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The Research of Smart Vehicle Harness Design Based on New Architecture
YAN Xin-xing1， LI Yu-qing2， LI Guo-qing1， XU Hai-liang1
（1.BAIC Motor Corporation LTD， Beijing，101300，China; 2.Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）
Abstract：With the development of the automobile towards electric， intelligent and network connection， the functions of the electric appliances of the whole vehicle are becoming more and more complex. People are more and more desirous of humanizing the vehicle and demanding more and more on the nervous system（wiring harness） of the automobile.In this paper， the design of vehicle wiring harness is studied from the perspective of the new structure of automotive electronics and electricity， so as to improve the reliability of the vehicle， reduce the cost and improve the electrical connection performance.
Key words： New Architecture; Vehicle Harness; Reliability; Electrical connection performance; Cost
1 前言
近幾年，我国社会经济发展迅速，国民生活水平有了大幅度提高，汽车作为一种便捷的交通运输工具，在人们生活、工作中有着越来越广泛且深入的应用。随着我国汽车产业的日渐成熟，竞争日益激烈，各主机厂家对各细分市场的争夺趋于白热化，车型配置越来越高，特别是电气化功能越来越多，在车型技术和性能参数相差不大的前提下，价格和质量成了左右消费者购买意愿的关键因素，因此如何在实现越来越多电气功能的前提下，高质量、低成本的完成线束设计，成了摆在所有线束设计工程师面前的课题。本文从成本的角度、电连接性能以及汽车电子电气新架构角度出发，对整车线束的设计进行了研究，达到了提高车辆可靠性、降低成本、提升电连接性能的目的[1]。
2 汽车新架构介绍
2.1 电子电气架构对汽车影响
随着社会经济迅速发展，人民的生活水平大幅度提升，汽车作为一种便捷的交通运输工具，在人们生活、工作中有着越来越广泛且深入的作用。随着汽车向电动化、智能化、网联化方向发展，汽车功能配置复杂度要求越来越高，整车电器功能越来越复杂，为实现这些功能配置电子电气系统也越来越复杂，同时电子电气系统的成本压力也越来越大，对电子电气系统的要求也日益提高。因此，电子电气架构EEA（Electronic & Electrical Architecture）应运而生[2]。
电子电气架构起到电子电气系统总布置的功能。在功能需求、法规和设计要求等特定约束下，通过对功能、性能、成本和装配等各方面进行分析，所得到最优的电子电气系统模型。就现代汽车制造业来说，汽车电子电气架构设计集中反映出消费者对于汽车舒适度、人性化、智能化以及美观性的消费需求。同时，汽车电子电气架构是一项系统、复杂的工作，广泛涉及软件、硬件、网络、线路等多方面内容。
2.2 电子电气架构设计流程
针对汽车电子电气架构的设计，国际通用的开发模式为V模式开发流程。电子电气架构整体设计工作和流程优化，需要遵循六个步骤进行，电子电气架构开发流程见图1。
