汽車發(fā)展趨勢為線束開發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)

摘要：

新技術(shù)的迅速引入以及汽車初創(chuàng)公司的蜂擁而入，導(dǎo)致線束開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)。OEM 和初創(chuàng)公司都必須考慮它們集成到車輛中的技術(shù)特性數(shù)量和復(fù)雜度，因?yàn)樗鼈儗?duì)線束重量、線束直徑和成本都有直接的影響。電氣化、自動(dòng)駕駛和駕駛員輔助、人工智能和連接功能，都會(huì)給線束帶來額外的負(fù)擔(dān)。

新技術(shù)的發(fā)展永無止境，當(dāng)它們與現(xiàn)代車輛相結(jié)合，便會(huì)導(dǎo)致一種可稱為 “內(nèi)容困境” 的現(xiàn)象。內(nèi)容困境代表車輛制造商試圖整合到車輛中的技術(shù)內(nèi)容與線束所需的重量、成本和封裝空間之間的沖突。

推動(dòng)內(nèi)容困境的最新技術(shù)趨勢示例包括(圖 1)：

1

電氣化

2

自動(dòng)駕駛

3

人工智能

4

互聯(lián)車輛

電動(dòng)汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵客戶競爭因素在于里程。車輛一次充電能夠行駛的里程越遠(yuǎn)越好。車輛質(zhì)量在決定車輛的行駛里程方面起著關(guān)鍵作用，因此，最大限度減小電動(dòng)汽車的重量，對(duì)于能否面向市場推出具有競爭力的成功車輛至關(guān)重要。然而，新型車輛技術(shù)需要額外的電線和其他電子部件，從而增加了車輛的重量。與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系相比，單單引入電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)便增加了約 30% 的車身重量。

自動(dòng)駕駛需要增加大量硬件冗余和故障安全機(jī)制，以防出現(xiàn)可能意外禁用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。系統(tǒng)冗余至關(guān)重要，因?yàn)槿绻{駛員沒有注意到或主動(dòng)參與駕駛和轉(zhuǎn)向過程，意外故障可能會(huì)導(dǎo)致車輛碰撞。但是，這些安全冗余也會(huì)大幅增加線束的重量和成本。

車輛中的人工智能能夠支持面部識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺和其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過處理和“學(xué)習(xí)”傳入的數(shù)據(jù)來幫助實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶體驗(yàn)和車輛設(shè)置。這需要在整個(gè)車輛中包含無數(shù)的攝像頭和其他硬件。這些攝像頭往往通過同軸電纜或高速數(shù)據(jù)電纜連接到電子控制單元，與傳統(tǒng)的汽車布線相比，這些電纜更粗、更重且更昂貴。

最后一點(diǎn)但同樣重要的是，車輛作為物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的一部分，逐漸變得高度互聯(lián)，從而將車輛轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀冊诩液驮诠ぷ髦械幕ヂ?lián)生活之間的無縫接口。將屏幕和顯示器集成到幾乎任何可以想象到的內(nèi)表面，表明車輛作為娛樂、通信和生產(chǎn)力的樞紐，正在扮演著越來越重要的角色。

所有這些技術(shù)都必須連接到一起，導(dǎo)致線束的重量、直徑和成本不斷增加（圖 2）。一些現(xiàn)代車輛包含近 40 種不同的線束，由大約 700 個(gè)連接器和 3000 多根導(dǎo)線構(gòu)成。如果拆開并拼接為一條連續(xù)的直線，這些電線的長度將會(huì)超過 2.5 英里（4 公里），重量約為 132 磅 （60 公斤）。此外，還可能有 70 多種專用電纜，如同軸電纜、高速數(shù)據(jù)電纜和 USB 電纜等。在老式汽車?yán)铮@一數(shù)字約為 10 種。

那么，今天的汽車制造商應(yīng)如何化解內(nèi)容困境呢？通過引入各種方法，幫助開發(fā)團(tuán)隊(duì)減少增加的內(nèi)容和技術(shù)給線束所需的重量、成本和封裝空間造成的影響。

