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当今汽车设计面临的互连挑战

2024-02-05 Molex莫仕公司全球产品经理Kyle Glissman 阅读:
由于空间限制,组织管理不断扩大的控制系统阵列是一项巨大的挑战,同时也增加了车辆生产的额外时间和成本。 

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当今汽车的复杂性成倍增加,增添了许多提升乘客舒适性的配置和信息娱乐系统,为确保行驶安全采用了先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术。许多新增功能都需要提升与其他车辆和周围环境的通信,实质上将车辆变为车载的数据中心。ED2ednc

这些新功能由激光雷达或摄像头等模块提供,每个模块都由一个电子控制单元(ECU)控制。车辆需要大量的 ECU,每个 ECU 都需要专用线路将其与车辆的其他部分连接起来。由于空间限制,组织管理不断扩大的控制系统阵列是一项巨大的挑战,同时也增加了车辆生产的额外时间和成本。 ED2ednc

不断增加的复杂性还可能导致更多潜在的故障点。因此,高可靠性成为线束制造的关键目标,包括将电缆连接到传感器和 ECU 的连接器。Molex莫仕最近的一项调查1发现,超过半数的受访者将可靠性视为品牌忠诚度的主要驱动因素,这凸显了高可靠性的重要性。ED2ednc

在运用工业自动化和机器人技术方面,汽车行业一直走在前列,带来了众多创新。因此,使用机器技术取代人工装配,不仅提高了质量,还同时降低了成本。ED2ednc

然而,线束具有很大的复杂性,因而至今无法从机器人装配中受益。由于缺乏刚性,线束很容易弯曲、扭曲,因此机器人很难处理。人工装配一直是最可行的选择,但由于每辆车上都有数公里长的电线和数百个连接器,这种方法容易因人为失误造成系统缺陷。这些故障会对制造商造成重大影响,包括材料成本和声誉损失。ED2ednc

不断发展的布线方案ED2ednc

传统的布线方法是简单地根据设备和 ECU 在车辆中的位置来添加它们之间的连接,这种方法被称为扁平结构。除了组装困难、耗时、容易出错外,扁平架构还无法轻易灵活地添加新的系统,还会导致故障诊断和维修困难,并且灵活性有限,难以满足不断变化的要求和标准。ED2ednc

为了克服这些弊端,许多制造商正在采用区域式设计,即按照功能对车辆结构进行分组,以提供对整个车辆的控制。每个域都有自己的控制器,专用于动力传动系统、信息娱乐系统或安全系统,并且通过网关与其他控制器通信,以创建完整的车辆控制系统。 ED2ednc

由于每个域会有一系列设备分布在车辆各处,每个设备都需要与控制器进行独特的连接,域结构仍然无法解决布线的难题。 ED2ednc

尽管域方法相比传统的扁平架构更具适应性,但它并不是解决车辆布线难题的最终答案。如果从演进的角度来看待车辆布线,制造商在未来数年内将越来越多地采用域架构,显然,这种架构仍然只是通向更好布线方法的基石。  ED2ednc

分区架构的出现ED2ednc

分区架构(zonal architecture)是将车辆内的功能按位置分为若干区的先进设计,每个区域都有自己的区域网关,负责控制区域内的特定功能和子系统,比如发动机管理、照明、悬挂或安全传感器。由于每个网关都靠近其控制的设备,因此连接它们所需的电缆长度相对较短。ED2ednc

网关之间以及网关与中央计算机之间通过高速网络(如以太网)进行通信,从而能够交换数据并对不断变化的情况做出响应。因此,与传统的车辆线束方案相比,网关和中央计算机之间的通信与计算机网络具有更多的共同点。ED2ednc

这革新性方案将会改变车辆的工作方式以及制造、更新和维护方式。ED2ednc

与传统方法相比,分区架构具有诸多优点。ED2ednc

其中最突出的是减少了布线的数量和复杂性。通过本地连接到分区网关的设备,可将电缆长度缩减至最短。这既适用于数据电缆,也适用于电力电缆,因为分区网关既可以充当配电模块,也可以充当数据处理中枢。ED2ednc

