在由上海有色网(SMM)和山东恒邦冶炼股份有限公司联合举办的2024(第十九届)SMM铜业大会暨铜产业博览会——铜板带箔产业发展论坛上,广东省连接器协会秘书长梁宇彤对新一代智能网联车用连接器最新技术和发展趋势及对铜产业链的需求进行了分析。
汽车行业“新四化”
汽车行业的“新四化”是新一代信息通讯、新能源、新材料等技术与汽车产业融合的产物,其快速发展不仅带来整车制造业产业生态的深化变革,也全面重塑汽车零部件的产业竞争格局。电动化、智能化、网连化、共享化,正在成为整个汽车产业的发展趋势,各大OEM也都向着“新四化”的方向努力前进;各种新技术、新概念(如ADAS技术,新能源汽车等)的出现,强烈刺激着新一代人的消费欲望,对铜的供应链提出新的要求。
新能源智能网联汽车单车线束连接器总用铜量约38KG,较传统燃油车线束连接器用铜量约17KG增长超过一倍,整车线束高价由燃油车单车的2000元,提升到5000元。
1、 电动化
电动化, 指的是车辆动力系统领域的电动化, 即采用电机系统代替传统的内燃机动力系统。包括混合动力(H E V、H P E V ) 、纯电( B E V ) 、增程式( E R E V ) 、燃料电池( F C V) 等动力形式, 各大企业纷纷布局, 适应不同的用户需求。即使是现在最火的纯电( B E V ) 车型使用的锂电池技术也在不断地发展中,远未达到成熟的程度。
电动化对汽车线束的影响主要是增加了高压系统, 高压导线、高压接插件、大线径铝导线、大电流Busbar以及其迭代优化的产品将得到开发和应用, 同时对其技术参数、测试要求和测试方法也被不断验证,从而满足电动化的要求。新能源汽车高压系统目前主流是高电压8 0 0 V 、大电流400A,下一代技术将往高压1200V、大电流8 0 0 A发展,要满足功率要求, 铜用量大幅度增长, 但铝导技术发展迅速。
2、 智能化
智能化对汽车线束的影响主要是线束需求大量增加,迫使汽车设计架构升级,由原来燃油车ICE架构升级至BEV架构,未来优化到类似SVA架构。
新架构、新原理使得线束设计更加简洁,可以将更多的精力投入到车载以太网、特种线、特种连接器的开发研究和测试中,以确保无人驾驶、智能泊车、540度影像等功能的可靠连接。
随着车辆智能化程度的提升,将会带来单车传感器数量的增加和车联网的普及度提升的趋势。在此趋势下车辆线束市场将迎来两个重要变化:
1)伴随着传感器数量的增加和 V 2 X 天线数量的提升,在现有技术框架内单车的数据线和连接器用量将会显著提升。
2)为了提升智能化车辆行驶的安全性,包括分辨率在内的传感器关键性能的持续提升趋势是非常明显的,这将显著提高数据线缆的传输速率的要求。高速车载信号连接器主以高导铜、磷青铜、黄铜为主。
在汽车智能化时代,安全性是汽车智能化提升的核心痛点之一,ADAS 传感器的性能提升和车联网的辅助支持是持续改善智能化驾驶安全性的重要解决路径。伴随着高清摄像头、激光雷达等 ADAS 传感器的性能提升以及车联网应用的普及,将会显著提升单车的高性能以太网线缆和同轴线束的用量。
高清摄像头:
800 万像素摄像头已经成为高端智能化车型的标准配置。高像素摄像头的普及将显著拉动高性能同轴线缆和以太网线缆用量。一个800 万像素的 16 位前视摄像头,以每秒 60 帧的速度运行,数据速率可达 1GB/s。传统的单芯屏蔽线将不再能满足需求,需要配备高性能的同轴数据线缆或者 以太网线缆才能满足需求。
激光雷达:
激光雷达的数据传输需求也相对较高。传统的百兆以内的数据线缆已经无法满足激光雷达的数据传输要求,数据速率需达到千兆级别,屏蔽以太网为激光雷达的数据线缆解决方案。
3、 网联化
网联化包含车际网、车云网、车内网三部分。车际网采用中短距离通信技术,实现车车/车路协同,如LTE-V、5G,要求时延极短,可靠性高,需要支撑主动安全应用;车云网通过车与云端的连接,主要应用 Telematics的通信,如3G/4G/5G;覆盖范围广,能够与 Internet连接,时延较大,不适合紧急安全应用;车内网是指车与内部传感器的有线连接, CAN BUS、高速以太网;车机与手机等设备的无线连接,包括蓝牙、WiFi、NFC。
