基于可變編程集線器的整車線束模塊化設計

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

傳統的線束設計方法根據整車功能選配開發對應的線束，每個配置需要專用的線束零件號，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品。另外，不管是在新項目開發過程還是車型迭代，線束總是面臨不斷的大量變更，且單一變更經常涉及多個線束總成。從線束設計、生產，倉儲管理，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、質量風險大、庫存種類多、報廢率高等問題。隨著汽車娛樂化、網聯化、個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，而可用開發的時間越來越短，將給涉及線束的所有環節帶來越來越大的壓力。

現在車企，特別是造車新勢力都在積極推動少線化。用域控制器集成多個控制器功能，減少ECU之間的導線；應用以太網減少通信導線數量。減少導線的數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付變更需求，減少因各種原因導致的線束變更范圍，可以從根本上解決以上問題。

1 汽車線束模塊化設計的現狀

1.1 半模塊化分解

大部分車企在整車原理設計階段都采用按照功能進行子系統模塊化設計，如前大燈系統、ADAS系統、座椅系統等等。江淮汽車等提出了在線束生產前期把每個功能做成一個模塊，線束供應商根據主機廠的訂單需求把相應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 按照功能進行半模塊化分解

1.2 完整模塊化分解

一汽等車企把區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模塊，基礎模塊做最大的導線預留來兼容不同的功能模塊，方法如圖2所示[3-5]。

圖2 按照功能進行完整模塊化分解

1.3 模塊化方法

現有的線束設計都根據整車架構和工藝流程的需要，把整車線束按照區域分段，不同的配置需要不同的線束型號對應[6]，這是簡單的模塊化。

為實現汽車智能化裝配，特斯拉提出了結構線束概念。把整車線束根據智能生產的需要劃分成段，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。線束模塊設計由組件構成，線束可以在線束廠進行智能組裝，然后再進行總裝智能裝配[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計的功能增減造成的線束變更問題，沒有解決其他情況導致的問題，這部分問題發生更頻繁，如回路變更導致的所涉及線束模塊的變更、全新功能的增加導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計

2.1 模塊化設計

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

從結構上看，整車線束主要是由連接用電器的各個分支和作為中間通道的主干構成。據此，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，通過控制程序設計實現在不同位置的使用。

2.2 主干線束模塊

主干線束模塊是具有多個連接器和連通其中兩個或者多個連接器的導線的集合體。主干線束模塊預留一定數量的連接器，兩兩連接器之間預留導線。預留的導線有雙連接器和多連接器兩種類型。如圖5所示，以有3個連接器A、B、C的主干線束模塊為例，預留導線包括雙連接器的A-B、A-C、B-C和多連接器的A-B-C 4種導線。多連接器的導線可以應對任何兩個連接器之間的連通變化，如當連通從B-C變更為A-C，導線A-B-C不需要變更，只需棄用B連接器端的導線，啟用A連接器端的導線即可。每個主干線束模塊都有4根連通所有連接器的多連接器導線，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，根據整車架構和線束模塊中的連接器的數量，可以把一個主干線束模塊再分割為多個主干線束模塊，使主干線束模塊盡可能小，以減少預留的導線和連接器的數量。根據經驗，設計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、驅動線束、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構型示例如圖6所示。

圖6 主干線束模塊組合的線束系統構型示例

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。分支線束模塊根據實際需求設計，如前大燈線束、雷達線束、BCM線束、功放線束等等。分支線束模塊可以預留導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，設計有多個連接器，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控制模擬開關或繼電器矩陣的通斷，實現連接器的任意兩個針腳或者多個針腳之間的連通，從而實現線束模塊與線束模塊的導線連通。如圖7所示的集線器為例，該集線器有兩個連接器A、B分別有6個針腳和5個針腳。每個針腳由一個單刀八擲模擬開關決定連通哪個INTRM，該模擬開關的狀態由一個控制變量Control的值決定，Control與INTRM對應關系見表1，如Control值為010，則PIN A1連通INTRM A。INTRM為PCB上的中轉點，不同針腳通過與同一個INTRM實現相互連通。當賦予該集線器的各個針腳的控制變量如表2所示值時，可以得到圖7所示的針腳之間連通結果。

圖7 集線器針腳連通示例

表1 控制變量與INTRM的對應關系

表2 賦予集線器的針腳控制值

以圖8所示的有4個連接器的集線器為例。該集線器可以連接4個線束模塊，對接的線束模塊導線與集線器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，控制模擬開關及繼電器矩陣實現各個導線之間的連通。信號電路只需通過模擬開關實現連通，電源電路通過由模擬開關控制的繼電器實現連通。當線束之間的連通關系或其中一個線束變更時，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系即可實現導線之間的連通變化。根據實際需要可以開發多個型號的集線器[9]。

圖8 集線器結構示例

2.5 線束模塊化設計原則

為了充分發揮線束模塊化的優勢，模塊化設計需要遵循如下原則：

(1)主干線束模塊長度適宜，平衡成本、設計復雜性、裝配工作量等多方面的需求。

(2)為了減少模塊的類型數量，模塊設計時限定選用的連接器型號；對于分支模塊，需要用電器設計時在限制的接插件型號范圍內選用。

(3)同類模塊安裝方式一致，特別是主干線束模塊，需要整車架構設計時考慮線束的安裝方式，減少同類模塊型號數量。

基于圖6的線束系統構型，模塊組成的整車線束拓撲示例如圖9所示。

圖9 模塊化整車線束拓撲示例

3 模塊化設計生產流程

3.1 模塊化設計生產流程

模塊化設計生產流程如圖10所示。其具體步驟為：

圖10 模塊化設計生產流程

(1)進行整車電氣原理設計；

(2)根據整車電氣原理和整車的用電器布置進行線束模塊化分割，完成初版線束拓撲圖設計；

(3)設計整車接線圖和線束3D；

(4)根據導線數量、長度、固定方式、連接器型號等確定線束模塊或者集線器是否需要修改或者重新設計；

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

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

(7)在總裝生產線按照接線圖進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總線為各個集線器下載控制程序；

(10)進行實車線束電檢，有問題返回線束安裝環節開始排查問題；

(11)線束電檢通過，線束系統可以正常使用，線束設計生產工作結束。

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線；

(2)給OBD分支集線器編碼；

(3)從已編碼的集線器開始，經由雙連接器導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)將該過程轉化為程序代碼，用于指導集線器分配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的程序代碼中已經定義了集線器和雙連接器導線的順序。依次讓已分配ID的集線器針腳輸出高電位，經由雙連接器導線與該針腳連接的集線器收到電信號后反饋到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計的優缺點

4.1 線束模塊化設計的實現條件

(1)線束接線圖設計系統需要增加以下功能：線束模塊及集線器設計功能、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完成，則需要人力實現，不可避免地增加人力工作導致的問題，影響后續環節開展。

(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整。

(3)模塊在不同車型之間的通用性，取決于整車架構設計的差異程度。

4.2 線束模塊化設計的優勢

(1)提高了線束的通用性，減少變更影響范圍，極大簡化了設計、開發、生產、倉儲、裝配、售后等各個環節的工作，減少重復工作和避免人力工作導致的問題。

(2)可以改變線束的形狀或者外裝材料，提高線束的剛度，實現通過螺栓螺母固定，從而實現汽車總裝智能化生產。另外，線束模塊可以在Tier 2 的導線供應商處生產完成，降低人力成本，提高效率和質量。

(3)傳統線束由一根根獨立的導線組成，占用空間大，質量大。模塊化線束可以一體注塑成型，節省空間，減小質量。

(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，裝配時不用區分集線器，最后由智能程序實現區分，簡化線束裝配，也減少了裝配問題。

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

5 結束語

文中基于可變編程集線器的線束模塊化設計方法具有多種優勢，但是對現有的設計生產體系具有一定的顛覆性，傳統車企提前應用此方法會面臨較大挑戰。造車新勢力沒有既有的供應鏈包袱且追求個性化定制和快速迭代，更容易實現線束設計方法轉型。一旦有車企領先實踐并驗證了其優勢，該方法將在整個行業迅速普及。當不同品牌不同車型的整車架構都基于線束模塊化而設計，線束模塊的通用性將極大提高，成本也將大幅降低。該方法需要從設計到生產，從物流到管理全方位做出改革，既是機遇也是挑戰。在工業4.0時代，希望該方法能給社會節省資源，讓消費者享受完全符合自己需求的廉價定制產品。