汽車線束與連接器技術發展研究

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【摘要】本文介紹了最近行業中汽車線束和連接器的研究進展情況。汽車線束通過高強度0.13mm2電線、鋁線及發泡護板技術來實現輕量化仍是目前重要的趨勢之一。柔性化平面電路（FPC）及平面電纜（FFC）在部分特殊空間得到應用。高壓線束的超聲波焊接因成本低、可靠性好成為目前高壓線束研究的熱點之一。通過模塊化可減少線束的長度。采用無線傳輸是汽車電器工程師追求的最終目標。汽車連接器則在增加觸點、防彎針技術研究的同時向著小型化、高壓化、高速化發展。高壓連接器通過矩形端子降低加工成本的同時有集成化趨勢。連接器的自動化裝配很好地保證了連接器的安全性、穩定性，并提升了裝配效率。

【關鍵詞】汽車；線束；連接器

汽車線束猶如人體的血液與神經系統，貫穿汽車各個部位，連接所有的電子零部件，傳遞電力與數據。線纜即是路徑，連接器即是連接的節點，汽車線束（圖1）是線纜、連接器以及各種附屬零部件的總成，搭建起了汽車電力與數據的網絡。連接器是為汽車電器輸入信號和電源的連接器件，由端子、護套及其附件組成（圖2）。汽車線束與連接器對汽車的安全性、穩定性、可靠性起著至關重要的作用。汽車智能網聯化帶來了信息流大量增加，汽車電子電氣迎來了升級，汽車架構從分布式—域集中—中央計算的方式逐步進化，車身域控制器作為區域決策中心，逐漸被應用。汽車智能網聯化、電動化、5G技術及車載以太網的應用等將引起汽車線束與連接器技術的變革。本文結合課題組與行業的研究成果介紹汽車當前汽車線束和連接器行業技術的發展趨勢。

