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汽车发展趋势为线束开发带来新的挑战

工程师
2021-01-28 17:10:37    评分

新技术

新技术的发展永无止境,当它们与现代车辆相结合,便会导致一种可称为 “内容困境” 的现象。内容困境代表车辆制造商试图整合到车辆中的技术内容与线束所需的重量、成本和封装空间之间的冲突。

推动内容困境的最新技术趋势示例包括(图 1):

• 电气化

• 自动驾驶

• 人工智能

• 互联车辆

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图 1:人工智能和连接等新型汽车技术正在给线束设计带来新的挑战。

电动汽车领域的关键客户竞争因素在于里程。车辆一次充电能够行驶的里程越远越好。车辆质量在决定车辆的行驶里程方面起着关键作用,因此,最大限度减小电动汽车的重量,对于能否面向市场推出具有竞争力的成功车辆至关重要。然而,新型车辆技术需要额外的电线和其他电子部件,从而增加了车辆的重量。与内燃机动力系相比,单单引入电动动力系统便增加了约 30% 的车身重量。

自动驾驶需要增加大量硬件冗余和故障安全机制,以防出现可能意外禁用自动驾驶系统的单点故障。系统冗余至关重要,因为如果驾驶员没有注意到或主动参与驾驶和转向过程,意外故障可能会导致车辆碰撞。但是,这些安全冗余也会大幅增加线束的重量和成本。

车辆中的人工智能能够支持面部识别、计算机视觉和其他机器学习算法,通过处理和“学习”传入的数据来帮助实现个性化的用户体验和车辆设置。这需要在整个车辆中包含无数的摄像头和其他硬件。这些摄像头往往通过同轴电缆或高速数据电缆连接到电子控制单元,与传统的汽车布线相比,这些电缆更粗、更重且更昂贵。

最后一点但同样重要的是,车辆作为物联网和车联网的一部分,逐渐变得高度互联,从而将车辆转变为我们在家和在工作中的互联生活之间的无缝接口。将屏幕和显示器集成到几乎任何可以想象到的内表面,表明车辆作为娱乐、通信和生产力的枢纽,正在扮演着越来越重要的角色。

所有这些技术都必须连接到一起,导致线束的重量、直径和成本不断增加(图 2)。一些现代车辆包含近 40 种不同的线束,由大约 700 个连接器和 3000 多根导线构成。如果拆开并拼接为一条连续的直线,这些电线的长度将会超过 2.5 英里(4 公里),重量约为 132 磅(60 公斤)。此外,还可能有 70 多种专用电缆,如同轴电缆、高速数据电缆和 USB 电缆等。在老式汽车里,这一数字约为 10 种。

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图 2:随着新功能的集成,现代汽车线束的尺寸和复杂度与日俱增。

那么,今天的汽车制造商应如何化解内容困境呢?通过引入各种方法,帮助开发团队减少增加的内容和技术给线束所需的重量、成本和封装空间造成的影响。

一种解决方案是开发可减轻线束重量的技术。超小直径布线 (0.13mm2) 就是一个很好的例子。不幸的是,行业至今仍难以为所有现有的端子开发出足够数量的能够压接到如此小的布线直径的端子替代物。当前市场上的可用产品无法支持大规模迁移到超小直径布线。

铝布线也面临同样的境况。对于小直径布线而言,纯铝太脆,因此并非可行的选择。端子供应商已纷纷着手开发适合其端子规格的最佳铝合金。这导致市场上出现了各种合金,而且多数情况下,它们与其他供应商的端子互不兼容。反过来,这意味着车辆只有采用一家供应商的连接器,才能做到在整车上使用铝,而这无异于痴人说梦。

另外,改用铝布线需要压缩铝芯,以减小线束尺寸和重量。由于材料特性,铝线直径必须增加至不小于某个尺寸,才能保持与铜布线相同的导电性。在整车甚至在车辆的某个部分改用直径更大的铝线,将会导致线束尺寸大幅增加,并且需要更多的封装空间。

找到特种电缆的替代品将会进一步降低线束重量和成本,并缩小线束直径。未来的摄像头和显示器数量有增无减,因此开发通过标准化布线传输视频和摄像头信号的方法至关重要。或者,寻找方法将这些信号多路复用到一根共用的特种电缆上,并将多个设备接入这些电缆,也能产生同样的效果,即降低线束重量和成本,并缩小线束直径。

另一种方法是,使用 Capital 等先进的软件解决方案,它们可支持权衡研究,优化模块位置和识别任何可组合的模块,以节省重量、成本,并缩小线束尺寸(图 3)。这种方法能够比较和分析布局对线束重量、成本和直径的影响,因而可支持工程师选择最优的系统架构。

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图 3:Capital 可利用成本、重量和线束尺寸指标进行权衡研究,从而优化线束设计。

