)的需要?jiǎng)澐殖啥?，如圖3所示，采用電器通過圖4所示的臍帶電纜與線束段連接。線束模塊設(shè)計(jì)由組件構(gòu)成，線束可以在線束廠進(jìn)行智能組裝，然后再進(jìn)行總裝智能裝配[7]。

圖3 特斯拉提出的分段模塊化示例

圖4 臍帶電纜

上述的模塊化方法都只能解決單一車型已設(shè)計(jì)的功能增減造成的線束變更問題，沒有解決其他情況導(dǎo)致的問題，這部分問題發(fā)生更頻繁，如回路變更導(dǎo)致的所涉及線束模塊的變更、全新功能的增加導(dǎo)致所涉及線束模塊的變更、不同車型無法通用等。

2 基于可變編程集線器的整車線束模塊化設(shè)計(jì)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

由于汽車差異化配置的需要，同個(gè)車型不同配置搭載用電器不同，導(dǎo)致整車線束系統(tǒng)之間最顯著的差異是線束分支的增減，基于整車架構(gòu)和工藝流程分解線束系統(tǒng)是一個(gè)理想的模塊化方法。通常，模塊化產(chǎn)品的構(gòu)成模式可用一個(gè)簡單的公式表達(dá)：系統(tǒng)=通用模塊(不變部分)+專用模塊(變動(dòng)模塊)[8]。

從結(jié)構(gòu)上看，整車線束主要是由連接用電器的各個(gè)分支和作為中間通道的主干構(gòu)成。據(jù)此，把整車線束分解成主干線束模塊(即通用模塊)、分支線束模塊(即專用模塊)和可變編程集線器(通用模塊)。主干線束模塊與主干線束模塊或分支線束模塊之間通過集線器連接。集線器的硬件部分都是通用的，通過控制程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在不同位置的使用。

2.2 主干線束模塊

主干線束模塊是具有多個(gè)連接器和連通其中兩個(gè)或者多個(gè)連接器的導(dǎo)線的集合體。主干線束模塊預(yù)留一定數(shù)量的連接器，兩兩連接器之間預(yù)留導(dǎo)線。預(yù)留的導(dǎo)線有雙連接器和多連接器兩種類型。如圖5所示，以有3個(gè)連接器A、B、C的主干線束模塊為例，預(yù)留導(dǎo)線包括雙連接器的A-B、A-C、B-C和多連接器的A-B-C 4種導(dǎo)線。多連接器的導(dǎo)線可以應(yīng)對任何兩個(gè)連接器之間的連通變化，如當(dāng)連通從B-C變更為A-C，導(dǎo)線A-B-C不需要變更，只需棄用B連接器端的導(dǎo)線，啟用A連接器端的導(dǎo)線即可。每個(gè)主干線束模塊都有4根連通所有連接器的多連接器導(dǎo)線，作為集線器模塊的電源、接地和CAN總線回路。

圖5 三連接器的主干線束模塊示例

為了提高主干線束模塊的通用性，根據(jù)整車架構(gòu)和線束模塊中的連接器的數(shù)量，可以把一個(gè)主干線束模塊再分割為多個(gè)主干線束模塊，使主干線束模塊盡可能小，以減少預(yù)留的導(dǎo)線和連接器的數(shù)量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)主干線束模塊有左車身線束、右車身線束、左前艙線束、右前艙線束、左前門線束、右前門線束、左后門線束、右后門線束、頂棚線束、前保線束、驅(qū)動(dòng)線束、儀表線束、副儀表線束、中通線束、地板線束、底盤線束等。主干線束模塊組合成的線束系統(tǒng)構(gòu)型示例如圖6所示。

圖6 主干線束模塊組合的線束系統(tǒng)構(gòu)型示例

2.3 分支線束模塊

分支線束模塊為一端通過集線器連接主干線束模塊，一端連接用電器的雙連接器線束段。分支線束模塊根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)，如前大燈線束、雷達(dá)線束、BCM線束、功放線束等等。分支線束模塊可以預(yù)留導(dǎo)線以連接不同功能的用電器，提高通用性。

