整車線束平臺化設計研究與應用

李松原

(東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545006)

0 引言

為降低研發成本，縮短開發周期，平臺化開發策略已成為各大主機廠近幾年的重要戰略舉措之一[1]，由各平臺衍生出來的車型不斷投放市場。為進一步提升零部件通用化率、復用率，零部件平臺化、模塊化開發策略已廣泛應用于白車身、底盤、動力總成相關零部件[2-3]的研發及生產。

線束系統作為整車電氣系統的神經網絡，一直處于匹配系統開發的從屬地位，適應其他系統的布置，匹配用電器端接口定義，應對整車配置定義，最終導致線束系統的零散化和低通用率?，F有線束系統開發模式的不足主要有3個方面[4]：

(1)設計驗證周期長，更改頻繁。在工程設計階段需不斷匹配用電器進行布置，試制階段問題點多，需不斷調整完善并驗證，開發節點不斷延后。

(2)原材料種類多，采購周期長，物資積壓嚴重。多數外購件有最小起訂量及60天以上采購周期的要求，導致線束在試制驗證階段存在到貨困難的問題，而車型一旦轉產切換就會造成大量線束成品、原材料積壓。

(3)通用化率、復用率低。不同車型間線束總成極少具備通用性，原材料復用率低。

為解決上述問題，本文作者提出線束系統平臺化設計理念。在用電器開發初期就參與其接口定義開發，推動用電器接口定義平臺化。同時，從原理、原材料、布置等角度出發，對整車線束進行優化設計，兼顧平臺化、模塊化考慮，實現線束成本的管控。

1 線束系統平臺化概念

線束平臺化概念可分為3個層次：

(1)原材料通用化。以提高原材料通用率、復用率為主要方向。導線、端子、連接器、扎帶、膠套等原材料為線束成本的重要組成部分，較低的復用率將增加線束供應商采購、倉儲的成本與壓力。通過提高車型內及車型間的原材料通用性，可有效降低線束供應商的投入，縮短線束到貨周期。

(2)線束半成品模塊化。不同車型配置的線束原材料、原理及布置基本相同，僅需針對線束半成品的差異配置項進行簡單改制，即可實現跨配置、跨車型間半成品復用，降低積壓風險。

(3)線束總成成品平臺化。通過配置預留等形式，實現不同車型、不同配置間線束總成的完全通用。總成平臺化需同時兼顧成本問題，達到平臺化與線束成本的平衡。

2 線束平臺化設計研究

線束系統平臺化設計策略可從用電器接口定義平臺化、原理平臺化、原材料平臺化及布置平臺化4個方面進行研究，以適應不同層次的線束平臺化概念需求。

2.1 參與用電器接口定義開發及規劃

用電器接口定義[5]包含公、母端接插件、端子型號、腳位定義及腳位排布、腳位的電流類型及電流大小等信息，電機類用電器接口定義還包括相應的電流及堵轉電流等參數。用電器接口定義是實現線束平臺化的基礎，對線束能否實現平臺化起著決定性的作用。由于用電器開發設計師自身連接器知識水平限制及對接口定義的開發關注程度等原因，并未對接口定義的設計予以足夠的重視，導致線束系統的零散化。

為此，在車型開發初期，線束系統即介入到用電器開發中。首先梳理主機廠具有接口定義話語權、可自主確認接口定義的用電器，約16大類，如表1所示。由表1可知，除動力、電噴控制器等用電器接口定義由供應商主導外，大部分用電器可由主機廠主導推進接口定義設計。根據用電器負載類型、腳位需求、防水需求、電流大小、電流類型、布置限制、電源接地需求、成本、系統未來5年技術路線規劃等維度為用電器推薦接口定義方案，并將相關接口定義方案進行凍結，作為該類用電器平臺化的接口定義。為用電器推薦方案時，需考慮端子系列化與平臺化，以減少端子種類。

以前組合燈為例，在燈具造型、工程結構開始構建前，線束即介入其接口定義的開發。前組合燈總成集成近光燈、遠光燈、轉向燈、位置燈、日間行車燈，燈具內部引線至殼體與線束對接，連接器需具備防水功能；根據其供配電原理及控制原理，確認需8個腳位與整車線束對接，最大工作電流約4.58 A；根據殼體結構限制，可提供60 mm×60 mm平面用于插件裝配。同時，根據前組合燈未來規劃，需預留車速信號輸入口用于后續功能升級需求，故綜合選型090系列端子的10孔防水連接器作為前組合燈平臺化對接插件方案，并對其腳位定義進行固化。

