線束行業的發展趨勢

本文關鍵詞：線束 自動化 輕量化 發展

談到未來，就不可避免的提及過去！電線束與汽車同步誕生的。汽車的初始狀態，結構簡單，機械控制占主導地位，在很長的一段時期內，人們更著重汽車機械效能方面的研究，汽車電線束僅作為整車的一個部件，始終沒有得到過重視，對其技術質量的評價也只是電路的導通與否，汽車電線束的加工工藝為手工的鉸接、焊接、栓接等落後工藝，其聯結器等零件的可靠性、互換性和缺陷的可維修性就更差了。

80年代初，隨著機械製造業的發展，拉動了壓接工藝的進步和成熟，尤其是全自動壓接機的問世，使汽車電線束的製造技術產生了質和量的飛躍，汽車電線束的單線抗拉強度大大提高，機械效能趨於穩定，壓接點的電壓降可得到有效控制，訊號在傳輸過程中的損耗降低，整車的可靠性成倍提高，同時汽車線束的功能由單一的供電迴路擴大到訊號傳遞。

進入90年代後，除原有的儀表系統、發動機系統、照明系統等日益完善外，相繼出現了安全氣囊系統、剎車防抱死系統、中控鎖電動門窗系統、防盜系統、電動座椅系統以及汽車音響系統和汽車導航系統等等，大大提高了汽車的智慧和可靠性。

然而，電氣系統的增加直接導致了終端電器的增加，不僅增加了功耗，訊號傳輸能力也收到了強烈的挑戰，從而使電線束、聯結器、繼電器、感測器等不可避免地劇增，汽車電線束的重量和體積也達到了汽車難以承受的範圍，一輛中檔水平的轎車，有上百對聯結器、數以千計的接點，所用的導線總長度達1500-2000m。

進入21世紀，由於技術創新和消費者對新功能的需求（安全，舒適度，駕駛體驗），線束變得更加複雜。一些現代中型車輛最多包含40個線束，總計數百個聯結器，數千個端子和多達1500條電線。如果拆開並放入一條連續的線中，這些電線將超過2英里（3。2公里）的長度，重約132磅（60千克）。此外，可以有70多種專用電纜，例如同軸電纜，高速資料和USB電纜。在較老的汽車中，這個數字接近10。線束變得越來越複雜。最直觀的印象可以從中控臺面板可以看到這種變化。

下面就以2009年寶馬X1與2020寶馬X7的中控臺為例，

2009款X1寶馬中控臺

2020款寶馬X7中控臺

經濟在發展，科技在進步，對車輛的效能要求越來越嚴格，但是到目前為止線束的製造所有線束製造操作中約有85％是手動進行的。業界通用的工程和製造方法已經使用了數十年，並在新時代中顯示出它們的侷限性。線束製造仍然是一個非常勞動密集的過程。更麻煩的是線束設計，製造部門和系統之間的支離破碎。設計和製造工程師經常在各自的域之間手動傳輸資料，然後將所傳輸的設計資料重新建立並重新輸入到他們的每個系統中，例如CAD，生產，裝配板設計或成本核算系統等。

在這些新挑戰的重壓下，傳統的線束製造方法開始崩潰。首先，分散的設計和製造過程導致域之間的手動資料傳輸和重新輸入。這很慢，容易出錯，並且對工程師的時間和精力的利用效率低下。當製造工程師進行更改以提高線束的可製造性時，這些更改通常會在團隊之間的資料轉換中丟失。即使在最先進的裝置中，從設計工程到產品工程，製造工程以及製造文件生成的高階過程也可以透過基本的Office應用程式和AutoCAD圖形完成，然後傳遞給整個流程中的下一個環節，而下一個環節又以另一種格式或樣式手動重新建立非數字資訊，以此類推。

這種方式是難以接受的。新產品的引入週期可能要花費數月的時間，而設計更改可能要花幾周才能完全實施。手動資料共享和重新輸入會導致錯誤，這些錯誤會花費金錢，時間，甚至更糟的是，會損害與客戶的良好關係。

計劃的加快步伐還意味著製造工程師幾乎沒有時間最佳化製造過程，從而從一開始就導致次優過程。可能特別具有挑戰性的一項任務是建立工作說明。使用當前的方法，建立工作指令是一項困難，耗時且富挑戰性的工作，需要技能和專業知識才能準確，及時地完成。遲交或質量低下的作業指導書可能會導致工作站不足和不令人滿意，進而導致組裝錯誤。測試期間發現的錯誤會導致工程師進行冗長的返工，甚至徹底報廢有故障的線束，從而產生意外成本。

下圖顯示了線束行業中典型的高階製造工程流程。如今，手動輸入資料會在任何這些階段發生錯誤，每個階段都需要出色的技能和經驗才能準確完成。在流程下游進行的調整和校正必須手動輸入上游，以實現資料一致性。傳統的線束製造方法很容易受到零散過程的錯誤的影響，並且隨著工程師退休或離職而失去部落知識。其他關鍵問題包括成本核算不一致或不正確，模板設計或製造工藝設計欠佳，以及關鍵資訊在車間的錯放。這些會直接導致生產過程中的效率低下。結果，製造和總成本可能會超出對客戶的報價，並且會影響生產質量

隨著車輛技術繼續推進，尤其是在自動和輔助駕駛領域，線束的複雜性只會繼續升級。先進的駕駛員輔助系統（ADAS）以及最終的自動駕駛汽車極大地增加了車輛上將配備的感測器和執行器的數量。即使製造商合併了ECU以建立更集中的車輛體系結構，感測器和執行器的顯著增加也將導致線束的尺寸和複雜度不斷增長。

汽車工業向電動和電子汽車特徵及部件的這些趨勢有望推動線束製造行業的增長。根據Future Market Insights 的一份報告，全球汽車線束市場預計到2025年將達到915。3億美元的價值。該報告指出，汽車銷售的增長以及對電子安全功能，高階電子產品和電動動力總成的需求不斷增長。線束行業的預期增長背後的驅動力。

增長帶來了新的挑戰，也給行業帶來了新的壓力。為了支援更多的電氣和電子系統，其中一些系統非常複雜，線束變得越來越複雜。製造商還必須適應車輛的所有可能配置，而這種配置經常會飆升到數千萬。在製造這些複雜的系統時，公司必須滿足非常嚴格的時間表，嚴格的質量要求並最大程度地降低生產成本，以保持在市場上的競爭地位。

為了保持競爭優勢，從巨大的市場蛋糕中分一杯羹，不僅是線束製造商，甚至汽車製造商，製造軟體服務商等，提出各種解決方案。總體來講，分為四類：

一、高階製造工程流程

這類基於模型的線束製造透過自動進行資料交換併為工程師提供跨域決策的訪問許可權，基於模型的流程統一了以前分散的設計和製造領域。以前由經驗豐富的工程師掌握的部落知識，可以透過支援自動化的整合設計規則來獲取，始終如一地指導所有工程師並檢查設計中的問題。

線束行業中數字化和基於模型的企業涉及三個關鍵方面下圖。首先是線束產品和製造過程的數字模型。線束和生產過程的數字模型共同構成了數字孿生。自動化是第二大支柱。現代的線束設計和製造解決方案可以使用由資深工程師建立的設計規則，並使用它們來自動將數字線束和過程模型轉換為流程單，工作指令和其他輸出格式。第三支柱是資料重用。在基於模型的工程流程中，不是重新建立或重新輸入資料，而是一次建立資料，並由所有上游和下游使用者最大程度地重用資料。

基於模型的企業的三個主要原則：數字化，自動化和資料重用

建立了一個數字執行緒，其中從架構和功能設計到物理設計，製造工程和售後服務的所有功能都可以使用相同的資料。線上束生命週期的每個階段，每個利益相關者都可以使用相同的資料模型，並可以訪問在其他域中做出的決策。使用數字執行緒可以縮短設計週期，並且可以在過程中以更低的成本發現並解決問題。透過減少設計返工，資料重用可最大程度地降低成本並提高生產效率。

二、線束架構的簡化

汽車製造業見證了機器人自動化的最高部署。焊接，組裝，機器維護，材料去除，零件轉移等是最適合機器人自動化的組裝操作。但是，對於需要判斷和決策的任務，機器人的效能仍有改進的空間。線束是汽車的神經系統，由多種尺寸和形狀的電線和聯結器元件組成。線束在主控制單元，電池和汽車的各個部件之間傳遞各種控制和電源訊號。將此類電纜與聯結器組裝在一起需要很高的技術水平，並且最耗時。它涉及將電纜與適當的聯結器配對，並將複雜的佈線結構固定在汽車內部。傳統上，機器人很難在車身上安裝線束。因此，為了簡化與線束相關的複雜問題，正在採用多種方法來簡化線束體系結構並提高機器人的功能。簡化線束製造的目標需要堅持不懈地推動自動化。

1） 特斯拉的專利申請（US20190217794）要求在車輛製造過程中易於組裝線束。該專利還公開了減少導線的總長度。

2） Yazaki Corporation（其核心產品是汽車線束元件）正在致力於將控制訊號從車輛的電子控制單元（ECU）無線傳輸到擴充套件系統中的電子裝置。該公司最近獲得了一項專利（US10122125B2），其中要求保護一種車輛線束結構，該結構旨在將多個主要裝置與通訊線和訊號線互連。每個系統都包括一個主裝置ECU和一個有線連線到主電源線的輔助裝置，其中兩個裝置進行無線通訊，從而減少了通訊訊號的額外接線。在附圖中，擴充套件系統中的每個電子裝置包括無線通訊介面。ECU確保與擴充套件系統中每個電子裝置的無線通訊通道，實現雙向資料通訊以達到控制目的。

3）在美國專利申請No。 20190168698A1（受讓人：Yazaki Corp。），可以在連線電源和電氣部件的同時簡化電路主體的結構。透過將幹線束穿過管狀外部構件的中空部分（例如，類似用於止水的索環）插入，可以減少構成幹線束的電線的數量。與電路主體中的典型佈線相比，這要容易得多

4）以色列的中小企業雅馬電子公司（YamarElectronics）專門研究在嘈雜的直流電源線上進行通訊的技術。其目標是減少導線，從而降低成本和重量。Yamar引入了使用DC-BUS技術的“汽車電力線通訊”，並使用現有的CAN和LIN協議在電力線上合併資料，從而消除了額外的束縛。提出的解決方案可以將匯流排束的長度從2km減少到20米。Yamar的專利申請US20180302187A1要求一種收發器以及透過噪聲通道（AC / DC線）進行非同步資料傳輸的方法。該解決方案可用於車輛和商用卡車，以減少額外的佈線要求。

三、替代產品

一種出現新的產品替代現有的線束，一種是用其它材質替代現有的銅材質，達到整車輕量化的目標；輕量化要求，在航空航天上也是一個越來越大的挑戰。

鋁是一種很早就進入視線的銅的替代品。TE，Sumitomo，Furukawa，Yazaki等公司都對使用鋁或者鋁合金替代銅作為導電和訊號傳輸的材質，也提出了一些可行性比較高，操作性比較強的方案。（這些技術性的文章，有的公開的，有的是保密性的，如果有心，都可以獲得。）因為使用鋁會比銅減重20%-40%，而且在成本上有優勢，同時在可能受水影響的區域使用這種耐腐蝕的材質，不需要做單獨的耐腐蝕處理。

光纖是另外一種替代選項。市場研究公司Bishop & Associates的總裁羅納德·畢曉普（Ronald Bishop）說：“頭髮大小的光纖可以傳輸數百個高速訊號，取代笨重的銅電纜。

但是，光纖在許多非電信應用上沒有得到普及。畢肖普指出：“多年來，人們曾多次預測銅的內在衰落，但先進晶片技術與訊號完整性設計方面的改進結合在一起，使工程師們能夠找到擴充套件銅實際頻寬的方法。”與所需的光電轉換過程相關的成本，以及聯結器，需要熟練的技術人員成功終止，阻礙了廣泛的市場轉換為光纖

航空航天工業是發展傳統電線電纜替代品的領頭羊。奈米技術是一項具有巨大長期潛力的技術。碳奈米管（CNTs）已經被用於一些需要更小更輕線束的軍事應用，如無人機和衛星。

碳奈米管的強度重量比是其他已知材料無法比擬的。Nanocomp技術公司的工程師們研究出瞭如何將它們變成具有非常高的抗拉強度、高效導電性、電磁干擾（EMI）遮蔽能力和極輕重量的電線。

Nanocomp業務開發副總裁John Dorr稱：“透過使用我們的CNT膠帶產品替代傳統的銅和鋁電纜遮蔽，航空航天製造商可以實現高達50%的額外節約，同時保持可比或更好的電氣效能。”“如果使用中心導體，（重量可以）減少10%。

而柔性線路板是Trackwise（英國公司）開發了改進的線束技術（IHT），該技術有助於製造任何長度的柔性印刷電路。最近，該公司製造了世界上第一個，最長的26米FPC，無需額外的線束即可支援電力和通訊訊號的控制和傳輸。當前，由於其輕量級優勢，該技術已在航天器中使用，並且可以在汽車中採用以實現同等優勢。

專門從事印刷電子產品諮詢的IDTechEx公司的主席Peter Harrop補充說：“完全印刷和層壓替換的儀器簇和線路將節省重量、成本和空間。”“無線感測器和執行器也將為未來的汽車節省佈線，並逐漸被打印出來

四、線束製造自動化

總體而言，線束的加工是極成熟的產業。但是依然由勞動力和熟練工人所制約。“低成本”人力加工，在現在的製造業中，已經不是吸引客戶的主要因素。尤其在要求一致性很高的汽車製造業，越來越多的機械介入，越來越少的人工環節，讓效率、成品率、一致性和綜合成本達到新的高度。如何提高自動化生產和機械製造的比例，已經是線束加工業新的議題。

而自動駕駛和電氣化正在引導這個行業的轉變。利用現在不僅以外最昂貴的車，但質量也將成為其中一個最重要的，因為它越來越多地支援安全關鍵功能如轉向、剎車或車道切換。

分析當前線束行業的技術發展過程的不足和優勢，瞭解未來趨勢（如自動駕駛）對線束開發和生產的影響。為什麼自動駕駛壓力會成為自動駕駛行業的顛覆性創新？

自動駕駛為什麼會影響線束的開發和生產過程嗎？怎麼影響？

國外的一家研究機構在對在7個國家，26家不同公司，54位專家，43小時的深度訪談，訪談資料達280頁，這些專家來自不同行業，得出結論：自動駕駛會給線束從設計到製造整個過程帶來顛覆性的改變：自動化。分析了實現自動化過程中的弱點和優勢，為自動化的實現提出新的思路。

這是受訪行業分佈圖和受訪者職位構成

受訪者都認為線上束開發過程中，存在的弱點和優勢如下圖 最大的弱點是過程和資料的不連續性，受訪者都認為線束開發沒有一個整體的過程。相反，具有不同工具和資料格式的筒倉結構阻礙了連續的流程流。此外，裝具元件和變體的數量增加導致裝具開發的複雜性增加，其結果是，複雜性被視為第二大弱點。最大的優勢是FSS（Full Service Supplier全面服務供應商）；受訪者認為，應對這種複雜而頻繁的變化在開發和生產線束時，管理效率極大地影響了他們在速度、質量和成本方面的運作

自動駕駛（AD）會對線束的開發和生產過程產生很大影響，因為自動駕駛要求：

■提高開發和製造質量。

■透過智慧和可追溯的方式，將需求與生命週期中的規格進行記錄，並將其明顯聯絡

起來，這在手工流程中很難做到。

■設計和製造的自動化程度和資料連續性有所提高。

特別是原始裝置製造商非常清楚，線束的開發和製造需要更高的質量、安全性和透明度，這隻能透過可再生和可理解的工藝來實現。這就引出了對設計（設計自動化）和生產（自動化製造）過程自動化的高度需求。

此外，可追溯性（文件和資料連續性）對於實現所需的透明度和安全性是絕對必要的。為了實現這一點，他們需要一個全新的線束架構的高度需求。

可追溯性和自動化被看作是環境中最重要的措施，然而，可追溯性，可以被視為未來的第一號措施，而線束製造商仍然保留製造自動化。對於線束製造商來說，新的趨勢意味著要確保線束的製造是正確的，為此需要可追溯性資料。如果不投資於生產自動化，我們都不知道供應商如何能夠提供和驗證執行安全。

可追溯性被認為是最重要的策略，原因如下：

■為設計和製造帶來透明度。

■在設計和製造過程中建立一個數據連續的工藝流程，以減少成本，時間，成本和提高質

量。

■及時發現錯誤並改進流程以達到最高的安全性。

■應對變化管理、複雜性和不斷增加的資料量。

■為法律或規範要求、召回和可能的訴訟提供檔案。

大多數線束製造商對自動駕駛的影響持保留態度。這是由於不確定性，在未來，安全帶是否真的會成為安全關鍵系統的一部分。許多線纜製造商表示，隨著電氣化和線束的增加，將會有更多的內容和功能。因此，工具會變得更多，但可以使用與以前相同的流程進行開發和生產。因此，大多數線束製造商看到的是對產品的小影響，但對過程沒有重大影響

相同的線束架構，但內容和功能更多，對遮蔽和路由的要求更高，但過程基本相同

AD（自動駕駛）意味著額外的文件和驗證。這種方法分類為質量驗證方法。現在有很多人和專家並不認為自動駕駛是一種大的顛覆，而是一種改進。隨著自動駕駛增加更多的內容和功能，以及驗證和文件需求，他們希望順應這一趨勢並從中受益。

由於佈線在系統中起著至關重要的作用，所以需要理解和評估所有的相互關係和相互依賴關係。為了理解系統及其行為，需要一種基於端到端的連續資料的系統工程方法。此外，高度自動化（從設計到生產的資料連續性和可追溯性的系統工程方法）的設計減少了開發時間和失效機率，並允許工程師在第一時間正確地設計質量。

自動駕駛是一種巨大的顛覆，尤其是考慮到汽車電氣化程度的提高，以及特斯拉（Tesla）、優步（Uber）或軟體公司等新玩家帶來的即將到來的市場變化。少數公司預計，市場結構將發生重大變化，只有這些少數公司能夠適應這個新世界。我們的資料顯示，全面服務供應商和一些工程公司正致力於這種方式。

開發一個高質量的從設計到生產的系統需要一個整體和敏捷的方法與互聯流程、跨領域和跨組織的協作。所有過程步驟為依賴於前一個流程步驟的輸入，並提供相應的輸出和資料應高度相關，並影響後續所有工藝步驟的輸出質量。這種高度依賴關係也適用於由整合產生的系統軟體、電子 機械專業。許多新的開發方法已經被採用 在其他行業，如敏捷、精益開發或SCRUM中引入，這是可以的作為未來汽車線束髮展道路的靈感來源。

大多數線束製造商和軟體供應商表示，處理如此大量的資料進一步增加了軟體和硬體設計的複雜性，同時也增加了線束的數量。為了確保系統的可靠性，線束的增加將是必要的。這樣就會導致更多的線路，增加線束的尺寸和重量。為了應對自動駕駛，將會出現新的要求。

OEM和工程服務機構認為，自動駕駛需要降低線束的複雜性。新的線束架構將擁有更少的內容和更簡單的結構。這可以透過將重點轉移到軟體、功能和領域的整合以及替代銅電纜的新技術來實現。（如扁線、無線）。一個更簡單的工具架構將意味著更多的標準化和對以前設計的重用。模組化區域架構就是其中的解決方案之一。

未來的線束將被設計為系統最佳化和可製造性，這使得它更簡單和更小。未來線束有可能：

■帶有小KSKs（定製化）的模組化區域架構，而不是基於領域的架構，以減少複雜性，

同時又不失客戶導向和靈活性

■在開發和製造過程中，關鍵和非關鍵治理區域是分開的，並面臨不同的要求（例如，根據ASIL和高壓分類的可追溯性措施）**ASIL（Automotive Safety Integration Level）

■利用可實現自動化製造流程的元件和架構

■針對特定元件的一對一連線：用於確定適配率和更好的故障分配

■新技術的整合和評估（數字電纜、平板電纜、無線、印刷中介軟體、乙太網、骨幹結

構、智慧和自診斷電纜）

軟體有可能

■所有的特性和功能將以軟體為基礎

■軟體功能的整合將需要更少的ECU（Electronic Control Unit）

■硬體是根據軟體要求設計的

■基於服務的架構，具有不同級別的計算操作