整車電氣原理降成本優化設計

高仕寧，王君君

（一汽研發總院，吉林 長春 130011）

汽車電線束是汽車電路的網絡主體，相當于汽車的神經網絡，沒有電線束也就不存在汽車電路。隨著人們對汽車的安全性、舒適性、經濟性和排放性要求的提高，汽車電線束變得越來越復雜。復雜的系統帶來的是汽車電線束成本的上升。汽車電線束是電氣件中成本構成最復雜，占電氣件成本比例最高的總成件，因此汽車電線束的精益化設計顯得尤為重要。精益化設計不僅能帶來汽車線束總成本的降低，而且有利于實現整車的輕量化。

汽車電線束的設計分為機械部分和整車電氣原理部分。機械部分主要從優化電線束路徑、優化各子部件的用量及優化采購成本等方面考慮降低成本。電氣原理部分則從優化電源分配、搭鐵分配、系統接線原理等方面考慮降低成本。二者是有交集的，在成本優化過程中必須綜合考慮才能達到最佳效果。本文主要以某具體車型項目為例，介紹整車電氣原理方面成本優化的方法及思路。

1 整車電氣原理方案設計優化思路

1.1 電源分配優化

在電線束系統設計流程中，電源分配占據著重要的地位，它是整車原理設計的前提條件，也是保證整車功能可靠的前提條件。一個合理的電源分配可以大大提高車輛可靠性，保證各電子電氣部件的正常工作，并保證車輛的安全性。

汽車電源分配的內容就是合理地給電子電氣部件分配電源和設置熔斷絲，選擇線徑，進行電路保護，并盡量減小某個回路由于過流或短路燒斷熔斷絲后，對其他電路和電子電氣部件的影響。由此可見，電源分配決定了整車熔斷絲和繼電器的使用規格及用量，以及由熔斷絲保護的導線的規格，幾乎涵蓋了電線束總成的大部分子部件。因此，一個合理的電源分配設計對電線束的總成本影響是巨大的。

1.2 搭鐵分配優化

汽車上的搭鐵線是構成電氣回路的不可缺少的組成部分，它將蓄電池的負極與車身鈑金、發動機缸體、變速器殼體連接起來，使得全車各個電氣件通過搭鐵線實現了與蓄電池負極電氣連接，因此搭鐵回路的分配和設計方案，與整車電子電氣系統的功能和性能直接相關。

搭鐵分配設計決定了整車搭鐵點的數量，各用電器搭鐵點的位置，如果設計得不合理，不僅影響電氣系統的使用性能，而且會帶來整車線束成本的增加。因此，搭鐵分配的優化設計是電線束原理成本優化需要考慮的一個重要方向。

1.3 系統接線原理優化

電氣原理設計的目的是實現整車電氣功能，而同一個電氣功能的實現可能會依托于不同的系統接線原理。系統接線原理體現了電氣功能的實現方式，在電氣原理設計過程中，不僅需要保證穩定地實現電氣功能，而且要能達到成本與性能之間的平衡，這是系統接線原理設計優化的重點。

2 電源分配優化

2.1 配電盒方案優化

汽車的電源分配均以配電盒為中樞，配電盒就相當于電線束總成“神經中樞”，整車所有用電器的供電回路大多數都經過配電盒供電。而電源分配的方案決定了整車配電盒的數量、規格及尺寸大小。

以某車型為例，全車共有3個配電盒，即蓄電池正極配電盒、前艙配電盒和儀表板配電盒，如圖1所示。

圖1 某車型配電盒

原蓄電池正極配電盒中放置整車供電的大電流熔斷絲，此設計主要對標某德系合資車型，如圖2所示。這種設計方案的優點是有利于平臺化產品的開發，并降低了通過其它配電盒的最大通過電流。但這種方案最大的缺點是配電盒尺寸大，屬于異型結構，無法借用供應商現有的產品，需要新開模具。這直接帶來了蓄電池正極配電盒成本的增加。

圖2 捷達蓄電池正極配電盒

綜上考慮，此車型電源分配方案成本優化的重點方向是取消蓄電池正極配電盒或選用供應商現有的正極配電盒產品。同時盡量保證對前艙配電盒和儀表板配電盒的影響最小。蓄電池正極配電盒中的熔斷絲容量及用途如表1所示。