1）对于汽车功能需求进行定义。在该阶段实施期间，需要根据市场对汽车的实际需求、客户的具体需求进行分析，并对这些数据进行整理、分析以及统计等工作，保证在初期工作中，能够对整车需求进行统计与评估，也能对进电子电器系统需求进行定义，这样才能使电气测试规范的制定满足相关需求。
2）对整个电子电器系统的架构进行设计，保证其制定的合理性。期间，需要根据电子电气系统的实际需求，对各个系统以及电气加工方案进行合理制定，在整体上，保证整车电子电气架构方案物理、逻辑架构的充分设计[3]。
3）对电子电器件进行具体设计。在实际工作执行期间，需要根据一个环节，对电子电气架构方案进行物理、逻辑的优化设计，保证在真正含义能够促进电气电器件解决方案的优化设计。对于电子电气系统，其中存在电气器件、软件、机械等，基于其中的相关需求，促进设计工作的有效执行，保证爱测试的规范性以及操作工作的合理性。
4）电子电器件、相关设备的开发。在该阶段实际执行过程中，需要对电子电器件进行合理研究。基于设计系统硬件、软件、机械系统需求的设计，保证各个分工工作在零件供应商方面进行完成。在工作中还需要注意到：零件供应商的工作阶段，要根据自身测试规范，对电子器件进行合理验证，以保证电子器件的构建满足汽车厂家的设计要求，符合硬件、软件、机械系统的开发。
5）对整车系统架构的设计方案进行验证。在实际验证工作中，要基于相关的测试规范，为其找出适合整车电子电气架构方案验证工作。
6）在對整车电子电气架构设计目标进行验证期间，需要对存在的目标可信性进行思考，保证电子电气架构设计需求目标得以优化实现。
2.3 电子电气架构发展趋势
随着汽车向电动化、智能化、网联化方向发展，整车电器功能越来越复杂，为实现复杂度越来越高的汽车功能配置，汽车电子电气系统也在不断进行适用性调整，出现各式各样的汽车电子电气新架构。
汽车电子电气新架构总体发展方向主要如下几个方面：
1）电控单元（ECU）的整合程度将提升，控制单元的集成化越来越高，单个控制器的功能范围扩大，整车的控制器数量呈现下降趋势[4]。
2）车载传感器数量将飞速增加，为确保车辆有充足的安全冗余，汽车将安装具有多个具备相似功能的传感器。从长期考虑，汽车行业将开发更完善的传感器解决方案来减少传感器数量和成本，从而使汽车的成本下降。
3）传感器将更智能，为实现信息传输的高效性，集成化的智能传感器将需要完成部分传统ECU完成的工作。为确保传感器的正常运转，新一代传感器清洁系统，例如除冰除尘等，将是新发展趋势。
4）“汽车以太网”势不可挡将成为整车支柱。汽车交互的数据量的提升，互联环境下的安全保障，以及跨行业标准协议的需求很有可能催生汽车以太网。本地互联网络、控制器区域网络等传统网络将继续在汽车上应用，但仅限于封闭式的低级网络。FlexRay和MOST等技术有可能被汽车以太网取代[5]。
5）自动驾驶的应用，需要大量的数据作为支撑，汽车将在云端结合车内及车外信息，不同企业间的数据共享，为汽车行车提供可靠有效的周边行车环境，车辆对数据分析并将基于数据处理结果形成相应的行车方案。
6）汽车与外界交互越来越频繁，汽车不仅是人们出行的行车工具，更作为一种人与外部的载体。AI技术的应用，使人可以与车对话，V to V，V to X的实现，让车有了自己的“语言”。
3 基于新架构的整车线束的设计
3.1 整车线束设计
整车线束设计不仅与电子电气架构有关，还与整车电控单元、传感器等的布置位置，装配工艺要求，整车电源需求，电控单元对线束的布置要求等因素息息相关。从总体上而言，整车线束设计主要包含以下几个方面：整车线束网络拓扑接线设计、整车线束电源分配设计、整车线束搭铁点设计、整车线束单元原理设计、整车线束布置设计[6]-[7]。
3.2 整车线束电源分配设计