2.4 可變編程集線器

可變編程集線器以PCB為核心，設(shè)計(jì)有多個(gè)連接器，用于對接主干線束模塊與主干線束模塊或分支線束模塊。集線器由CPU控制模擬開關(guān)或繼電器矩陣的通斷，實(shí)現(xiàn)連接器的任意兩個(gè)針腳或者多個(gè)針腳之間的連通，從而實(shí)現(xiàn)線束模塊與線束模塊的導(dǎo)線連通。如圖7所示的集線器為例，該集線器有兩個(gè)連接器A、B分別有6個(gè)針腳和5個(gè)針腳。每個(gè)針腳由一個(gè)單刀八擲模擬開關(guān)決定連通哪個(gè)INTRM，該模擬開關(guān)的狀態(tài)由一個(gè)控制變量Control的值決定，Control與INTRM對應(yīng)關(guān)系見表1，如Control值為010，則PIN A1連通INTRM A。INTRM為PCB上的中轉(zhuǎn)點(diǎn)，不同針腳通過與同一個(gè)INTRM實(shí)現(xiàn)相互連通。當(dāng)賦予該集線器的各個(gè)針腳的控制變量如表2所示值時(shí)，可以得到圖7所示的針腳之間連通結(jié)果。

圖7 集線器針腳連通示例

表1 控制變量與INTRM的對應(yīng)關(guān)系

表2 賦予集線器的針腳控制值

以圖8所示的有4個(gè)連接器的集線器為例。該集線器可以連接4個(gè)線束模塊，對接的線束模塊導(dǎo)線與集線器PCB電路連通。在整車線束安裝完成后，通過OBD口對所有集線器進(jìn)行位置檢測及分配ID，并通過CAN總線下載集線器的控制程序，控制模擬開關(guān)及繼電器矩陣實(shí)現(xiàn)各個(gè)導(dǎo)線之間的連通。信號(hào)電路只需通過模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)連通，電源電路通過由模擬開關(guān)控制的繼電器實(shí)現(xiàn)連通。當(dāng)線束之間的連通關(guān)系或其中一個(gè)線束變更時(shí)，只需更新局部變化的線束模塊和集線器的控制程序，改變針腳之間的連通關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線之間的連通變化。根據(jù)實(shí)際需要可以開發(fā)多個(gè)型號(hào)的集線器[9]。

圖8 集線器結(jié)構(gòu)示例

2.5 線束模塊化設(shè)計(jì)原則

為了充分發(fā)揮線束模塊化的優(yōu)勢，模塊化設(shè)計(jì)需要遵循如下原則：

(1)主干線束模塊長度適宜，平衡成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、裝配工作量等多方面的需求。

(2)為了減少模塊的類型數(shù)量，模塊設(shè)計(jì)時(shí)限定選用的連接器型號(hào)；對于分支模塊，需要用電器設(shè)計(jì)時(shí)在限制的接插件型號(hào)范圍內(nèi)選用。

(3)同類模塊安裝方式一致，特別是主干線束模塊，需要整車架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮線束的安裝方式，減少同類模塊型號(hào)數(shù)量。

基于圖6的線束系統(tǒng)構(gòu)型，模塊組成的整車線束拓?fù)涫纠鐖D9所示。

圖9 模塊化整車線束拓?fù)涫纠?/p>

3 模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

3.1 模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程如圖10所示。其具體步驟為：

圖10 模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

(1)進(jìn)行整車電氣原理設(shè)計(jì)；

(2)根據(jù)整車電氣原理和整車的用電器布置進(jìn)行線束模塊化分割，完成初版線束拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)；

(3)設(shè)計(jì)整車接線圖和線束3D；

(4)根據(jù)導(dǎo)線數(shù)量、長度、固定方式、連接器型號(hào)等確定線束模塊或者集線器是否需要修改或者重新設(shè)計(jì)；

(5)把選用的線束模塊和集線器型號(hào)體現(xiàn)在接線圖上，至此線束模塊和集線器在接線圖上具有電氣屬性；

(6)系統(tǒng)仿真檢查整車線束系統(tǒng)，包括所選的線束模塊和集線器是否能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求，不合格則重回整車電氣原理設(shè)計(jì)開始排查問題，合格就生成集線器分配ID的程序代碼；

(7)在總裝生產(chǎn)線按照接線圖進(jìn)行線束模塊安裝并安裝連接集線器；

(8)整車裝配完成后通電，把集線器分配ID的程序代碼下載到OBD分支集線器，由此開始給所有集線器分配ID；

(9)基于CAN總線為各個(gè)集線器下載控制程序；

(10)進(jìn)行實(shí)車線束電檢，有問題返回線束安裝環(huán)節(jié)開始排查問題；

(11)線束電檢通過，線束系統(tǒng)可以正常使用，線束設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作結(jié)束。