表1 蓄電池正極配電盒信息

供應商資源中，用于正極配電盒的現有產品最多為4路輸出。結合此車型正極配電盒現方案的熔斷絲數量，需要將原方案正極配電盒中的一部分熔斷絲重新分配到其余2個配電盒中。其余2個配電盒中無MIDI熔斷絲的預留位置，為保證不改動其余2個配電盒的結構，需要考慮優化電源分配方案，從而降低原MIDI熔斷絲的容量。對原正極配電盒中的熔斷絲逐一進行分析如下。

2.1.1 PF01熔斷絲

蓄電池傳感器用于檢測蓄電池的狀態，對電壓信號的精度要求非常高，其電源回路要求任何工況下從蓄電池正極到傳感器接線端子上的壓降必須＜1 mV，所以此電源回路中的熔斷絲和導線不能與其它回路共用，而且導線的線徑和長度的選擇，都要經過理論計算，保證滿足上述回路壓降要求。優化方案的回路路徑及各分支導線長度見圖3。蓄電池傳感器的最大工作電流為0.022 5 A，根據回路長度及線徑計算的回路電阻為40.6 mΩ，經計算，從蓄電池正極到蓄電池傳感器正極的最大電壓降為0.91 mV，滿足回路電壓降要求。

圖3 蓄電池傳感器回路信息

2.1.2 PF02熔斷絲

前艙配電盒供電的電線束路徑是從蓄電池正極配電盒到前艙配電盒正極，此回路總長度為610 mm。根據經驗，蓄電池到前艙熔斷絲盒的電源線，如果足夠短 (一般是小于1 000 mm，且周邊環境安全，造成該電路失效的機會極低)，可以不加熔斷絲保護。因此，這個熔斷絲可以取消。如圖4所示。

圖4 前艙配電盒電源線路徑

2.1.3 PF03熔斷絲

備用熔斷絲，經對標同類車型均沒有預留MIDI熔斷絲，因此優化設計取消此備用熔斷絲。

2.1.4 PF04、PF07熔斷絲

發電機熔斷絲和EPS熔斷絲需要保留，如果布置到前艙配電盒，不但會增加前艙配電盒的最大電流，而且相應的線束會加長，不利于成本優化。因此這2個熔斷絲依舊布置在蓄電池正極配電盒中。

2.1.5 PF05、PF06熔斷絲

PF05、PF06是給儀表板配電盒供電的熔斷絲，PF05對應BB1+接線柱，PF06對應BB2+接線柱。熔斷絲容量是根據各自所帶負載的電流值進行選擇的，如果在當前電源分配的方案下，將這2個MIDI熔斷絲布置到前艙配電盒中，由于前艙配電盒中無MIDI熔斷絲的預留空間，因此需要更改前艙配電盒結構，無法繼續使用目前的配電盒結構。此車型儀表板配電盒的內部排位圖見圖5。需要通過詳細分析PF05和PF06熔斷絲所帶的負載電流值，從而考慮優化電源分配方案來降低熔斷絲容量。

上述2個熔斷絲所帶負載情況見表2和表3。表中“權重”的數值取決于負載類型，代表相應負載電流值對上游熔斷絲總通過電流的貢獻值。例如點煙器屬于長時工作負載，則權重值定義為1。門鎖只在開鎖或解鎖時工作，屬于短時工作負載，則權重定義為0.1。

圖5 儀表板配電盒排位圖

表2 PF05-80A熔斷絲MIDI所帶負載

如表2所示，PF05熔斷絲所帶負載的最大加權電流值為56.47 A，此熔斷絲容量可以由80 A降低至60 A。熔斷絲類型由MIDI改為JCASE。

如表3所示，PF06熔斷絲所帶負載的最大加權電流值為150 A，目前PF06熔斷絲的容量為100 A，MIDI保險絲屬于慢熔熔斷絲，可以承受短時過載。表4是力特100 A的MIDI熔斷絲過載熔斷時間，PF06熔斷絲最大過載電流時150 A，相當于150%過載。如表4所示，熔斷絲的熔斷時間為90 s至3 600 s。結合負載的使用情況，最大電流的持續時間不會超過90 s，因此100 A慢熔熔斷絲可以滿足使用要求。如果要將PF06熔斷絲類型由MIDI改為JCASE，則惟一的途徑就是將PF06熔斷絲所帶的大電流負載重新分配到前艙配電盒。如表5所示，大電流負載為鼓風機、3個門窗電機、后除霜加熱。除去大電流負載，PF06熔斷絲所帶負載的加權最大電流值減小到73.84 A，如果選用60 A的JCASE熔斷絲，相當于120%過載，如表6所示，熔斷時間大于60 s，可以滿足電路保護要求。