整车线束电源分配设计主要是对保险丝、继电器的分配设计。保险丝、继电器一般以电器盒的形式出现在汽车中。按照电器盒在整车上的布置位置[8]，可以将电器盒分为：正极电器盒总成：位于蓄电池正极处。一般由保险丝及正极保护壳组成。主要对整车供电的起到保护作用。前舱电器盒总成：位于前舱的电器盒总成。一般由保险丝、继电器、保护壳等组成，主要针对布置于发动机舱的用电器，对整车线束回路起到电源转换、电流保护的作用。仪表板电器盒总成：安装于仪表板上的电器盒总成，属于室内电器盒总成的一种。一般由保险丝、继电器、保护壳等组成，主要针对布置于室内的用电器，对整车线束回路起到电源转换、电流保护的作用。后背门电器盒总成：安装于后备厢的电器盒总成，属于室内电器盒总成的一种。一般由保险丝、继电器、保护壳等组成，主要针对布置于后背门的用电器[9]，对整车线束回路起到电源转换、电流保护的作用。电器盒按照位置分类见图2。由于混动技术的不断发展，整车电器盒的布置位置也会随着整车布置的优化而不断变化。
基于汽车电子电气新架构的整车线束电源分配设计，主要是指整车电器盒中保险丝、继电器的分配及设计。基于新架构的保险丝、继电器相较于传统汽车电子电气架构，整车保险丝的数量减少，继电器也相应减少，减少了电器盒与线束回路之间的连接，降低了整车线束故障风险点，尤其是智能化电器盒的应用，大大提高了整车线束的电连接可靠性[10]。
3.3 整车线束搭铁点设计
整车线束的搭铁点设计在汽车线束设计中起到重要作用，如果设计不好，就会造成信号干扰，从而影响某些电器的正常功能的实现。
整车线束在搭铁点位置选择上，遵循就近搭铁原则。就其分布而言，应优先选择在车身/底盘各主要梁上。除非有特殊情况，一般不允许使用金属支架搭铁。另外，有特殊布置要求的搭铁点应优先遵守其特殊要求，此技术要求在搭铁点位置设计时应优先满足。对湿区搭铁端子需考虑用带胶热缩管防水处理。
在整车电路接地原理设计中，一般要求搭铁线直接压接到搭铁端子处，中间不允许存在并线打卡情况。但在实际整车线束设计和制作中存在接地回路打卡现象，否则会造成线束接地点数量过多、接地回路绕线，线束直径过大、装配困难、有效布置空间无法满足线束尺寸要求等问题存在，设计时应根据实际状态确定[11]。
基于汽车电子电气新架构的整车线束搭铁点设计，需要注意几个方面。整车线束搭铁点应根据负载的特性以及是否有特殊要求，按照就近原则进行设计。对于整车性能及安全影响大，且易受到其他用电设备干扰的电控单元，这些用电设备的搭铁点需要单独设立。对于影响整车安全性能的用电设备，它的搭铁点不仅需要单独设立，而且为了确认安全可靠性，最好采用复式搭铁。对于信号较弱的用电器的搭铁位置最好也独立，布置位置离用电器较近，以保证信号的真实传递[12]。对于蓄电池负极线束、动力单元搭铁线束用导线的截面积较大，需要控制搭铁的位置，较少导线长度、控制线束走向，以便减少电压降。对于其余没有特殊要求的用电器，可以根据搭铁具体布置位置及功能要求特殊性采取共用搭铁。虽然汽车电子电气新架构的电控单元数量减少，整车线束搭铁点总量下降，但是需要注意的是部分传感器的“信号-”不直接与电控设备相连，在搭铁设计时要考虑传感器的特殊性。
4 总结
汽车电子电气新架构越来越成为实现现代汽车复杂化的整车电器功能的撒手锏，从而适应汽车向电动化、智能化、网联化方向的发展趋势。比亚迪早前宣布在最新的e平台上实现仪表、空调、音响、智能钥匙等控制模块10合1，使整车控制模块线束大幅减少，降低模块故障率以及提升生产装配效率。上汽集团早前推出了基于全新电子电气架构的电动车平台——Double E架构，核心亮点之一是采用了支持海量数据极速传输的以太网技术。阿里巴巴推出的AliOS智联网汽车解决方案，其一大亮点是充分发挥了阿里云在云计算、大数据和人工智能的优势，借助阿里巴巴的生态能力，赋能合作伙伴更好探索“数据x智能”驱动的新型业务模式。
从整车线束的网络拓扑接线设计、整车线束电源分配设计、整车线束搭铁点设计、整车线束单元原理设计、整车线束布置设计这几个主要方面分析结果可知，基于汽车电子电气新的架构整车线束设计，相较于传统的汽车电子电气架构，具有降低整车线束的接插件总量、整车线束回路总数、整车端子数量、CAN通讯网络CAN线总数等优势。综上所述，基于汽车电子电气新架构的整车线束设计，必将达到降低车辆制造成本、提升电连接性能、降低整车重量、提高车辆可靠性的目的。
参考文献：
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[12] 张新丰，杨殿阁，连小珉.汽车电器系统结构的全分布式设计[J].同济大学学报（自然科学版），2012（07）：60-62.
【通联编辑：梁书】