表1 線束系統可介入開發的用電器

2.2 原理平臺化

用電器接口定義平臺化可大幅度提升線束系統原材料通用化率及復用率，為實現線束半成品模塊化、成品通用化需對整車線束原理進行平臺化設計。

2.2.1 電源分配平臺化

通過梳理各用電器接口定義及未來系統規劃，可進一步對整車線束電源分配進行平臺化設計。整車電源分配需先將各用電器電源需求分類，再遵循相關原則進行平臺化設計。主要考慮以下原則：

(1)重保件[6]電源與舒適電源不共用保險保護。重保件指影響車輛行駛安全的重要用電器，主要包括ECU、電噴系統、防盜系統、ESP、智能駕駛系統等。重保件電源不與舒適類用電器電源共用，以確保車輛可正常行駛。ECU、ESP等易受其他用電器干擾的用電器需單獨設置保險。

(2)為不同負載類型、電源類型用電器設置相應的保險類型。根據不同負載類型將用電器歸類，阻性負載與感性負載做保險區隔；根據電流類型(穩態電流、浪涌電流)選用相應的保險類型。

(3)需對外部燈具類電源、BCM燈具類電源左右光源進行保險區隔，以確保車輛行駛安全。

(4)應確保同一保險下的所有分支回路均被保護。

(5)應針對不同負載類型選取繼電器型號。燈具類、電機類負載啟動時存在較大的沖擊電流，會使繼電器觸點熔融、黏連[7]，存在失效風險，因此需根據控制負載的要求，確定是否需要在繼電器線圈端并聯二極管。

(6)針對用電器負載時間長短可將用電器分為長時負載用電器、短時負載用電器及隨機使用用電器。需合理布置長時負載用電器相關保險、繼電器，以防熱量集中，導致用電器失效。

2.2.2 接地分配平臺化

用電器接地可大致分為信號地與功率地，兩類接地在設計時應盡可能遠離，相同類型的可考慮共地。數字電路的抗干擾能力較強，可與部分功率電路共地。模擬信號自身很微弱，易被干擾，不宜與數字信號回路及功率回路共地。同時，接地設計應充分考慮車型、配置規劃，提前將規劃預留配置、用電器接地納入接地平臺化設計。

在共地接地類型上，有串聯接地及并聯接地2種類型[8]，串聯接地便于布置，成本低，但存在公共阻抗耦合的缺點，適合相互之間無干擾的用電器共地使用；并聯接地與之相反，無公共阻抗耦合，但導線較多，不利于布置，增加成本，因此適用于工作電壓、電流相差較大的用電器。

以圖1所示的某車型機艙接地點為例，該接地點同時包含了串聯接地及并聯接地：前照燈、霧燈、日間行車燈、大燈高度調節器、前喇叭都屬于小功率用電器，電子扇屬于大功率用電器，它們屬于可共地類型；電子扇的接地回路采用了并聯接地的方式，防止其他用電器接入該接地主干，減少對其他用電器的干擾；高音與低音電喇叭接地、左前霧燈與日間行車燈接地，這兩股分支的接地工作電壓和電流相差不大，可分別采用串聯接地，控制導線成本。

圖1 共地接地類型

2.2.3 線束分段及線線對接平臺化

線束分段及線線對接是線束半成品模塊化、線束總成成品平臺化的重要基礎，也是整車線束的主要成本來源。整車線束總成間線線對接數量可達19對，合理的線束分段及線線對接規劃將有利于整車線束成本控制，實現跨車型、跨配置的線束復用。

線束分段除考慮整車裝配、模塊化需求外，還需兼顧線束成本及總成的通用化率。通過與制造、工藝板塊共同評審,盡可能減少線束分段。例如，因考慮某車型下車體線束裝配、運輸等因素，原方案設計分段為左車身線束及右車身線束，兩種線束在前排座椅下部設置對接，需使用一對20孔位線線對接方案。為降低整車線束成本，減少分段，提出將兩種線束整合為一種車身線束總成：左右車身線束相互纏繞，總裝裝配時不易區分，在線束廠下線包裝時即將左右車身線束分別卷收，分別捆扎，總裝裝配時只需找到較大捆的線束，大捆線束即為車身線束總成左車身部分。通過包裝方式改變克服總裝裝配問題，優化線束分段，從而實現線束成本控制。

對整車線束分段進行規劃后，需對線線對接方案進行平臺化設計。線線對接方案最重要的指標是可擴展性，孔位預留方案應能滿足全平臺車型未來5年的配置升級需求，近幾年逐漸流行的框架堆棧式線線對接方案正是為提升擴展性而衍生出的解決方案，且正逐步在各大主機廠普及。線線對接方案平臺化設計應遵循以下原則:

(1)結合平臺車型動力總成、配置規劃，對各段線束對接孔位數進行規劃、預留，對接孔位數應能滿足車型未來5年的升級需求。

(2)線線對接各孔位、腳位定義平臺化。每個孔位對應1種或幾種腳位定義，1個孔對應幾種腳位定義時，應確保相應的配置不會同時出現。如離合傳感器與TCU不會在同一車型配置中出現，這兩類用電器信號回路可共用線線對接孔位的腳位定義。

(3)兩線束總成間線線對接孔位需求數量在不同車型、不同配置間差異較大時，應盡量考慮采用多個連接器組合的形式來滿足需求，使對接方案更為靈活。

(4)基礎配置、關聯配置或綁定配置對接腳位盡可能設計在同一連接器內，確保車型盡可能地少使用對接連接器。

2.3 原材料平臺化

線束原材料平臺化主要可細化為以下兩點：(1)原材料跨車型復用，提高原材料的通用化率；(2)需根據車型、配置的定義實現原材料等功能替代預留，實現線束成本的有效管控。

2.3.1 配電盒平臺化

配電盒作為整車線束中最重要的原材料，其成本約占整車線束成本的8%。供配電原理實現平臺化設計后，配電盒可實現跨車型通用。配電盒保險、繼電器插座數應在配電原理規劃基礎上進行適當預留，以便規劃外的功能引入；同時，針對低價車型需同時預留低配方案。如圖2所示，某車型平臺的平臺化機艙配電盒分為高配及低配兩種，但它們的固定方式、進出配電盒線束走向完全相同，白車身無需針對配電盒區分焊接狀態，周邊系統也無需針對配電盒高低配狀態進行調整。高配配電盒快熔保險、慢熔保險、繼電器插座數量較低配配電盒分別增加40%、53%及70%，可滿足平臺未來5年的產品規劃；低配配電盒成本僅為高配配電盒成本的51%，可滿足平臺低配車型成本管控需求。

圖2 平臺化機艙配電盒

2.3.2 連接器平臺化

連接器包含端子及接插件，是整車線束原材料的主要組成部分。在接口定義平臺化后整車線束端子及接插件即完成初步的平臺化設計，跨車型間連接器種類、數量保持不變。此外，為進一步實現整車線束成本管控，需在連接器種類通用化的基礎上，實現連接器等功能替代，建立連接器高、中、低配平臺化矩陣。

為實現連接器高、中、低配平臺化矩陣，首先應建立連接器等功能替代試驗規范，根據規范驗證端子及接插件性能是否滿足替代要求。試驗項目包含端子間的保持力、端子在接插件中的拔出力、電壓降、接插件尺寸檢查、接插件間插拔力、接觸電阻、振動試驗、防水性能等。將通過等功能替代試驗的連接器替代方案搭載在試驗樣車上進行路試，對其可靠性進一步檢驗。最終將根據通過試驗的等功能替代連接器方案的成本情況，將其納入平臺化矩陣中，在不同價格區間的車型項目上對應使用。

2.3.3 線色平臺化

導線的總成本約占整車線束總成本的30%，是線束的重要原材料。導線除線型需統一外，顏色也是影響線束平臺化的重要因素之一。不同的線色有利于供應商提高生產效率，同時便于售后維修，但較多的線色不僅增加線束原材料種類數量，也增加線束供應商的庫存壓力。商用車多采用純白導線生產線束，乘用車由于功能配置較多，回路腳位數量較商用車多，采用純白導線方案生產制造、售后維修均存在困難，此方案不適用于乘用車整車線束。

為此，提出一種線色平臺化方案，以單色線為基礎，通過雙絞線、不同線徑、合理的腳位排布，使用12種線色實現整車線束腳位的區分，具體應用如表2。

表2 線色功能定義

12種線色平臺化方案具體實施原則如下：

(1)同一裝配工位、相同線徑的導線顏色應互不相同；若無法滿足，導線應進行標記區分。

(2)同一接插件內，相鄰2個孔位導線顏色應互不相同。

2.4 布置平臺化

線束布置平臺化可有效減少扎帶類原材料種類，提高原材料復用率，同時可提高線束成品通用率。在線束固定方式上，對線束固定方式進行固化，固定開孔需求限定為7 mm×12 mm長圓孔、φ7 mm圓孔等形式，進而對卡扣形式、型號進一步固化，對白車身等系統開孔需求平臺化輸出。在線束走向上，平臺車型間相同邊界下走向保持一致，可縮短驗證周期及開發周期，并提高線束半成品模塊化率及成品通用化率。

