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汽车趋势为线束开发带来了新挑战
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汽车趋势为线束开发带来了新挑战

2021-01-12 11:34:50 来源:连接器世界网 作者:西门子汽车接线顾问Ulrike Hoff西门子数字工业软件Dan Scott

【大比特导读】新技术的迅速引入以及汽车初创企业的涌入,为线束开发带来了许多挑战。OEM和初创企业都必须考虑它们集成到车辆中的技术功能的数量和复杂程度,因为它们直接影响线束重量、线束直径和成本。电气化、自动驾驶和驾驶员辅助、人工智能以及连接功能都给线束增加了负担。

摘要

新技术的迅速引入以及汽车初创企业的涌入,为线束开发带来了许多挑战。OEM和初创企业都必须考虑它们集成到车辆中的技术功能的数量和复杂程度,因为它们直接影响线束重量、线束直径和成本。电气化、自动驾驶和驾驶员辅助、人工智能以及连接功能都给线束增加了负担。

新技术

新技术的不断发展及其在现代汽车中的应用导致了一种现象,这种现象可以称为“内容困境”。

内容困境是指一种冲突,即车辆制造商试图集成到车辆中的技术内容太多,而线束所需的重量、成本和包装空间有限。

导致内容困境的最新技术趋势的示例包括(图1):

•电气化

•自动驾驶

• 人工智能

•联网汽车

汽车电子

图1:人工智能和连接性等新的汽车技术正在线束设计中提出新的挑战。

行驶距离是电动汽车的关键竞争因素。一次充电汽车可以行驶的里程越多越好。车辆质量在确定车辆续驶里程方面起着关键作用,因此,最大程度地减少电动汽车的重量对于将具有竞争力的成功汽车推向市场至关重要。然而,新的车辆技术需要额外的电线和其他电子部件,从而增加了车辆的重量。与内燃机动力总成相比,仅引入动力总成就增加了约30%的重量。

自主驾驶需要添加大量的硬件冗余和故障安全机制,以防止可能导致自主系统意外失效的单点故障。系统冗余至关重要,因为如果驾驶员不注意或未积极参与驾驶和转向过程,则意外故障可能导致车辆坠毁。但是,这些安全冗余可能会增加线束的重量和成本。

车辆中的人工智能可实现面部识别、计算机视觉和其他机器学习算法,从而通过处理和从传入数据中“学习”来帮助个性化用户体验和车辆设置。这就要求在整个车辆上包括无数的摄像机和其他硬件。这些摄像机通常通过同轴电缆或高速数据电缆连接到电气控制单元,与传统的汽车布线相比,它们更大、更重且更昂贵。

最后但并非最不重要的一点是,作为物联网和车辆互联网的一部分,车辆正在变得高度互联,从而将车辆转变为我们在家和工作中的互联生活之间的无缝接口。将屏幕和显示器集成到几乎任何可以想象到的内表面中,证明了该车在娱乐、通信和生产力枢纽方面的作用日益增强。

所有这些技术必须连接在一起,从而导致线束的重量、线束直径和成本不断增加(图2)。一些现代车辆包含近40种不同的线束,包括大约700个连接器和3000多个电线。如果将它们拆开并放入一条连续的线中,这些电线将超过2.5英里(4公里)的长度,重约132磅(60千克)。此外,可以有70多种专用电缆,例如同轴电缆、高速数据和USB电缆。在老式汽车中,这个数字不到10。

汽车线束

图2:随着新功能的集成,现代汽车线束的尺寸和复杂性不断增长。

当今的汽车制造商如何解决内容难题?通过引入有助于开发团队减少添加的内容和技术对线束所需的重量、成本和包装空间的影响的方法。

一种解决方案是开发减轻线束重量的技术。一个超小直径的布线(0.13mm2)就是一个很好的例子。不幸的是,工业界仍在努力开发足够数量的端子替代品以替代现有的所有现有端子,这些端子可以压接到如此小的布线直径。当前市场上可用的产品不支持向超小直径布线的大规模迁移。

铝线也一样。对于小直径的布线,纯铝太脆,因此不是可行的选择。端子供应商已开始开发适合其端子规格的最佳铝合金。这导致了市场上多种合金的出现,这些合金在大多数情况下与其他供应商的端子不兼容。

反过来,这意味着车辆必须仅由一个供应商的连接器组成,才能在整个车辆上使用铝,这是不现实的。

另外,切换到铝线将需要压缩铝芯以减少重量和重量。由于其材料特性,铝线的直径必须增加至少一种尺寸,以保持与铜线相同的导电性。在整个车辆甚至车辆的一部分上切换到更大直径的铝线,将导致捆束尺寸显著增加,并需要更多的包装空间。