1汽車線束技術發展

面對汽車電子電器架構的不斷演變，汽車線束將面對新的技術變革。汽車電線束在不斷提高其安全性的前提下向輕量化、高壓化、模塊化及加工智能化的趨勢越來越明顯。基于減小空間、系統降重降低油耗的要求，整車線束中鋁線、高強度細線、護板發泡等線束輕量化技術不斷得到應用。1）細導線技術。汽車上普遍使用的信號線的線徑導線為0.22mm2、0.35mm2，信號線的導線利用率一直很低，0.22mm2、0.35mm2的銅導線可以承受10A左右的電流（環境溫度24℃），但是信號線內真正流通的電流往往只有幾毫安，這樣資源的浪費成為很多線束生產廠家關注的焦點。更小線徑的電線如高強度0.13mm2電線（圖3）代替0.22mm2、0.35mm2的信號線是電線行業未來發展的必然趨勢。細線的應用關鍵在于提高細線的強度及壓接工藝技術的開發[1]。2）鋁導線技術。基于系統降重和成本控制，新型基材鋁及鋁合金導線（圖4）是整車線束輕量化的主要發展方向。鋁（Al）的質量比銅（Cu）輕2/3左右，這種輕型材料可以降低電纜線束的整體質量。即使考慮到導電性和密度的關系，具有相同電阻的鋁線仍然比同等的銅線輕50%左右。鋁是一種供應量充足、容易獲取導電用的基礎材料，其價格將相對穩定且低于銅的價格，對成本有著比較好的控制[2]。鋁線應用關鍵在解決銅鋁接觸的電偶腐蝕問題，目前主要采用銅鋁端子壓接或鋁線與銅端子超聲波焊接的方式來解決電偶腐蝕問題。對于焊接端子結構設計也非常重要，通過專利結構[3]設計（圖5）可以很好保證拉脫力達到銅線的拉脫力。通過銅鋁轉換頭將銅電纜和鋁電纜相連接專利設計（圖6）[4]，也能夠實現鋁電纜替代銅電纜。這樣既保留了銅端子的優點，亦使電線束的質量縮小為原來1/4~1/2，解決了端子空間的限制問題。鋁線技術除在比較粗的汽車蓄電池線應用外，細線上也開始得到應用。鋁線在高壓線束上的應用更有意義[5]，有利于電動車續航里程的增加。3）薄壁（圖7）及新型低密度絕緣材料導線技術。0.13mm2細線采用超薄壁PVC可減重13%，減少體積24%。采用低密度PPE絕緣材料0.35mm2線減重30%，直徑降低27%[6]。4）護板支架的微發泡技術。聚氨酯發泡技術可有效降低線束質量，作為支架可防止翹曲、提高精度、抗油污和粉塵能力強，安裝后沒有噪聲等優點[6]。利用聚氨酯發泡成型完成的線束（圖8來源網絡）具有很好的導向性，安裝方便。工人只需要在拿到線束之后按照成型的方向和路徑就可以一步到位，進行安裝而且不容易出錯，且可依據車身空間做自由的三維造型制成各種不規則形狀。但發泡材料制成的線束需要在前期有很大的固定設備投資，故很多線束廠商沒采用。5）光導纖維技術。基于光導纖維（圖9）數據傳輸技術，實現娛樂系統、空調系統等電子設備的互聯和控制。開發并搭載光導纖維等新型基材導線技術也是整車線束系統輕量化的發展方向之一，同時能優化改變線束布置。6）線束的模塊化設計。線束零部件的組合數量和復雜程度是由車輛配置表上有多少選擇配置來決定的。隨著汽車功能配置的增加，汽車線束越來越復雜。通過低壓線束設計的標準化和功能的模塊化來簡化線束是目前行業追求的目標，特斯拉在線束模塊設計（圖10）上為線束設計提供了一些啟示。7）無線傳輸。云計算和5G的鋪設速度加快，云平臺的計算、存儲能力和5G的傳輸速度為智能座艙的域控制器的大數據量、低延遲需求提供了保障。而其中智能座艙域為汽車近幾年發展的核心。圍繞智能座艙及自動駕駛域控制器的產品也將成為未來需求量最大的產品。智能座艙（圖11）安全性不大的車載連接逐漸開始無線化傳輸的探索研究。8）柔性化平面電路及平面電纜的應用。采用平面材料柔性化平面電路或平面電纜（圖12圖片來源網絡）在配線空間非常有限的汽車車頂、車門等可以在提高車廂空間的前提下保證線束布線的有效性。9）高壓線束超聲波焊接技術。由于大平方超聲波焊接的高壓線束的拉脫力、接觸電阻、穩定性相對傳統的壓接技術具有一定的優勢，超聲波焊接技術開始在高壓線束上得到推廣應用（圖13）。采用導體與高壓端子尾部超聲波焊接的方式來保證其機械和電氣性能，這種方式不僅可以實現銅導體與銅端子的焊接，而且能實現鋁導體與銅端子的焊接[3]。10）電動車電池包銅排或鋁排的應用。緊湊型電池組內，包括硬銅排和軟銅排（圖14）都在新能源汽車電池包中得到應用[7]。為實現輕量化鋁排也開始嘗試應用到電池組內。目前，3D打印技術在線束設計制造上也有技術人員開展探索。