3 實車應用

將整車線束平臺化理念應用于某平臺化SUV車型中。在車型開發前期，線束系統累計參與24個系統接口定義規劃，推動其接口定義平臺化。此外，從平臺化理念角度出發，基于線束系統對用電器技術路線的選取提出意見。以左前車門玻璃升降開關為例，原開關方案采用模擬信號硬線連接，需14個腳位與整車線束連接。車型規劃包含高清全景環視配置，車門線線對接方案需包含FAKRA對接方案，因此在車門過孔孔徑一定的前提下，應盡量減少線線對接孔位數需求。為此，在線束系統推動下，將左前車門玻璃升降開關的模擬信號改為數字信號，采用LIN總線通信方式，腳位需求降低至5個，減小了車門線線對接方案腳位需求的壓力。

在原理、原材料平臺化設計方面，重點對配電、接地、線線對接方案進行設計。通過平臺化設計配電原理，在最高配車型上配電盒仍有相應的繼電器、保險插座預留，便于后續升級。同時，全系配電方案統一，配電說明標簽僅一種狀態，配電盒上蓋狀態減少至1種，如圖3所示。經過接地分配，全車預留23處接地點，且根據線徑規格僅需6種孔式端子即可滿足所有接地點的使用要求。

圖3 配電原理平臺化

線線對接方案采用框架堆棧式結構，如圖4所示?？蚣芊謩e布置于左右A柱下方，共集成10對連接器，可實現機艙線束與儀表線束、儀表線束與車身線束的線線對接，共計314個孔位。56孔對接連接器具備拉柄，可減少多孔位插件的裝配難

度。線線對接方案端子實現平臺化，025系列端子僅1個型號、090系列端子需4個型號，即可適應0.3～3.0 mm2導線的對接需求。同時，框架兩處預留FAKRA對接方案，以滿足高清全景環視配置下前、后高清攝像頭的線線對接需求。儀表線束線線對接均為公端連接器連接，框架與公端連接器組合完畢后集成于儀表線束總成中，采用卡扣形式直接固定于白車身上，無需額外標準件固定。母端連接器插接方向均為-x軸方向，確保了裝配可行性。框架結構及其所需裝配空間全平臺狀態一致，周邊系統根據框架結構進行避讓設計，連接器數量在高低配車型上的差異對周邊系統無影響。結合前述線線腳位平臺化設計理念，平臺內低配車型僅需使用3對線線對接連接器即可滿足整車功能需求，大大減少了對接方案原材料成本。

車門線線對接方案如圖4所示，公端連接器位于車門線束總成，接插件尾部帶防水膠套；母端護套位于儀表線束總成，兩者對接后公端護套卡扣固定于白車身線束過線孔上。車門對接方案共47孔腳位，其中包含一組用于外后視鏡高清攝像頭使用的FAKRA對接連接器，12組060系列端子，可滿足0.3～2.5 mm2導線的對接需求。母端對接方案由FAKRA連接器與2個23孔腳位連接器構成，可按照車型配置需求靈活組合母端方案。在導線方面，整車導線以日標導線作為導線標準，采用前述12色線平臺化設計理念加以控制，導線種類由92種降至53種，減少43%。

圖4 平臺化線線對接框架

在線束布置上，首先確定12種平臺化固定結構，涵蓋各種孔位、螺柱類型、扎帶卡扣和鈑金夾等，以這12類固定結構進行線束布置設計。平臺車型中邊界基本一致的部分固定方式、分支走向保持設計一致，過孔膠套、護板、外包材料等附件原材料在各車型同邊界下保持一致。

將平臺化概念在該SUV車型上應用后，相同配置下整車線束原材料種類由406種減少至319種，減少21.4%；同平臺下跨車型間有261種線束原材料能完全通用，平臺通用化率達81.8%。發動機線束、負極搭鐵線、車門線束、背門線束、后保線束、頂棚線束實現總成平臺化，可實現同動力、跨車型通用；機艙線束、車身線束主體走向固化，僅需針對軸距、車長變化進行適應性更改，設計階段開發周期可縮短約14個工作日；首輪裝車整車線束問題點較過往項目平均值減少9個，降低約24%；最后，通過增大單一原材料使用量、減少庫存數量、等功能替代、供配電、接地原理優化等方式，整車線束成本降低約46元，已達到整車線束平臺化的設計目的。

4 總結

在平臺車型基礎上提出整車線束平臺化設計概念，在項目預研階段就介入用電器端接口定義開發，提升用電器接口定義通用性；分別從配電原理、接地原理、線線對接等方面梳理提高通用性措施，進而實現線束原材料平臺化。在此基礎上，通過對線束固定方式及走向的固化，實現線束總成跨車型使用。將平臺化設計理念應用于某平臺SUV車型整車線束，實現原材料種類減少21.4%，通用率提升至81.8%，6類線束總成全平臺車型通用，機艙線束、車身線束等線束總成開發周期縮短14個工作日，降低約24%的首輪裝車問題點，單臺整車線束成本降低約46元，達到平臺化設計的預期效果。