此外,分区网关与中央计算集群之间的通信链路只需使用少量高速网络连接(如少量双绞线),因此也可减少电缆长度。虽然安全关键型系统的冗余是车辆内的必要常量,但分区架构仍能够显着减少铜缆的体积和重量。ED2ednc

布线尺寸的缩短,将大大简化电缆线束的安装工作。每个区域都采用模块化方式安装,而不是使用横跨整个车辆长度的线束。此外,重量减轻还能提高车辆运作效率。例如,电动汽车(EV)可以实现更长的充电间隔和更高的动力性能。ED2ednc

分区结构的另一大优点是灵活性,可将车辆电子设备分成较小的区域,能够添加或修改新功能或子系统而不影响整个系统,更容易适应不断变化的需求。在车辆的生命周期内,可以更加便利地进行更新,并提高成本效益,同时简化维修方面的工作(如更换电机和传感器)。这将使得经销商网络能够自行进行大部分的车辆保养更新和维修,不必将车辆送到更先进、更复杂的维修车间。  ED2ednc

软件驱动的功能还允许对分区网关进行调整和更新,以适应所需要的新功能。 ED2ednc

由于多个分区网关分布在车辆各处,冗余和容错能力得到增强。如果一个网关发生故障,其他网关可以继续工作,从而降低了发生严重故障(可能是灾难性故障)的风险。ED2ednc

由于车辆电子设备被划分为不同的区域,诊断工作也变得更加简单。技术人员不再需要在单一的复杂系统中寻找问题的根源。相反地,他们可以对单个区域进行评测,从而快速隔离并修复该区域的问题。  ED2ednc

就整体系统性能而言,分区架构能够在不同的分区网关之间分配处理能力,从而提高通信速度、加快响应时间并提高资源利用效率。 ED2ednc

这些关键资源之一是车辆的电力。分区架构需要更多的分布式电源,才能连接到分布在车辆各处的分区控制器。此外,ECU、电机和传感器等每个设备都需要电源。许多汽车制造商都将目光从现有的 12V 汽车电源架构转向更高的电压(最高可达 48V)。电压越高,电流就越低,同时可以使用更小的电线提供相同的功率,从而减轻重量并提高车辆的效率。ED2ednc

建立连接ED2ednc

分区架构具有明显的优势,但实际应用也将面临巨大的挑战。其中一个挑战就是设备与区域控制器之间使用的连接器。恶劣的环境条件加上对每个连接的高电路数要求,当今车辆中将需要新的、互补的连接器来支持分区系统。 ED2ednc

业界将需要新一代混合连接器将设备连接到分区网关,这种连接器既能传输电源,又能传输高速信号,即使在最恶劣的路况下也能正常工作。由于新一代连接器具有更多的功能,所需要的连接点减少了,因而大幅简化了线束安装工作。ED2ednc

与传统的板对板连接解决方案相比,用于中央计算集群的连接器还需要具有更高的弹性;它们需要提供更多的引脚数和电源连接。标准化设计将支持可互换模块,从而简化制造流程,方便升级。ED2ednc

能够适应自动装配过程的连接器,是成功采用分区架构的重要因素。 在制造商能够可靠地将电缆和连接器用于自动装配工艺之前,电缆和连接器的安装很可能仍然是手动过程。Molex莫仕作为经验丰富的汽车连接器供应商,开发了一系列基于自动安装而设计的连接解决方案。  ED2ednc

凭借旨在提高兼具灵活性和装配简便性的创新连接解决方案,使得汽车OEM厂商可以充满信心地采用分区架构的优势。 ED2ednc

参考资料ED2ednc

1. https://www.molex.com/en-us/news/molex-reveals-global-state-of-reliability-and-hardware-design-survey-reportED2ednc

责编:Franklin
文章来源及版权属于Molex莫仕公司全球产品经理Kyle Glissman,EDN电子技术设计仅作转载分享,对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。如有疑问,请联系Demi.xia@aspencore.com
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