表3 PF06-100A熔斷絲所帶負載

表4 PF06熔斷絲過載熔斷時間 （100A-MIDI）

表5 PF06熔斷絲大電流負載

表6 60A-JCASE熔斷絲過載熔斷時間

根據上述分析結果，電源分配的優化包括如下幾點。

1)為保證蓄電池正極到蓄電池傳感器的電壓降要求，蓄電池傳感器的回路線徑由原來的0.5 mm2增大到0.75 mm2。回路導線總用量由原來的300 mm增加到1 645 mm。

2)將儀表板配電盒中的IF34(電動窗熔斷絲)、IF25(鼓風機熔斷絲)、IF45(后除霜熔斷絲)3個熔斷絲取消作為預留。占用前艙配電盒EF15(電動窗熔斷絲)、EF22(鼓風機熔斷絲)、EF27(后除霜熔斷絲)3個熔斷絲。

3)原蓄電池正極配電盒中的PF05和PF06熔斷絲容量降低至60 A，并改為JCASE類型熔斷絲。分別占用前艙配電盒EF17和EF18熔斷絲。熔斷絲容量的降低意味著其保護的導線線徑也可以降低，因此儀表板配電盒供電的兩根導線可由原8 mm2和10 mm2降低至6 mm2。

4)前艙配電盒的負載增加了，相應的供電線徑要加粗，由原來的16 mm2加粗至25 mm2。

根據上述優化方案，蓄電池正極配電盒中的熔斷絲減少為2個，即PF04(發電機熔斷絲)和PF07(EPS熔斷絲)，再加上起動機電源線和前艙配電盒電源線，剛好是4路輸出。優化后的蓄電池配電盒方案如圖6所示。

圖6 蓄電池正極配電盒優化方案

配電盒優化方案的成本分析結果見表7。

表7 某車型配電盒優化成本分析表

2.2 熔斷絲優化思路

電氣件電源回路的熔斷絲共用方案應該遵循以下原則。

1)相同電源類型是電氣件熔斷絲共用的必要非充分條件。

2)相同安全等級的電氣件且從屬于一個電氣子系統的電源回路可以共用熔斷絲。

3)工作電流＜1 A的電氣件負載，盡管其物理類型不同，但是其熔斷絲可以共用。

4)不同安全等級的電氣件電源回路不能共用熔斷絲，避免出現等級低的電氣件電源回路短路或過載而導致熔斷絲熔斷，從而影響了安全等級高的電氣件正常工作。

5)安全等級為1級的電氣件電源回路應該單獨設置熔斷絲，不能與其它電氣件負載共用。

6)工作電流值≥30 A的電氣件負載其熔斷絲應該單獨的，不能與其它電氣件負載共用，如ABS/ESP、EPS/EHPS、冷卻風扇、鼓風機等。

7)有些與行車安全相關的電氣件負載，雖然其電源類型相同，工作電流值也不大，但是也不能共用熔斷絲，如左、右燈組。

8)有些關鍵電氣件備份判斷信號的電源回路不能與主信號電源回路共用熔斷絲，如接觸式制動開關的常開和常閉信號的電源回路。

9)外接設備的電源回路最好單獨設置熔斷絲，因為設計師無法約束用戶外接設備的品質，此回路出現短路或過載的幾率比較大，所以不要與其它電氣件負載共用熔斷絲，如點煙器、后備電源、診斷接口電源回路等。