汽车初创公司的涌现

在过去 10 到 15 年间,汽车行业在第二种趋势的推动下悄然发生了一场革命,即汽车初创公司的激增。如今,参与市场角逐的不仅仅是福特、大众或丰田等老牌传统OEM 了。自 2003 年特斯拉成立以来,越来越多的电动车初创公司不断涌入市场。随之而来的还有它们独有的一系列挑战。

电动车领域的初创公司面临独特的挑战,例如:

• 紧迫的上市时间

• 缺乏基础设施

• 自下而上的设计

• 持续的变化

缩短产品上市时间会导致所谓的时间困境。老牌 OEM 开发新车型的周期约为 4 到 5 年。相比之下,大多数电动车初创公司往往将目标设定为在短得多的时间内发布车辆,有时甚至不到老牌 OEM 时间预算的一半。令这一困境雪上加霜的是,电动车初创制造商需要从头开发,没有任何先前的车辆计划可以继承。上市时间短促导致迭代周期或开发阶段也很紧张。

缩短迭代周期和开发阶段本身并无大碍,但加上线束开发所需的较长交货期,便会出现问题。从设计发布到产品交付,线束交货期通常约为 23-26 周。交货期的差异取决于项目在开发周期中执行的变更数量和进度。为了满足下一个开发阶段的截止期限,必须将线束冻结(此时数据/设计已经发布,必须通过正式的变更管理流程才能更新),导致两个开发阶段间只有极少甚至没有任何时间来检查或实施学到的经验教训。当下一次冻结来临时,车辆测试往往甚至还没开始。一旦下一个构建阶段开始,这可能导致大量的返工工作,或在短时间内提出大量变更请求,以便在下一次冻结之前,尽快将变更实施到线束设计中。两种替代方案都有可能导致线束质量下降,并在功能验证期间导致不必要的延迟。

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图 4:自动数据传输通过简化领域之间的交互来减少线束设计中的错误。

缩短工程和制造阶段的交货期可令所有工程团队获益。更长的交货期让团队有更多的时间来查找问题,确定适当的布线变更,并在设计中实施这些变更,以用于下一个验证阶段。那么如何才能缩短此交货期?通过消除手动步骤,并自动将信息从一个步骤逐级传递到另一个步骤(图 4)。这将大幅减少错误,并降低核实工作结果的必要性。目标是在车辆制造商和供应商的工具链之间建立无缝的集成。

缺乏基础设施

致力开发新型车辆的初创公司还必须应对缺乏业务和工程基础设施的问题。初创公司的早期阶段没有适当的流程。具体而言,在布线开发方面,没有任何有助于收集、组织和验证线束设计所需电气数据的设备传输数据库。初创厂商也没有经认证的连接器、端子、密封和其他附件的元件库。在 OEM,这类基础设施由来已久,并且经过了长期测试。而在初创公司,所有这一切都必须重起炉灶,在资源和时间有限的情况下需要投入大量的时间和精力。

随着越来越多的初创公司进入市场,采用集成的设备传输数据库和元件库的开发工具将为布线团队带来长远的优势。它们无需通过 Excel 工作表收集繁琐的数据,也无需通过容易出现人为错误的过程,将数据手动传输到逻辑原理图中。线束开发工具将会简化和自动执行该过程,从早期设计阶段开始,减少错误并提高整体线束质量。

这类数据库还可以运行自动报告,以获得开路电路、缺少的负载等信息。实施元件库后,将会大幅减少为寻找端子、密封或配对连接器的零件号而进行零件研究的需求。由于操作员的失误或关于端视图定义的错误信息而引起的连接器管脚错误是最常见的错误之一。元件库将会提供每个零件号的端视图,从而消除在为空腔指定管脚号时的猜测,并预防这类错误的出现。

设计差异

通常情况下,成熟的 OEM 采用自上而下的方法进行系统设计。在自上而下的方法中,系统被分解为子系统,这些子系统再进一步细分为部件。然后对每个部件进行定制设计,以支持特定的车辆特性并遵循特定的要求,例如,使用核准供应商提供的有限系列的连接器。

初创公司存在时间和预算限制,往往不允许采用自上而下的方法。相反,工程团队会使用自下而上的车辆设计。工程团队被指示使用最适合预期应用的现货零件。之后,系统工程和布线团队的任务是,尝试将所有这些拼图拼接到一起,构成车辆功能并建立连接。不幸的是,除非进行大笔投资,否则将无法更改或定制现货零件。这通常会造成一些妥协,导致在线束中增加集成零件所需的布线。

此外,布线团队无法获得一些精选和核准的连接器系列,而是往往被迫采用各种类型的连接器,这些连接器可能缺乏 USCAR 认证、难以采购,或者质量和制造都不尽人意。理想的线束开发工具必须能够支持自下而上的设计流程和多种连接器类型。

