谈谈汽车线束与连接器的技术发展

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汽车线束与连接器对汽车的安全性、稳定性、可靠性起着至关重要的作用。本文线束工程师之家介绍了最近行业中汽车线束和连接器的研究进展情况。

汽车线束犹如人体的血液与神经系统, 贯穿汽车各个部位, 连接所有的电子零部件, 传递电力与数据。线缆即是路径, 连接器即是连接的节点, 汽车线束(图1) 是线缆、连接器以及各种附属零部件的总成, 搭建起了汽车电力与数据的网络。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

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连接器是为汽车电器输入信号和电源的连接器件, 由端子、护套及其附件组成(图2)。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

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01 汽车线束技术发展

面对汽车电子电器架构的不断演变, 汽车线束将面对新的技术变革。汽车电线束在不断提高其安全性的前提下向轻量化、高压化、模块化及加工智能化的趋势越来越明显。基于减小空间、系统降重降低油耗的要求, 整车线束中铝线、高强度细线、护板发泡等线束轻量化技术不断得到应用。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

1)细导线技术。

汽车上普遍使用的信号线的线径导线为0.22mm2、0.35mm2, 信号线的导线利用率一直很低,0.22mm2、0.35mm2的铜导线可以承受10A左右的电流(环境温度24℃), 但是信号线内真正流通的电流往往只有几毫安, 这样资源的浪费成为很多线束生产厂家关注的焦点。
更小线径的电线如高强度0.13mm2电线( 图3) 代替0.22mm2、0.35mm2的信号线是电线行业未来发展的必然趋势。细线的应用关键在于提高细线的强度及压接工艺技术的开发。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

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2)铝导线技术

基于系统降重和成本控制,新型基材铝及铝合金导线(图4) 是整车线束轻量化的主要发展方向。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

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铝(Al) 的质量比铜(Cu) 轻2/3左右, 这种轻型材料可以降低电缆线束的整体质量。即使考虑到导电性和密度的关系, 具有相同电阻的铝线仍然比同等的铜线轻50%左右。铝是一种供应量充足、容易获取导电用的基础材料,其价格将相对稳定且低于铜的价格, 对成本有着比较好的控制。铝线应用关键在解决铜铝接触的电偶腐蚀问题,目前主要采用铜铝端子压接或铝线与铜端子超声波焊接的方式来解决电偶腐蚀问题。对于焊接端子结构设计也非常重要, 通过专利结构设计(图5) 可以很好保证拉脱力达到铜线的拉脱力。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/technological-development-of-wire-harnesses-and-connectors/

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通过铜铝转换头将铜电缆和铝电缆相连接专利设计(图6),也能够实现铝电缆替代铜电缆。这样既保留了铜端子的优点, 亦使电线束的质量缩小为原来1/4~1/2, 解决了端子空间的限制问题。铝线技术除在比较粗的汽车蓄电池线应用外, 细线上也开始得到应用。铝线在高压线束上的应用更有意义, 有利于电动车续航里程的增加。

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3) 薄壁(图7) 及新型低密度绝缘材料导线技术。

0.13mm2细线采用超薄壁PVC可减重13%, 减少体积24%。采用低密度PPE绝缘材料0.35mm2线减重30%, 直径降低27%。

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4)护板支架的微发泡技术。

聚氨酯发泡技术可有效降低线束质量, 作为支架可防止翘曲、提高精度、抗油污和粉尘能力强, 安装后没有噪声等优点。利用聚氨酯发泡成型完成的线束(图8来源网络) 具有很好的导向性, 安装方便。工人只需要在拿到线束之后按照成型的方向和路径就可以一步到位, 进行安装而且不容易出错, 且可依据车身空间做自由的三维造型制成各种不规则形状。但发泡材料制成的线束需要在前期有很大的固定设备投资, 故很多线束厂商没采用。

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5) 光导纤维技术。

基于光导纤维(图9) 数据传输技术, 实现娱乐系统、空调系统等电子设备的互联和控制。开发并搭载光导纤维等新型基材导线技术也是整车线束系统轻量化的发展方向之一, 同时能优化改变线束布置。

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6)线束的模块化设计。

线束零部件的组合数量和复杂程度是由车辆配置表上有多少选择配置来决定的。随着汽车功能配置的增加, 汽车线束越来越复杂。通过低压线束设计的标准化和功能的模块化来简化线束是目前行业追求的目标, 特斯拉在线束模块设计(图10) 上为线束设计提供了一些启示。

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7)无线传输。

云计算和5G的铺设速度加快,云平台的计算、存储能力和5G的传输速度为智能座舱的域控制器的大数据量、低延迟需求提供了保障。而其中智能座舱域为汽车近几年发展的核心。围绕智能座舱及自动驾驶域控制器的产品也将成为未来需求量最大的产品。智能座舱(图11) 安全性不大的车载连接逐渐开始无线化传输的探索研究。

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8) 柔性化平面电路及平面电缆的应用。

采用平面材料柔性化平面电路或平面电缆(图12图片来源网络) 在配线空间非常有限的汽车车顶、车门等可以在提高车厢空间的前提下保证线束布线的有效性。

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9)高压线束超声波焊接技术。

由于大平方超声波焊接的高压线束的拉脱力、接触电阻、稳定性相对传统的压接技术具有一定的优势, 超声波焊接技术开始在高压线束上得到推广应用(图13)。采用导体与高压端子尾部超声波焊接的方式来保证其机械和电气性能, 这种方式不仅可以实现铜导体与铜端子的焊接, 而且能实现铝导体与铜端子的焊接。