网联化实现车辆的在线化和基于网络的各种服务应用和相应的数据采集。网联化让车辆不在是一个无法“成长”的工具,通过OTA技术让车辆的功能和性能可以持续的迭代成长。而且,联网使车辆信息娱乐系统可以获得在线的数据和服务,使车辆成为了继电脑及手机之后的又一个互联网世界的入口,同时使得大量采集车辆运行时的各种数据成为了现实。未来,车辆的实时运行可以被网络直接进行控制、且车辆的绝大部分的数据都可以与云端进行实时交换之时,才是网联化的成熟之时。
4、 共享化
共享化,指的是车辆的共享与出行的共享。也有人将其称为服务化,指的是移动出行将作为一种服务被提供,从而改变目前每个人都需要购置车辆的现状。共享化目前看来仍然只是一种基于网络定位服务的商业模式。
网联化和共享化对汽车线束的影响主要是车载特种线、特种连接器种类和数量增多。特种线具有高可靠性、低电磁辐射、低功耗、低延迟以及同步实时性技术特点,该产品的特性与传统导线完全不同,因此需要对设计和测试能力提出新的挑战。特种线/连接器发展迅速,由单一型向集成型发展,减少体积,提高集成度、提升工厂装配效率。
智能网联汽车网络架构与连接技术
智能网联汽车网络架构发展趋势
未来每辆智能网联汽车搭载数百颗连接器
车载以太网连接器的应用
车载以太网线缆的应用:国产正在发力;国外导线供应商如莱尼、G&G研发较早,有现成高带宽导线产品供应,但交货周期长。福斯等国产导线供应商均有小批量产品在主机厂测试中,国产成本优势突出。
车载以太网线缆组件的展望:1.更快的传输速率,2.连接器集成化、小型化的应用,3.冲压成型的设计&全自动生产与装配。
线束连接器关键技术及发展趋势
1、轻量化
在汽车“新四化”的背景下,基于线束行业的问题和挑战,线束领域未来将向轻量化、高压化、高速化、平台化、智造化五个方向发展。
1.1 优化架构,减少线束长度
整车网络架构从传统的分布式架构,逐渐进化为集中式域架构,采用了域控制器集成架构,线束长度相比传统车减少50%。
其列举了安波福提出的SVA架构方案进行说明。
1.2 铝导线、铜包铝合金导线等新产品的应用
铝的密度和价格为铜的1 / 3,电导率是铜的6 4 %,提升导线规格1 - 2个档次,可实现替换,导体部分轻5 0 %,导线成本可降低40%。
中小线径铝导线因为加工工艺难度大、配套接插件品类不全、强度弱,还无法普及应用;
大线径铝导线在电源线上已经批量应用,加工方式主要有:超声波焊接、离子焊、套筒压接,线束成本可降低10~15%。小线径铜包铝合金导线可以直接替代同线径铜导线,应用在低压线束总成中,导线成本可降低10% 。
1.3 导线、连接器的小型化
信号线可采用0.22/0.13/0.08mm²超细导线代替,0.22/0.13 mm²导线已在合资品牌广泛采用。各种铜合金材料满足端子小型化需求,但压接能力、工艺管控能力不足,需要提升。
1.4 扁平线缆的研究与应用
采用扁平导线作为车载以太网传输载体
优点:成熟的汽车触点系统;适用于更恶劣的环境(USCAR,LV214);可靠的平电缆端接(压接或激光焊接);坚固的连接器设计。
难点:保证特性阻抗的稳定性和屏蔽效果。
挑战:不符合圆线的要求;需要重新设计端点;需要双绞线以及更高的传输速度;有限的设计灵活性和适用性成本是最大的缺点。
2、高压化
2.1 高压连接器平台化设计
新能源汽车高压系统通常采用400V以上高电压,大电流,对连接器的绝缘、防护等安全性要求更高。高压连接器平台化设计关键项主要有温升及降额曲线、高压互锁设计、防护等级、电磁屏蔽、连接器材质选择等。高压连接器从定制化到平台化,从金属连接器到塑料连接器轻量化,趋势明显。
2. 2 片式连接器
随着电流的不断增大,圆型连接器通过增大截面直径对载流能力的提升已不明显。片式连接器在大电流领域有着独特优势,其接触点呈线性排列,可通过增大接触件宽度,或多个接触件并排布置来减小接触电阻,效果显著。片式连接器采用冲压工艺,体积更小,生产效率高,成本低。