寻找专用电缆的替代品将进一步减轻线束的重量、成本和线束直径。摄像机和显示器的数量只会在将来增加,因此开发通过标准化布线传输视频和摄像机信号的方法至关重要。另外,找到将这些信号多路复用到一根共享的专用电缆上,并使多个设备接入这些电缆的方法将具有相同的效果:减少线束重量,降低成本和线束直径。

另一种方法是使用诸如Capital之类的高级软件解决方案,该解决方案支持权衡研究,以优化模块位置并确定可以组合以节省重量、成本和减小包装尺寸的任何模块(图3)。Capital具有比较和分析布局对线束重量、成本和线束直径的影响的能力,使工程师能够选择最佳的系统架构。

汽车线束

图3:Capital使成本、重量和捆束尺寸指标的权衡研究最优化了线束设计。

汽车初创企业的出现

在过去的10到15年中,汽车行业发生了第二个趋势,即汽车初创企业的激增,彻底改变了这一趋势。如今,不仅是福特、大众或丰田这样的老牌原始设备制造商了。

自特斯拉于2003年成立以来,越来越多的电动汽车初创公司不断进入市场。这给它自身带来了挑战。

电动汽车初创企业面临独特的挑战,例如:

•缩短上市时间

•基础设施不足

•自下而上的设计

•不断变化

缩短上市时间会导致时序困境。一个成熟的OEM的新车开发周期大约需要4到5年。相比之下,大多数新兴电动汽车公司通常旨在在较短的时间内启动汽车,有时不到既定OEM预算的一半。

进一步加剧这一难题的是,新兴电动汽车制造商正在从头开始开发,而没有以前的车辆计划的经验。汽车创业公司在短时间内进入市场的出现导致了非常短的迭代或开发阶段。

缩短的迭代周期和开发阶段本身并不是问题,但与线束开发所需的长交货期配合使用时便成为问题。从设计发布到产品交付,线束通常的交货时间约为23至26周。提前期的差异取决于变更数量和项目在开发周期中所取得的进展。为了在下一个开发阶段按时完成任务,必须冻结线束,几乎没有时间检查或实施在两次检查之间获得的经验教训开发阶段。通常,下一次冻结时甚至还没有开始车辆测试。一旦下一个构建阶段开始,这可能会导致大量的返工工作,或者导致“机枪”变更请求,以便在下一次冻结之前尽快对线束设计进行变更。这两种选择都会降低线束的质量,并可能在功能验证期间造成不必要的延迟。

缩短工程和制造阶段的交货时间将使所有工程团队受益。更多的交货时间为团队提供了更多的时间来发现问题,可以确定适当的布线更改以及在设计中为下一验证阶段实施这些更改。如何缩短交货时间?通过消除手动步骤并自动将信息从一个步骤层叠到另一个步骤(图4)。这显著减少了错误,并减少了再次检查工作结果的需要。目标是在车辆制造商和供应商的工具链之间实现无缝集成。

汽车电子

图4:自动化的数据传输通过简化域之间的交互来减少线束设计中的错误。

缺乏基础设施

致力于开发新车辆的初创企业还必须应对缺乏业务和工程基础设施的问题。在启动的早期阶段没有适当的流程。与布线开发特别相关的是,没有设备传输数据库可以帮助收集、组织和验证线束设计所需的电气数据。

初创制造商也没有经过认证的连接器、端子、密封件和其他附件的组件库。在OEM上,这种基础结构已经建立并经过长期测试。在启动时,所有这些都必须从头开始创建,而在资源和时间有限的情况下,则需要大量时间和精力。

随着越来越多的初创公司进入市场,利用具有集成的设备传输数据库和组件库的开发工具将为接线团队提供巨大的优势。它们消除了通过Excel工作表收集繁琐的数据以及将手动数据传输到逻辑示意图中的麻烦,而这一过程容易发生人为错误。线束开发工具将简化和自动化流程,以减少错误,并从早期设计阶段就提高整体线束质量。

这样的数据库还可以针对开放式电路、丢失的负载信息等运行自动报告。拥有适当的元件库将大大减少零件研究以查找端子、密封件或匹配连接器零件编号的需要。

最常见的错误是由于操作员错误或有关端视图定义的信息不正确而导致的连接器卡钉错误。为每个零件号提供端视图的组件库将消除在将型号分配给型腔时的猜测,并防止出现这些错误。

设计差异

通常,成熟的OEM会采用自上向下的方法进行系统设计。在自上而下的方法中,系统分为子系统,子系统又细分为组件。然后,对每个组件进行定制设计,以支持特定的车辆功能并遵循特定的要求,例如,使用来自核准供应商的一组有限的连接器系列中的连接器。

在启动中出现的时间和预算限制通常不允许自上而下的方法。相反,工程团队使用自下而上的车辆设计。指导工程团队使用最适合所需应用程序的现成零件。然后,系统工程和布线团队的任务是尝试将所有这些拼图组合在一起,以构成车辆功能并创建连接性。