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10)电动车电池包铜排或铝排的应用。

紧凑型电池组内, 包括硬铜排和软铜排(图14) 都在新能源汽车电池包中得到应用。为实现轻量化铝排也开始尝试应用到电池组内。目前, 3D打印技术在线束设计制造上也有技术人员开展探索。

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02汽车连接器技术发展

智能网联、电动化和5G技术以太网的应用同样也推动着汽车连接器技术的发展。

1) 小型化。

随着汽车智能化的发展, 功能模块的增加, 同样汽车系统的空间需要挤进更多的模块。在保证汽车连接的安全、稳定、可靠性的同时, 汽车连接器的小型化趋势明显。0.64、1.2、1.5规格连接器应用呈增长趋势(图15)。2.3规格的连接器应用呈下降趋势, 同时0.5规格的连接器也逐渐开始应用。出于对空间的要求, 小Pin距的连接器越来越多。材料与结构的突破使连接器规格变小, 载流能力提升。

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2) 超多线连接器防弯针技术。

多线连接器端子间相对位置要求更为严格, 端子中心不一致的细微偏移会引起对插困难、弯针, 甚至导致连接失效的严重后果。行业中有的企业发货时采用贴胶带来防端子弯针, 只能防止线束运输过程中磕碰端子弯针故障, 无法控制护套对配造成的弯针。我们课题组开发了联动式固定卡的专利结构(图16)来防止发货和对插时端子摆动。在不增加工序和使用专用工装的情况下即完全防止了端子运输、装配过程中的端子弯针现象。

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3) 多触点接触。

为了保证电接触的稳定、可靠性, 不仅高压连接器采用冠簧和弹簧增加接触点, 低压连接器也不断出现多触点设计。最近我们课题组设计了一种悬臂-简支梁多触点结构插座端子(图17), 采用悬臂-简支梁弹片结构, 当插头端子插头插入稳定时, b点与插座端子箱体部底壁内侧接触。悬臂-简支梁弹片中间1个(或以上) 凹点或2个(或以上) 凸点设计, 形成多触点结构。

4) 高速化。

随着5G技术应用及车联网的发展, 对汽车架构的计算能力和数据传输速度要求越来越高。汽车电子架构的不断演变, 车内多样性的数据通信模块及接口需求不断增长, 更需要实现更高速、更精准的通信, 如:集成了局域互联网络(LIN)、控制器局域网络(CAN), 以及百兆, 千兆以太网传输等相关的网关模块, 远程通信、行车记录仪等模块, 射频连接器应用越来越多, 以太网高速连接器也将得到应用(图18)。

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5) 细铝线端子。

细铝导线的应用, 催生了各类适配铝导线的端子开发。为了解决氧化问题, 适配铝导线端子压接结构应有良好的密封结构, 从而使得导体铝不与空气直接接触。Tyco公司开发出了一种适合铝线压接的端子。图19是对应修改后新的端子结构。

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铜铝复合带材冲压端子是细铝线应用的最佳方案之一(图20), 国外该技术已开始应用, 突破铜铝复合带材的制备工艺技术是目前面临的挑战之一。

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6) I-PEX MINIFLEXFPC/FFC连接器

针对柔性电缆连接器最近网上报道的I-PEX MINIFLEXFPC/FFC连接器(图21来源于网络), 称为零插入力(ZIF) 或低插入力(LIF) 连接器。

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对于需要更高FPC 保持力, 可以使用具有FPC开孔锁定功能的附加机械锁定选项来确保安全连接。Molex也开发了具有双底部、底部和顶部触点位置, 提供各种电路尺寸和电缆样式选择FFC和FPC连接器(图22来源于网络), 期望在汽车行业得到应用。

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7) 高压矩形连接器技术。

圆柱型高压连接器为机加工方式, 加工成本高。为降低加工成本连接器企业纷纷研究矩形高压连接器(图23)。

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特别是国际企业开发的叠片式高压连接器(图24) 通过调整叠加的单片弹叉的数量来配置不同电流, 以满足整车系统的不同电流使用环境, 实现模块化配置, 方便后期物料的统一, 具有高压连接器设计的颠覆性。

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8) 高压连接器集成化。

DC/DC、OBC、PTC、PDU等小功率电器高压电电器合并为三合一和多合一(图25) , 高压连接器有合并为一款多线连接器的趋势。

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目前,已有部分车型高压连接器是采用非屏蔽的方式, 把控制EMC的责任全部交给各个用电器件, 采用硬件滤波的方式进行。

9) CAE仿真技术助力连接器设计。

随着开发周期的缩短、新材料及新工艺的应用对连接器的设计开发提出了更高的要求。CAE仿真在连接器前期设计验证中逐步得到应用, 如通过连接器的CAE力学分析(图26) 、热分析(图27) 等来完善连接器的设计, 加快开发速度等。

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10) 装配自动化。

为保证连接器装配的稳定性, 连接器的装配逐步实现了自动化(图28), 相对人工装配不仅保证了产品的稳定性, 而且效率得到了大幅提升。

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03 结论

汽车线束技术在不断提高其安全性的前提下, 向轻量化、高压化、模块化方向发展。线束的关键附件连接器则在通过增加触点、防弯针技术提高其安全稳定性的同时向小型化、高压化、高速化发展。高压连接器则在通过冲压成型的矩形端子来降低成本, 并有集成化的趋势。CAE仿真助力了连接器的设计。自动化装配对保证连接器稳定性、可靠性和提高装配效率具有重要的作用。

作者:赵平堂

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