一種解決方案是開發(fā)可減輕線束重量的技術(shù)。超小直徑布線 (0.13mm2) 就是一個(gè)很好的例子。不幸的是，行業(yè)至今仍難以為所有現(xiàn)有的端子開發(fā)出足夠數(shù)量的能夠壓接到如此小的布線直徑的端子替代物。當(dāng)前市場上的可用產(chǎn)品無法支持大規(guī)模遷移到超小直徑布線。

鋁布線也面臨同樣的境況。對(duì)于小直徑布線而言，純鋁太脆，因此并非可行的選擇。端子供應(yīng)商已紛紛著手開發(fā)適合其端子規(guī)格的最佳鋁合金。這導(dǎo)致市場上出現(xiàn)了各種合金，而且多數(shù)情況下，它們與其他供應(yīng)商的端子互不兼容。反過來，這意味著車輛只有采用一家供應(yīng)商的連接器，才能做到在整車上使用鋁，而這無異于癡人說夢。

另外，改用鋁布線需要壓縮鋁芯，以減小線束尺寸和重量。由于材料特性，鋁線直徑必須增加至不小于某個(gè)尺寸，才能保持與銅布線相同的導(dǎo)電性。在整車甚至在車輛的某個(gè)部分改用直徑更大的鋁線，將會(huì)導(dǎo)致線束尺寸大幅增加，并且需要更多的封裝空間。

找到特種電纜的替代品將會(huì)進(jìn)一步降低線束重量和成本，并縮小線束直徑。未來的攝像頭和顯示器數(shù)量有增無減，因此開發(fā)通過標(biāo)準(zhǔn)化布線傳輸視頻和攝像頭信號(hào)的方法至關(guān)重要?；蛘撸瑢ふ曳椒▽⑦@些信號(hào)多路復(fù)用到一根共用的特種電纜上，并將多個(gè)設(shè)備接入這些電纜，也能產(chǎn)生同樣的效果，即降低線束重量和成本，并縮小線束直徑。

另一種方法是，使用Capital等先進(jìn)的軟件解決方案，它們可支持權(quán)衡研究，優(yōu)化模塊位置和識(shí)別任何可組合的模塊，以節(jié)省重量、成本，并縮小線束尺寸（圖 3）。這種方法能夠比較和分析布局對(duì)線束重量、成本和直徑的影響，因而可支持工程師選擇最優(yōu)的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3Capital 可利用成本、重量和線束尺寸指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡研究,從而優(yōu)化線束設(shè)計(jì).

汽車初創(chuàng)公司的涌現(xiàn)

在過去 10 到 15 年間，汽車行業(yè)在第二種趨勢的推動(dòng)下悄然發(fā)生了一場革命，即汽車初創(chuàng)公司的激增。如今參與市場角逐的不僅僅是福特、大眾或豐田等老牌傳統(tǒng) OEM 了。自 2003 年特斯拉成立以來，越來越多的電動(dòng)車初創(chuàng)公司不斷涌入市場。隨之而來的還有它們獨(dú)有的一系列挑戰(zhàn)。

電動(dòng)車領(lǐng)域的初創(chuàng)公司面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn),例如：

1

緊迫的上市時(shí)間

2

缺乏基礎(chǔ)設(shè)施

3

自下而上的設(shè)計(jì)

4

持續(xù)的變化

縮短產(chǎn)品上市時(shí)間會(huì)導(dǎo)致所謂的時(shí)間困境。老牌 OEM 開發(fā)新車型的周期約為 4 到 5 年。相比之下，大多數(shù)電動(dòng)車初創(chuàng)公司往往將目標(biāo)設(shè)定為在短得多的時(shí)間內(nèi)發(fā)布車輛，有時(shí)甚至不到老牌 OEM 時(shí)間預(yù)算的一半。令這一困境雪上加霜的是，電動(dòng)車初創(chuàng)制造商需要從頭開發(fā)，沒