2汽車連接器技術發展

智能網聯、電動化和5G技術以太網的應用同樣也推動著汽車連接器技術的發展。1）小型化。隨著汽車智能化的發展，功能模塊的增加，同樣汽車系統的空間需要擠進更多的模塊。在保證汽車連接的安全、穩定、可靠性的同時，汽車連接器的小型化趨勢明顯。0.64、1.2、1.5規格連接器應用呈增長趨勢（圖15）。2.3規格的連接器應用呈下降趨勢，同時0.5規格的連接器也逐漸開始應用。出于對空間的要求，小Pin距的連接器越來越多。材料與結構的突破使連接器規格變小，載流能力提升。2）超多線連接器防彎針技術。多線連接器端子間相對位置要求更為嚴格，端子中心不一致的細微偏移會引起對插困難、彎針，甚至導致連接失效的嚴重后果。行業中有的企業發貨時采用貼膠帶來防端子彎針，只能防止線束運輸過程中磕碰端子彎針故障，無法控制護套對配造成的彎針。我們課題組開發了聯動式固定卡的專利結構[8]（圖16）來防止發貨和對插時端子擺動。在不增加工序和使用專用工裝的情況下即完全防止了端子運輸、裝配過程中的端子彎針現象。3）多觸點接觸。為了保證電接觸的穩定、可靠性，不僅高壓連接器采用冠簧和彈簧增加接觸點[9]，低壓連接器也不斷出現多觸點設計。最近我們課題組設計了一種懸臂-簡支梁多觸點結構插座端子[10]（圖17），采用懸臂-簡支梁彈片結構，當插頭端子插頭插入穩定時，b點與插座端子箱體部底壁內側接觸。懸臂-簡支梁彈片中間1個（或以上）凹點或2個（或以上）凸點設計，形成多觸點結構。4）高速化。隨著5G技術應用及車聯網的發展，對汽車架構的計算能力和數據傳輸速度要求越來越高。汽車電子架構的不斷演變，車內多樣性的數據通信模塊及接口需求不斷增長，更需要實現更高速、更精準的通信，如：集成了局域互聯網絡（LIN）、控制器局域網絡（CAN），以及百兆，千兆以太網傳輸等相關的網關模塊，遠程通信、行車記錄儀等模塊，射頻連接器應用越來越多，以太網高速連接器也將得到應用（圖18）。5）細鋁線端子。細鋁導線的應用，催生了各類適配鋁導線的端子開發。為了解決氧化問題，適配鋁導線端子壓接結構應有良好的密封結構，從而使得導體鋁不與空氣直接接觸。Tyco公司開發出了一種適合鋁線壓接的端子[11]。圖19是對應修改后新的端子結構。銅鋁復合帶材沖壓端子是細鋁線應用的最佳方案之一（圖20），國外該技術已開始應用，突破銅鋁復合帶材的制備工藝技術是目前面臨的挑戰之一。6）針對柔性電纜連接器最近網上報道的I-PEXMINI-FLEXFPC/FFC連接器（圖21來源于網絡），稱為零插入力（ZIF）或低插入力（LIF）連接器。對于需要更高FPC保持力，可以使用具有FPC開孔鎖定功能的附加機械鎖定選項來確保安全連接。Molex也開發了具有雙底部、底部和頂部觸點位置，提供各種電路尺寸和電纜樣式選擇FFC和FPC連接器（圖22來源于網絡），期望在汽車行業得到應用。7）高壓矩形連接器技術。圓柱型高壓連接器為機加工方式，加工成本高。為降低加工成本連接器企業紛紛研究矩形高壓連接器（圖23）[12]。特別是國際企業開發的疊片式高壓連接器（圖24）[13]通過調整疊加的單片彈叉的數量來配置不同電流，以滿足整車系統的不同電流使用環境，實現模塊化配置，方便后期物料的統一，具有高壓連接器設計的顛覆性。8）高壓連接器集成化。DC/DC、OBC、PTC、PDU等小功率電器高壓電電器合并為三合一和多合一（圖25），高壓連接器有合并為一款多線連接器的趨勢。目前，已有部分車型高壓連接器是采用非屏蔽的方式，把控制EMC的責任全部交給各個用電器件，采用硬件濾波的方式進行。9）CAE仿真技術助力連接器設計。隨著開發周期的縮短、新材料及新工藝的應用對連接器的設計開發提出了更高的要求。CAE仿真在連接器前期設計驗證中逐步得到應用，如通過連接器的CAE力學分析（圖26）、熱分析（圖27）等來完善連接器的設計，加快開發速度等。10）裝配自動化。為保證連接器裝配的穩定性，連接器的裝配逐步實現了自動化（圖28），相對人工裝配不僅保證了產品的穩定性，而且效率得到了大幅提升。

3結論

汽車線束技術在不斷提高其安全性的前提下，向輕量化、高壓化、模塊化方向發展。線束的關鍵附件連接器則在通過增加觸點、防彎針技術提高其安全穩定性的同時向小型化、高壓化、高速化發展。高壓連接器則在通過沖壓成型的矩形端子來降低成本，并有集成化的趨勢。CAE仿真助力了連接器的設計。自動化裝配對保證連接器穩定性、可靠性和提高裝配效率具有重要的作用。

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作者：趙平堂 單位：天海汽車電子集團股份有限公司研究院