3.2 集線器分配ID的程序代碼生成流程

集線器分配ID的程序代碼生成流程如圖11所示。

圖11 集線器分配ID的程序代碼生成流程

其具體步驟為：

(1)找出接線圖上中所有的集線器和雙連接器導(dǎo)線；

(2)給OBD分支集線器編碼；

(3)從已編碼的集線器開始，經(jīng)由雙連接器導(dǎo)線找到未編碼的集線器，按找到的順序編碼，直到所有的集線器都編碼；

(4)將該過程轉(zhuǎn)化為程序代碼，用于指導(dǎo)集線器分配ID。

3.3 集線器ID分配流程

集線器ID分配流程如圖12所示。其具體步驟為：

圖12 集線器ID分配流程

(1)先為OBD分支集線器分配ID；

(2)分配ID的程序代碼中已經(jīng)定義了集線器和雙連接器導(dǎo)線的順序。依次讓已分配ID的集線器針腳輸出高電位，經(jīng)由雙連接器導(dǎo)線與該針腳連接的集線器收到電信號(hào)后反饋到CAN總線上；

(3)給反饋的集線器分配ID，直到整車所有集線器都已分配ID。

以圖13為例，儀表線束與OBD、車身線束、頂棚線束、左車身線束和右車身線束等模塊通過集線器連接，集線器ID分配過程如下：

圖13 主干線束模塊連接示例

(1)給OBD分支集線器A分配ID為0；

(2)集線器A的1#針腳輸出高電位(針腳順序在分配ID的程序代碼中已定義)，集線器B收到電信號(hào)并反饋到CAN總線；

(3)給集線器B分配ID為1；

(4)同理，集線器A的3#針腳輸出高電位，集線器C的ID分配為3；

(5)以此類推，通過集線器C，為集線器D、E、F分配ID；通過集線器B，為集線器G分配ID。

4 基于可變編程集線器的線束模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 線束模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)條件

(1)線束接線圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要增加以下功能：線束模塊及集線器設(shè)計(jì)功能、模塊選型功能、模擬電檢功能、集線器ID分配的程序代碼生成功能。這些功能如果不能通過系統(tǒng)完成，則需要人力實(shí)現(xiàn)，不可避免地增加人力工作導(dǎo)致的問題，影響后續(xù)環(huán)節(jié)開展。

(2)集線器ID分配和控制程序下載步驟的增加，需要整車裝配工藝的調(diào)整。

(3)模塊在不同車型之間的通用性，取決于整車架構(gòu)設(shè)計(jì)的差異程度。

4.2 線束模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

(1)提高了線束的通用性，減少變更影響范圍，極大簡化了設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、裝配、售后等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，減少重復(fù)工作和避免人力工作導(dǎo)致的問題。

(2)可以改變線束的形狀或者外裝材料，提高線束的剛度，實(shí)現(xiàn)通過螺栓螺母固定，從而實(shí)現(xiàn)汽車總裝智能化生產(chǎn)。另外，線束模塊可以在Tier 2 的導(dǎo)線供應(yīng)商處生產(chǎn)完成，降低人力成本，提高效率和質(zhì)量。

(3)傳統(tǒng)線束由一根根獨(dú)立的導(dǎo)線組成，占用空間大，質(zhì)量大。模塊化線束可以一體注塑成型，節(jié)省空間，減小質(zhì)量。

(4)ID分配和基于CAN總線下載控制程序的方法提高了集線器的通用性，裝配時(shí)不用區(qū)分集線器，最后由智能程序?qū)崿F(xiàn)區(qū)分，簡化線束裝配，也減少了裝配問題。

(5)模塊化提高了汽車個(gè)性化定制的可行性，也使工程變更變得簡單、快速迭代、及時(shí)響應(yīng)市場需求。

5 結(jié)束語

文中基于可變編程集線器的線束模塊化設(shè)計(jì)方法具有多種優(yōu)勢，但是對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)生產(chǎn)體系具有一定的顛覆性，傳統(tǒng)車企提前應(yīng)用此方法會(huì)面臨較大挑戰(zhàn)。造車新勢力沒有既有的供應(yīng)鏈包袱且追求個(gè)性化定制和快速迭代，更容易實(shí)現(xiàn)線束設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)型。一旦有車企領(lǐng)先實(shí)踐并驗(yàn)證了其優(yōu)勢，該方法將在整個(gè)行業(yè)迅速普及。當(dāng)不同品牌不同車型的整車架構(gòu)都基于線束模塊化而設(shè)計(jì)，線束模塊的通用性將極大提高，成本也將大幅降低。該方法需要從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，從物流到管理全方位做出改革，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。在工業(yè)4.0時(shí)代，希望該方法能給社會(huì)節(jié)省資源，讓消費(fèi)者享受完全符合自己需求的廉價(jià)定制產(chǎn)品。