有任何先前的車輛計(jì)劃可以繼承。上市時(shí)間短促導(dǎo)致迭代周期或開發(fā)階段也很緊張。

縮短迭代周期和開發(fā)階段本身并無大礙，但加上線束開發(fā)所需的較長交貨期，便會(huì)出現(xiàn)問題。從設(shè)計(jì)發(fā)布到產(chǎn)品交付，線束交貨期通常約為 23-26 周。交貨期的差異取決于項(xiàng)目在開發(fā)周期中執(zhí)行的變更數(shù)量和進(jìn)度。為了滿足下一個(gè)開發(fā)階段的截止期限，必須將線束凍結(jié)（此時(shí)數(shù)據(jù)/設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)布，必須通過正式的變更管理流程才能更新），導(dǎo)致兩個(gè)開發(fā)階段間只有極少甚至沒有任何時(shí)間來檢查或?qū)嵤W(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。當(dāng)下一次凍結(jié)來臨時(shí)，車輛測試往往甚至還沒開始。一旦下一個(gè)構(gòu)建階段開始，這可能導(dǎo)致大量的返工工作，或在短時(shí)間內(nèi)提出大量變更請(qǐng)求，以便在下一次凍結(jié)之前，盡快將變更實(shí)施到線束設(shè)計(jì)中。兩種替代方案都有可能導(dǎo)致線束質(zhì)量下降，并在功能驗(yàn)證期間導(dǎo)致不必要的延遲。

Capital 數(shù)字化流程

圖4：自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸通過簡化領(lǐng)域之間的交互來減少線束設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。

縮短工程和制造階段的交貨期可令所有工程團(tuán)隊(duì)獲益。更長的交貨期讓團(tuán)隊(duì)有更多的時(shí)間來查找問題，確定適當(dāng)?shù)牟季€變更，并在設(shè)計(jì)中實(shí)施這些變更，以用于下一個(gè)驗(yàn)證階段。那么如何才能縮短此交貨期？通過消除手動(dòng)步驟，并自動(dòng)將信息從一個(gè)步驟逐級(jí)傳遞到另一個(gè)步驟(圖4)。這將大幅減少錯(cuò)誤，并降低核實(shí)工作結(jié)果的必要性。目標(biāo)是在車輛制造商和供應(yīng)商的工具鏈之間建立無縫的集成。

缺乏基礎(chǔ)設(shè)施

致力開發(fā)新型車輛的初創(chuàng)公司還必須應(yīng)對(duì)缺乏業(yè)務(wù)和工程基礎(chǔ)設(shè)施的問題。初創(chuàng)公司的早期階段沒有適當(dāng)?shù)牧鞒?。具體而言，在布線開發(fā)方面,沒有任何有助于收集、組織和驗(yàn)證線束設(shè)計(jì)所需電氣數(shù)據(jù)的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)庫。初創(chuàng)廠商也沒有經(jīng)認(rèn)證的連接器、端子、密封和其他附件的元件庫。在 OEM,這類基礎(chǔ)設(shè)施由來已久,并且經(jīng)過了長期測試。而在初創(chuàng)公司,所有這一切都必須重起爐灶,在資源和時(shí)間有限的情況下需要投入大量的時(shí)間和精力。

隨著越來越多的初創(chuàng)公司進(jìn)入市場,采用集成的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)庫和元件庫的開發(fā)工具將為布線團(tuán)隊(duì)帶來長遠(yuǎn)的優(yōu)勢。它們無需通過 Excel 工作表收集繁瑣的數(shù)據(jù)，也無需通過容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的過程，將數(shù)據(jù)手動(dòng)傳輸?shù)竭壿嬙韴D中。線束開發(fā)工具將會(huì)簡化和自動(dòng)執(zhí)行該過程,從早期設(shè)計(jì)階段開始，減少錯(cuò)誤并提高整體線束質(zhì)量。