不幸的是,没有大量投资就无法更改或定制现成的零件。这通常会导致折衷,导致增加线束的布线以集成零件。

此外,布线团队通常没有选择和批准一些连接器系列,而是被迫合并各种类型的连接器,这些连接器可能缺乏USCAR认证,难以采购,或在质量和制造方面都不理想。理想的线束开发工具需要能够支持自下而上的设计流程和多种连接器类型。

变更管理

在初始创建阶段之后,布线工程师的大部分职责与实施更改有关。希腊哲学家赫拉克利特(Heraclitus)说:“一切都改变了,什么也没有停滞不前”。这是布线工程师的日常工作。

变化是线束设计和工程中的一个常数。在初创企业中,由于更严格的时间限制、临时流程和“更环保”的工程师,这种情况会更为普遍。

新专家几乎每周都会加入不同部门,从而为团队带来新见解。这些可能是解决问题的更好方法,或者是他们在以前的角色中接触或开发的新技术。这些新的团队成员很高兴留下自己的印记,而初创企业也渴望获得这种投入。结果,这些想法很可能会在短时间内实现,并且很少考虑整个系统的影响。

这与环境相辅相成,在环境中几乎没有流程,而变更纪律仍处于起步阶段。在这样的环境中,变更是不统一的,因此很难跟踪最新的设计修订。

相比之下,传统的OEM已建立了高效且严格的变更管理流程。这些流程已在多年和项目中进行了优化,并且具有很高的组织支持度。

在启动时不是这样。无论冻结日期或当前项目阶段如何,这都会导致不断的变更请求。

此外,并非所有供应商都是从项目开始时就采购的,这导致了不断发生的设计变更需求。采购某些零件可能需要很长时间。为了弥补这一损失,工程师依靠估算数据来满足前几个线束冻结日期。采购供应商后,实际需求通常与工程师的假设不符,要求变更单具有功能性。在某些情况下,供应商无法达到计划的时机,或决定终止其参与。这意味着零件必须被资源化。新零件很少符合原始零件的确切电气规格。这导致更多的变更请求修改了线束。

在项目早期就开发一种结构化、规范化的变更管理方法非常重要。同样,线束开发工具的高级组合可以提供一种优雅的解决方案。可以使用某些变更控制机制来增强前面讨论的集成设备传输数据库。通过这些增强,该数据库将立即提供必要的结构和自动变更管理(图5)。

设备的发布工程师可以直接在数据库中起草设备传输并将其提交以供批准。批准后,更改将在逻辑示意图中自动更新。这消除了从Excel文件手动更新原理图的容易出错的过程。它还可以防止发行工程师更改在其硬盘上找到的过时的本地副本,并覆盖自上次更新以来对设备传输所做的更改。最后,对于每个已发布的逻辑示意图集,将自动生成在每个版本中实施的变更请求列表,从而将每个变更链接回特定的工具修订版,以供将来参考。

新挑战需要新解决方案

新技术的迅速引入以及汽车初创企业的大量涌入,导致线束开发面临诸多挑战。OEM和初创企业都必须考虑它们集成到车辆中的技术功能的数量和复杂程度,因为它们直接影响线束重量、线束直径和成本。

电气化、自动驾驶和驾驶员辅助、人工智能以及连接功能都给线束增加了负担。这些功能要求在车辆中引入数十个新传感器,所有传感器都必须连接到线束,有时还需要使用特殊布线。

新兴的汽车公司在将产品推向市场时面临着更大的压力。初创企业缺乏传统设计的基础,也缺乏定制设计部件以获得最佳性能所需的资源。如果没有这些资源,这些公司的工程师就必须采用一种自底向上的设计方法,在这种方法中,需要对现成的零件进行调整以满足功能要求。

初创企业也缺乏用于管理和跟踪变更的既定程序。虽然成熟的OEM拥有更持久的变更管理流程,但他们倾向于依靠手动数据输入和团队之间的沟通。这导致效率低下的数据交换,容易出错。

现代的线束设计和工程工具为汽车创新带来的问题提供了一种优雅的解决方案。工程师可以使用Capital等具有高度自动化,高级度量和分析功能的工具,进行权衡研究,以优化材料,组件放置和布线,以最小化线束重量、成本和线束直径。

接下来,现代化的设计工具可以使工程团队之间甚至制造商和供应商之间的数据转换自动化。最后,创新的线束设计软件套件具有集成的变更管理工具,可确保所有团队都使用最新数据。通过采用这些解决方案,成熟的汽车OEM和初创企业可以更好地应对新的汽车领域的挑战。

汽车线束

图5:现代的线束设计解决方案具有自动化的变更管理解决方案。

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