2.3 大电流 Busbar
为实现8分钟充电80%的目标,充电电流将由250A提升至400A~800A,铜电缆规格将由70mm²增加到120~150mm²,如果采用铝电缆,规格将进一步提升至150~200mm²。大规格电缆不易布线,车载电缆超过120mm²时基本无法布线,Busbar应运而生,并可实现自动化装配,相比线缆成型,省去了拉丝、退火、绞合的工序。如果使用尼龙料则无需交联工序,铝棒外套铝管即可实现屏蔽效果,同时对铝棒也是一种防护,无需再增加外护套。
软铜排,多层薄铜箔叠层,具有高柔软性可提供各种弯曲、扭曲和折叠形状,以适应所需的空间,且可更换绝缘满足各种温度或绝缘要求。在目前的应用场景里应用广泛。
2.4 高压线束EMC性能开发
从直流到三相交流、DC/DC电压转换,充电机交直流转换等工作过程,其内部IGBT会产生频率为100KHZ至200KHZ电磁干扰,这种干扰主要以公模电流的形式沿高压电缆传播,引起车载电子设备和通信网络异常。高压线束解决EMC三要素之“路”,采用接地、滤波和屏蔽;高压导线采用双层屏蔽方式,高压连接器采用屏蔽环、屏蔽簧等方案。
3、高速化
3.1 车载以太网的研究与应用
是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。主要应用于带宽需求较高的系统,如自动驾驶辅助系统(A DA S)、车载诊断系统(OBD)以及车载信息娱乐系统等,可实现100M/s甚至10G/s的数据传输速率。
以太网标准,主要是I E E E 8 0 2 . 3、O P E N联盟标准(One Pair EtherNet,单绞线以太网联盟)。
普通以太网使用2对或4对非屏蔽双绞线(UTP)电缆,车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现1 Gb p s / s甚至10Gb/s的数据传输速率,并满足汽车行业高可靠性,低电磁辐射,低功耗,带宽分配,低延迟以及同步实时性等方面的要求。
3.2 特种线、特种连接器
汽车上高频信号多样性,带来特种线种类的多样性,如FM/AM馈线、USB转接线、GPS天线、TBOX天线、摄像头线、fakra同轴线、HSD视频线、以太网线等;特种线具有高可靠性、低电磁辐射、低功耗、低延迟以及同步实时性技术特点,如车载以太网、HSD、MiniFAKRA已逐步替代FM/AM馈线、GPS天线;特种线连接器发展迅速,由单一型向集成型发展,减少体积,提高集成度、提升工厂装配效率。
4、智造化
4.1 线束模块化设计
因配置和保供需求,方案多样化,通过排列组合,线束总成将出现不同结果,线束模块化设计可以将功能划分成不同的模块,按照模块进行开发,能够快速实现线束生产多样化,实现一车一线,车车不同,满足客户的个性化需求。
4.2 生产线的自动化
汽车线束属于劳动密集型产业,行业自动化率不到30%,产品质量参差不齐,上升的人工成本对企业利润形成较大冲击,招工难成为行业难点,提高线束行业自动化生产水平,推动线束企业转型尤为重要。推进柔性智能自动化生产线是对中国制造2025和工业4.0的有力支撑,更为重要意义是在于提升产品一致性、提升企业生产效率、提升行业竞争力。
主要针对占汽车线束生产工艺中70%以上劳动力的分装和组装环节进行自动化改造,这需要结合精密机械设计技术、智能机器人控制技术、机器视觉技术和计算机技术等学科技术,突破线束自动插植、自动布线、自动包胶和自动扎带等关键技术难点,实现分装和组装环节的整体布局,最终实现自动加工和柔性生产。现阶段的电器盒的PIN脚/保险丝/继电器、下线及安装防水堵、以及安全气囊线束等产品已经实现工业自动化。
总结
综上可以看出,随着下游应用市场技术的不断迭代创新,对汽车线束连接器的技术发展也带来新的要求。
总体上,对线束连接器产品在尺寸结构、功能特性、集成特性、环境耐受、产品属性上,归纳为这些发展趋势: