汽車低壓電路系統設計探討

【摘" 要】文章主要闡述電子電氣架構的演進和電器負載的變化導致的低壓電路系統設計挑戰，從新型電子電氣架構對電路影響、電源分配、線束拓撲、線束物料、48V系統和自動化制程6個維度進行優化以提升低壓電路系統的設計。

【關鍵詞】汽車低壓線束；電路設計；電子電氣架構

中圖分類號：U463.62"""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0060-05

Discussion of Vehicle Low Voltage Circuit System Design

WANG Xiaoyun，CAO Shanggui

（Production Digital Center Chery Automotive Co.，Ltd.，Wuhu 241006，China）

【Abstract】This paper mainly describes the design challenges of low voltage circuit system caused by the evolution of electronic and electrical architecture and the change of electrical load. The design of low voltage circuit system is improved by optimization from six dimensions：the influence of new electronic architecture on circuit，power distribution，wiring harness topology，wiring harness materials，48V system and automated process.

【Key words】vehicle low voltage wire harness；circuit design；EEA

隨著新能源汽車智能座艙、智能駕駛和各種舒適性、便利性負載的發展，整車電器負載的數量越來越多，負載功率越來越大。為應對電器負載發展，電子電氣架構也相應發展演進，以更好地實現電器控制，提升數據傳輸速率。因此，整車低壓電路系統需要不斷進行優化設計，以實現更少的回路數量、更輕的質量、更好的品質以達成成本和質量目標。

1" 汽車低壓電器的演進

1.1" 電子電氣架構

電子電氣架構發展分為三個階段：分布式、域控制器式、車載計算機式，如圖1所示。汽車從最開始的開關驅動負載到模塊直接驅動，再到模塊集成、域控制器集中及跨域融合。到了新能源汽車時代，重新定義電子電氣架構，功能集中化成為典型趨勢。集中式電子電氣架構，能夠逐步平抑ECU和線束的增長趨勢，甚至到達某個時間節點之后，能夠促進大幅減少ECU和線束用量，降低EEA網絡拓撲復雜度。

1.2" 整車電器負載數量及功率

整車負載功率日益增多，如高階自動駕駛的應用；底盤的電動化逐步替代傳統液壓驅動，如主動懸掛、線控轉向、電子穩定桿負載等大功率負載；音響娛樂系統、冷卻系統負載功率增大。控制器負載功率越來越大，導致12V低壓系統電流超過200A（2025：3～4kW，2028+：5～6kW），促使低壓電路系統中粗線束越來越多，帶來質量、布置、損耗問題。負載功率變化預估如圖2所示，整車電流變化如圖3所示。

2" 汽車低壓電路系統的挑戰

根據當前電子電氣架構和功率器件的發展，智能駕駛、智能座艙配置率提升對低壓電路系統的影響最直接表現在整車線束上為回路數量從幾百增加到2000左右，質量從10kg左右增加到部分車型40～50kg。在設計、成本、質量、制造工藝和主機廠裝配等維度帶來挑戰。

低壓電路系統面臨的挑戰及應對措施如下。

1）質量增長、成本壓力。可以用小型化、輕量化材料（小線徑、小端子、鋁代銅等）。

2）模塊數量增多，布置空間局限。通過小型化插件、拓撲優化、模塊集中及布局優化來改善設計。

3）高速數據傳輸需求劇增，帶來特種導線FAKRA和以太網導線數量劇增。同時數據線、模塊、軟件處理等系統匹配設計及整車問題診斷能力也面臨挑戰，需要系統設計。

4）物料品種增多，低壓電路系統設計難度加大。需要標準化、通用化設計，減少物料種類，并同二級物料廠家聯動開發，以減少整車應用問題。

3" 汽車低壓電路設計探索

3.1" 新型電子電氣架構對電路影響

目前電子電氣架構普遍采用區域控制器的方式，控制器的集成度影響網絡復雜度，其布置位置直接決定線束與電器件的連接復雜程度和導線用量，優化電子電氣架構可以大幅減少ECU模塊數量和線束導線用量，同時降低EEA網絡拓撲復雜度。如圖4所示。

域控制器的集成除了考慮電器負載就近控制，域模塊集成電源分配與驅動功能也實現就近布置線束，可以降低導線用量實現降本減重。通過區域模塊功能集中整合，以前模塊間分布控制時的網絡傳輸信號減少，從而減少了低壓控制電路數量，小線徑導線用量可優化，同時模塊之間的高速數據傳輸線也會減少。

3.2" 電源分配

隨著整車電子電氣架構發展，整車配電從集中式配電變為區域配電。以前電源分配系統主要采用集中供電，供電系統由前艙電器盒、儀表電器盒和行李廂電器盒三者搭配組合構成，區域配電方式則為電器盒一級配電+區域控制器二級配電組合構成。

由于高階自動駕駛要求EPS、ADAS等安全相關需冗余供電，需具備功能安全等級，配電需要智能化+電子化，所以一級配電為大功率負載+EPS、ADAS等安全相關提供冗余供電，具備主動電流診斷和電路保護等安全功能。

考慮成本因素，目前電源分配系統仍以傳統繼電器加熔斷絲的方式，電子熔斷絲的成本較高，整車配置率還很低。電源分配系統變化如圖5所示。

3.3" 線束拓撲

由于經濟性和環保等法規的要求，整車能耗控制越來越高。整車質量對整車能耗影響較大，降低整車質量是所有車輛部件設計的目標，同時整車內乘坐空間要求越來越高，可布置的空間越來越有限，整車低壓電路系統的設計需要在有限的空間內優化設計及布局，降低質量，所以低壓電路系統設計時需要推動線束參與電器架構與整車架構前期開發，線域融合來優化線束主干布局、分段方案和功能分配，降低導線用量同時為線束加工制造和主機廠總裝裝配提供便利。線束布局如圖6所示。

依據電子電氣架構方案的控制器選型情況、控制器尺寸和所驅動的功能分布情況來核算各域控制模塊布置位置所使用的導線用量，通過對比分析從而選擇最優方案。另外還需要根據總裝裝配工藝、各汽車部件總成供貨情況和整車線束自身設計方案來設計線束分段方案，以盡量減少對接插件以控制成本并減少裝配工時。

3.4" 線束物料

電器功能與智能化、電動化需求快速增長，車輛電器件數量上漲至近250個，隨之帶來的大平方電源線束長度增長，特種導線占比翻倍增長，其中FAKRA導線使用近90m，相較之前車型上升1.7倍，以太網導線使用近40m相較之前車型上升12.7倍。同時新能源車型的接插件產品種類增加且部分物料單價過高（如DC-DC、BMS等），總體上整車線束成本攀升明顯，如圖7所示。

3.4.1" 高速數據傳輸

隨著電子電氣架構的演變，智能網聯汽車中高速網絡系統的大量應用使得車載高速連接器的需求增大，同時也對產品的數據傳輸可靠性帶來新的挑戰。

目前高速數據線束面臨的問題及應對主要有以下幾方面。

1）以太網數據接口非標準接口，需統一接口，以減少產品種類和增強可替換性。

2）所用導線小線徑強度差，需優化結構設計，提高壓接工藝，提升機械性能。

3）高速數據傳輸線在整車上的故障排除效率和診斷手段缺乏，需要聯合芯片、控制器、數據線、檢測機構等系統進行設計，以規避機械問題導致的數據傳輸顯示及整車故障診斷難題。

4）高速數據線普遍成本高，需要不斷創新技術進行成本優化，同時還需要采用自動化生產手段來提高生產效率，提升生產品質，降低成本。

5）高速數據傳輸線相較傳統導線有絕緣層，相較傳統導線更重，需要不斷優化材質和質量，輕量化設計。

3.4.2" 鋁導線應用

基于實現更高效的能源利用和性能要求，降低碳排放，保障品質和可靠性，線束需要實現輕量化和低成本目標。由于銅材料的價格波動比較大，同時價格也比較高。性價比更優，導電性能略弱于銅的鋁導線成行業內普遍趨向。

鋁導線相較于銅導線的優勢為，同導電性能情況下，鋁導線可降重17%～40% ，鋁導線可實現降本5%～45%。但鋁導線也有其劣勢，需注意以下幾方面。

1）布置空間。導電率約為銅的60%，同等載流量需求時，鋁線徑約為銅線徑1.6倍。故部分空間不足區域使用特殊工藝來滿足布置可行性，比如采用塑型工藝或鋁板來減少空間局限性。

2）抗拉強度低。鋁的機械強度只有銅線的1/3，端子壓接拉脫力小。對于小線徑導線應用環境，就需要使用高強度鋁合金導線來增強其機械強度，但對應的導線加工和端子壓接等問題目前還未成熟，所以小線徑鋁導線應用目前仍受限，普遍應用的還是大平方鋁導線。

3）易電化學腐蝕。鋁導線表面極易形成氧化膜，氧化層具有絕緣特性，將造成壓接電阻升高。需要采用特制鋁導線專用端子以解決電化學腐蝕問題。

4）易氧化。銅鋁電極電位差約2V，銅鋁壓接易電化學腐蝕。端子壓接處需密封，盡量用于干燥區域。

3.5" 48V系統

3.5.1" 48V電源優點

隨著智能化、電動化和自動駕駛發展，12V系統所需提供的功率極限在3～4kW，其已無法滿足負載需求，在負載提升情況下，可將電壓提升至48V，以降低電流的方式來解決該問題。12V與48V整車電流變化對比如圖8所示。

汽車采用48V電源的優點如下。

1）可以提供更大的功率，減少損耗：P=U×I，電壓4倍，電流降低4倍，P=I2R，1/4的電流，1/16的功耗，效率提升；解除功率限制，性能更加穩定可靠。

2）實現線束的極簡化、輕量化。電壓升高后，相同功率情況下僅1/4的電流，可以選型更小的線徑、散熱器和芯片，更低成本的連接器、PCB板和外殼。

3）提高車輛操控性。對于搭載后輪轉向、主動防傾桿等新技術的車型可讓原本被動的懸掛系統變為主動。

4）最高充電電壓接近60V，可有效滿足安全電壓。

3.5.2" 48V系統對線束的影響

48V替代12V之后，線徑降低250%～400%（功率≥300W），如圖9所示；P=I2R，理論上最大可以降低1/16，線束功率損耗降低100%～150%（功率≥300W），如圖10所示。

3.5.3 48V系統面臨的挑戰

1）48V系統的復雜性和安全性問題是亟需解決的關鍵問題。

2）采用新系統的擔憂也是制約其發展的因素之一，48V產品及芯片少，整個行業可能需要很長時間的過渡，才能實現48V系統的更新。

3）供應商生態系統面臨重新洗牌。48V需要開發和制造以更高電壓運行的零部件，產量相對較小的情況下，成本增加。

4）基礎技術問題。EMC電磁兼容、12V和48V電壓分離、爬電距離增加、電弧能量高、電化學腐蝕和耐壓等級高等。

3.6" 自動化制程

鑒于線束系統的質量增加、物料種類繁多，線束制造復雜性也隨之增強，而線束的制造是勞動密集型行業，為了減少制造的過程復雜性，在線束設計時需要考慮制造過程自動化，以提升線束的制造品質和效率。傳統的線束制造工藝是二級物料到線束廠后，通過人工進行開線、壓接、裝配的方式。現如今自動化制造設備和工藝的引入，已經可以實現導線的開線、剝皮、端子壓接和絞線等工藝一臺設備實現，甚至有些線束廠針對量大、物料固定的總成實現開線、剝皮、穿密封塞、端子壓接和插孔等一系列動作自動化實現。

未來，線束設計需要考慮面向生產自動化的設計理念，通過端子種類的縮減、優化線束結構和分斷、采用短路器替代超聲波焊接、在線注塑密封橡膠件、采用連接器式接地端子等方式來達成后續制造自動化的目的。同時更多自動化的加工工藝和設備引入，來提升加工效率，比如自動扎帶機器、自動包裹膠帶、視覺引導布線等。線束設計發展趨勢如圖11所示。

4" 總結

低壓電路系統的設計，因其涉及的電器件和電子電氣架構的復雜性、物料種類的多樣性和設計軟件的自動化程度低等給其帶來很大的難度。為了更好地提升低壓電路系統的設計能力，后續需要持續加強與控制器和電子電氣架構的融合，深入了解各個電器件的發展方向，創新引入新材料、新工藝、新技術以實現更優的設計、更輕的質量、更可靠的品質和更智能的制造。

（編輯" 楊凱麟）