某車型項目的熔斷絲共用方案在設計之初均遵循上述原則。

3 搭鐵分配優化

3.1 搭鐵分配優化思路

電氣件搭鐵點共用方案及成本優化方案應該遵循以下原則。

1)安全等級為1級的控制器如安全氣囊控制器、ECU、TCU、ESP等控制器應單獨搭鐵。

2)工作電流≥30A的電氣件負載應該單獨搭鐵，如冷卻風扇、EPS、鼓風機等。

3)為了避免對信號產生干擾，電氣件負載的功率搭鐵和信號搭鐵不能共用。

4)為了避免干擾音視頻信號，音響單元應該單獨搭鐵。

5)為了降低同時失效的幾率，與行車安全相關的左右對稱電氣件負載不要共用搭鐵，例如左右側前照燈的搭鐵回路。

6)搭鐵回路的導線線徑選擇不一定要與同回路的電源線的線徑保持一致，因為電源線必須滿足電氣件負載過載使用的要求，同時電源線必須與所選用的熔斷絲相匹配，另外還考慮電源回路的導線長度、布置環境和電壓降等要求，而搭鐵回路的線徑選擇主要是由電氣件負載決定的，受環境和電壓降的影響較小，所以某些回路的搭鐵線的線徑會略小于電源線的線徑，這種設計方法既能保證搭鐵性能又能降低導線成本。

7)安全氣囊控制器的搭鐵導線長度應≤200 mm，并且單獨搭鐵。

3.2 搭鐵分配優化方案

根據上述原則，對此車型目前的搭鐵分配進行了優化設計，此車型設計初期基本滿足上述要求，主要根據第6條優化了部分搭鐵回路的導線線徑。經統計，由0.5 mm2導線降低至0.35 mm2的導線共計34.657 m，可降低成本2.77元。

4 系統接線原理優化

整車上每個電氣功能均能夠形成一個獨立的子系統，這個子系統中包含各電氣件及電氣件間的接線關系，接線關系的改變可能會影響電氣功能的實現，因此在考慮優化設計時，務必要注意對電氣功能的影響。下面以某車型組合開關直接驅動遠近光燈項目為例，舉例說明系統接線原理優化的思路和方法。

4.1 原方案

組合開關輸入給BCM，由BCM驅動遠近光燈。操作組合開關接通近光擋或遠光擋時，相當于將對應管腳搭鐵，此搭鐵信息通過硬線反饋給BCM相應管腳，BCM驅動近光燈點亮 (近光擋)或驅動遠光燈電磁閥工作 (遠光擋)。相應的子系統接線原理見圖7。

4.2 優化方案

由組合開關直接驅動遠近光燈工作。通過組合開關控制外部繼電器來實現遠近光燈的工作，當組合開關在近光擋時，遠近光繼電器吸合，此時近光燈點亮。當組合開關在遠光擋時，遠光電磁閥負極通過組合開關搭鐵，遠光電磁閥工作，切換至遠光燈。相應的子系統接線原理見圖8。

圖7 遠近光燈驅動方案--原方案

圖8 遠近光燈驅動方案--優化方案

4.3 方案優化后對功能的影響

1)無法實現伴我回家功能。

2)無法實現自動關閉遠近光燈的功能。

3)近光燈在30電時也可以工作。

4)BCM仍需要接收組合開關控制遠近光燈工作的信號。由于BCM要驅動后霧燈，而后霧燈點亮的前提條件是近光燈、遠光燈或前霧燈點亮，因此BCM需要通過組合開關接收遠近光點亮的信息。

4.4 成本變化

1)BCM減少2個驅動管腳，成本大概降低4元。

2)線徑為0.5 mm2的導線增加1 600 mm，成本大概增加0.5元。

此方案總計降低成本3.5元。

上述方案是某車型系統接線原理優化的實例。通過優化結果可以看出，系統接線原理的優化涉及到子系統內的大部分部件，是成本優化主要的突破口。

5 總結

現代汽車產品的市場競爭越來越激烈，在保證性能的前提下達到成本最優，是各整車廠努力的重點方向。因此，作為產品設計師，在項目開發前期的成本意識顯得尤為重要，有些功能或性能指標的實現需要增加大量的成本，而這些功能可能并不是用戶重點關注的，這就可能引起成本的浪費，因此在設計初期需要通過大量的對標與用戶調查，找到功能、性能與成本的平衡點。本文以某具體車型為例，提供了整車電氣原理方案設計優化的思路和方法，希望能為后續新車型電氣原理方案的制定提供有價值的參考。