這類數(shù)據(jù)庫還可以運(yùn)行自動(dòng)報(bào)告,以獲得開路電路、缺少的負(fù)載等信息。實(shí)施元件庫后，將會(huì)大幅減少為尋找端子、密封或配對(duì)連接器的零件號(hào)而進(jìn)行零件研究的需求。由于操作員的失誤或關(guān)于端視圖定義的錯(cuò)誤信息而引起的連接器管腳錯(cuò)誤是最常見的錯(cuò)誤之一。元件庫將會(huì)提供每個(gè)零件號(hào)的端視圖，從而消除在為空腔指定管腳號(hào)時(shí)的猜測,并預(yù)防這類錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)差異

通常情況下,成熟的 OEM 采用自上而下的方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在自上而下的方法中，系統(tǒng)被分解為子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)再進(jìn)一步細(xì)分為部件。然后對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行定制設(shè)計(jì),以支持特定的車輛特性并遵循特定的要求,例如,使用核準(zhǔn)供應(yīng)商提供的有限系列的連接器。

初創(chuàng)公司存在時(shí)間和預(yù)算限制,往往不允許采用自上而下的方法。相反,工程團(tuán)隊(duì)會(huì)使用自下而上的車輛設(shè)計(jì)。工程團(tuán)隊(duì)被指示使用最適合預(yù)期應(yīng)用的現(xiàn)貨零件。之后,系統(tǒng)工程和布線團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是，嘗試將所有這些拼圖拼接到一起，構(gòu)成車輛功能并建立連接。不幸的是,除非進(jìn)行大筆投資,否則將無法更改或定制現(xiàn)貨零件。這通常會(huì)造成一些妥協(xié),導(dǎo)致在線束中增加集成零件所需的布線。

此外,布線團(tuán)隊(duì)無法獲得一些精選和核準(zhǔn)的連接器系列,而是往往被迫采用各種類型的連接器,這些連接器可能缺乏 USCAR 認(rèn)證、難以采購,或者質(zhì)量和制造都不盡人意。理想的線束開發(fā)工具必須能夠支持自下而上的設(shè)計(jì)流程和多種連接器類型。

變更管理

在初始創(chuàng)建階段之后,布線工程師的大部分工作都與實(shí)施變更有關(guān)。希臘哲學(xué)家赫拉克利特斯說過：“一切都在變化,沒有什么是一成不變的”。這正是布線工程師的日常工作。線束設(shè)計(jì)和工程永遠(yuǎn)存在變化。在初創(chuàng)公司,由于時(shí)間限制更為嚴(yán)格,所以普遍存在臨時(shí)流程和工程師新手。

幾乎每周都會(huì)有新的專家加入不同的部門,為團(tuán)隊(duì)帶來新的見解。其中可能包括解決問題的更優(yōu)方法,或者他們在以前的角色中所接觸或開發(fā)的新技術(shù)。這些新團(tuán)隊(duì)成員很希望留下他們的印記,初創(chuàng)公司也亟需這樣的輸入。因此,這些想法可能會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)得以實(shí)施,但卻很少考慮整體系統(tǒng)方面的影響。不僅如此,環(huán)境中僅僅部署很少的流程,變更規(guī)程仍處于起步階段。在這樣的環(huán)境中,變更很不統(tǒng)一,導(dǎo)致跟蹤最新的設(shè)計(jì)修訂難度極大。

相比之下,傳統(tǒng) OEM 已經(jīng)建立起高效、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖兏芾砹鞒?。這些流程經(jīng)過多年的項(xiàng)目優(yōu)化，具有很高的組織支持率。而在創(chuàng)業(yè)公司則不然。無論凍結(jié)日期或當(dāng)前項(xiàng)目階段如何,總會(huì)持續(xù)產(chǎn)生變更請(qǐng)求。

此外,并非所有供應(yīng)商都是從項(xiàng)目開始便確定不變,這也導(dǎo)致了反復(fù)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)變更需求。某些零件的采購可能需要很長時(shí)間。作為權(quán)宜之計(jì),工程師采用估算數(shù)據(jù)來滿足前幾個(gè)線束凍結(jié)日期的要求。完成供應(yīng)商采購后,實(shí)際要求經(jīng)常與工程師的假設(shè)不符,要讓零件正常工作便需要變更單。某些情況下,供應(yīng)商無法滿足計(jì)劃時(shí)間,甚至決定終止參與。這就意味著必須重新采購零件。新零件很少精確符合原始零件的電氣規(guī)格。這又會(huì)導(dǎo)致更多修改線束的變更請(qǐng)求。

因此,在項(xiàng)目早期制定一種結(jié)構(gòu)化和規(guī)范化的變更管理方法極為重要。同樣,先進(jìn)的線束開發(fā)工具組合可以提供優(yōu)雅的解決方案。前面討論的集成設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)庫可以強(qiáng)化某些變更控制機(jī)制。利用這些增強(qiáng)功能,該數(shù)據(jù)庫可立即提供必要的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)變更管理（圖 5）。

圖5現(xiàn)代線束設(shè)計(jì)解決方案包含自動(dòng)變更管理解決方案。

設(shè)備的發(fā)布工程師可以直接在數(shù)據(jù)庫中起草設(shè)備傳輸并提交以供批準(zhǔn)。獲得批準(zhǔn)后，變更將在邏輯原理圖中自動(dòng)更新。這便消除了從 Excel 文件手動(dòng)更新原理圖這一極易出錯(cuò)的過程。它還可以防止發(fā)布工程師對(duì)從其硬盤上找到的過時(shí)的本地副本執(zhí)行更改，以及覆蓋自上次更新以來對(duì)設(shè)備傳輸所做的更改。最后，對(duì)于每組已發(fā)布的邏輯原理圖，將會(huì)在每個(gè)版本中實(shí)施自動(dòng)生成的變更請(qǐng)求清單，從而將每項(xiàng)變更鏈回到特定的線束修訂，以供將來參考。

全新的挑戰(zhàn)需要全新的解決方案

新技術(shù)的迅速引入以及汽車初創(chuàng)公司的蜂擁而入，導(dǎo)致線束開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)。OEM 和初創(chuàng)公司都必須考慮它們集成到車輛中的技術(shù)特性數(shù)量和復(fù)雜度，因?yàn)樗鼈儗?duì)線束重量、線束直徑和成本都有直接的影響。電氣化、自動(dòng)駕駛和駕駛員輔助、人工智能和連接功能，都會(huì)給線束帶來額外的負(fù)擔(dān)。這些功能需要在車輛中引入數(shù)十個(gè)新傳感器，而且所有傳感器必須連接到線束，有時(shí)甚至需要使用特殊布線。

初創(chuàng)汽車公司在爭分奪秒地將產(chǎn)品推向市場時(shí)，面臨著更多的壓力。初創(chuàng)公司缺乏傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)以及為獲得最佳性能而定制設(shè)計(jì)零件所需的資源。沒有這些資源，這些公司的工程師必須采用自下而上的設(shè)計(jì)方法，這種情況下，需要調(diào)整現(xiàn)貨零件以滿足功能要求。初創(chuàng)公司還缺乏成熟的變更管理和跟蹤程序。雖然成熟的 OEM 擁有更成型的變更管理流程，但它們往往依賴于手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入和團(tuán)隊(duì)之間的溝通。這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換不僅低效，而且極易出錯(cuò)。

現(xiàn)代線束設(shè)計(jì)和工程工具為汽車創(chuàng)新帶來的問題提供了優(yōu)雅的解決方案。將Capital等工具與高水平的自動(dòng)化、高級(jí)指標(biāo)和分析功能相結(jié)合，工程師可以進(jìn)行權(quán)衡研究，以優(yōu)化材料、元件布局和布線，實(shí)現(xiàn)線束重量、成本和直徑的最小化。接下來，現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具可以自動(dòng)執(zhí)行工程團(tuán)隊(duì)之間甚至制造商和供應(yīng)商之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最后，創(chuàng)新的線束設(shè)計(jì)軟件套件具有集成的變更管理工具，可確保所有團(tuán)隊(duì)使用最新數(shù)據(jù)。通過采用這些解決方案，老牌汽車 OEM 和初創(chuàng)公司都能更好地應(yīng)對(duì)新汽車領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

審核編輯 ：李倩