变更管理

在初始创建阶段之后,布线工程师的大部分工作都与实施变更有关。希腊哲学家赫拉克利特斯说过:“一切都在变化,没有什么是一成不变的”。这正是布线工程师的日常工作。线束设计和工程永远存在变化。在初创公司,由于时间限制更为严格,所以普遍存在临时流程和工程师新手。

几乎每周都会有新的专家加入不同的部门,为团队带来新的见解。其中可能包括解决问题的更优方法,或者他们在以前的角色中所接触或开发的新技术。这些新团队成员很希望留下他们的印记,初创公司也亟需这样的输入。因此,这些想法可能会在很短的时间内得以实施,但却很少考虑整体系统方面的影响。不仅如此,环境中仅仅部署很少的流程,变更规程仍处于起步阶段。在这样的环境中,变更很不统一,导致跟踪最新的设计修订难度极大。

相比之下,传统 OEM 已经建立起高效、严谨的变更管理流程。这些流程经过多年的项目优化,具有很高的组织支持率。而在创业公司则不然。无论冻结日期或当前项目阶段如何,总会持续产生变更请求。

此外,并非所有供应商都是从项目开始便确定不变,这也导致了反复出现的设计变更需求。某些零件的采购可能需要很长时间。作为权宜之计,工程师采用估算数据来满足前几个线束冻结日期的要求。完成供应商采购后,实际要求经常与工程师的假设不符,要让零件正常工作便需要变更单。某些情况下,供应商无法满足计划时间,甚至决定终止参与。这就意味着必须重新采购零件。新零件很少精确符合原始零件的电气规格。这又会导致更多修改线束的变更请求。

因此,在项目早期制定一种结构化和规范化的变更管理方法极为重要。同样,先进的线束开发工具组合可以提供优雅的解决方案。前面讨论的集成设备传输数据库可以强化某些变更控制机制。利用这些增强功能,该数据库可立即提供必要的结构和自动变更管理(图 5)。

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图 5:现代线束设计解决方案包含自动变更管理解决方案。

设备的发布工程师可以直接在数据库中起草设备传输并提交以供批准。获得批准后,变更将在逻辑原理图中自动更新。这便消除了从 Excel 文件手动更新原理图这一极易出错的过程。它还可以防止发布工程师对从其硬盘上找到的过时的本地副本执行更改,以及覆盖自上次更新以来对设备传输所做的更改。最后,对于每组已发布的逻辑原理图,将会在每个版本中实施自动生成的变更请求清单,从而将每项变更链回到特定的线束修订,以供将来参考。

全新的挑战需要全新的解决方案

新技术的迅速引入以及汽车初创公司的蜂拥而入,导致线束开发面临诸多挑战。OEM 和初创公司都必须考虑它们集成到车辆中的技术特性数量和复杂度,因为它们对线束重量、线束直径和成本都有直接的影响。电气化、自动驾驶和驾驶员辅助、人工智能和连接功能,都会给线束带来额外的负担。这些功能需要在车辆中引入数十个新传感器,而且所有传感器必须连接到线束,有时甚至需要使用特殊布线。

初创汽车公司在争分夺秒地将产品推向市场时,面临着更多的压力。初创公司缺乏传统设计的基础以及为获得最佳性能而定制设计零件所需的资源。没有这些资源,这些公司的工程师必须采用自下而上的设计方法,这种情况下,需要调整现货零件以满足功能要求。初创公司还缺乏成熟的变更管理和跟踪程序。虽然成熟的 OEM 拥有更成型的变更管理流程,但它们往往依赖于手动数据输入和团队之间的沟通。这会导致数据交换不仅低效,而且极易出错。

现代线束设计和工程工具为汽车创新带来的问题提供了优雅的解决方案。将 Capital 等工具与高水平的自动化、高级指标和分析功能相结合,工程师可以进行权衡研究,以优化材料、元件布局和布线,实现线束重量、成本和直径的最小化。接下来,现代设计工具可以自动执行工程团队之间甚至制造商和供应商之间的数据转换。最后,创新的线束设计软件套件具有集成的变更管理工具,可确保所有团队使用最新数据。通过采用这些解决方案,老牌汽车 OEM 和初创公司都能更好地应对新汽车领域的挑战。


…………未完待续…………

更多详细信息请点击>>




关键词: 汽车     线束开发    

工程师
2021-02-02 22:49:32    评分
2楼

挑战的挺不错的


院士
2021-02-02 22:53:52    评分
3楼

学习了。汽车电子的发展真是日新月异。


工程师
2021-02-02 23:27:25    评分
4楼

挑战挺大的


工程师
2021-02-06 23:56:40    评分
5楼

可以的


工程师
2021-02-07 00:01:06    评分
6楼

挑战还是蛮大的


工程师
2021-02-08 23:51:24    评分
7楼

学到了


高工
2021-02-09 11:45:26    评分
8楼

CAN总线!


专家
2021-02-09 18:44:23    评分
9楼
学习了

专家
2021-02-12 18:41:50    评分
10楼
学习了

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