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在現代汽車上,電子控制系統與線束有著密切關系。如果把微機、傳感器與執行元件的功能用人體來比喻，可以說微機相當于人腦，傳感器相當于感覺器官，執行元件相當于運動器管。顯然，只有頭腦和各種器官，沒有神經和血管，人體的手足將不能發揮應有的功能。 連接汽車的電氣電子部件并使之發揮功能的電線束，就是起汽車中“神經與血管”的作用。線束是由構成電路的電線組成，它既要確保傳送電信號，也要保證連接電路的可靠性，向電子電氣部件供應規定的電流值，防止對周圍電路的電磁干擾，并要排除電器短路。 汽車的線束從功能來分，有傳遞傳感器輸入指令的信號線和運載驅動執行元件(作動器)電力的電力線二種。信號線是不運載電力的細電線(光纖維通信)，電力線則是運送大電流的粗電線。例如信號電路用的導線截面積為0.3、0.5mm2；在電機、執行元件用的導線截面積為0.85、1.25mm2，而電源電路用導線截面積為2、3、5mm2；而特殊電路(起動機、交流發電機、發動機接地線等)則有8、10、15、20mm2不同規格。導線截面積越大，電流容量也越大。電線的選擇，除了考慮電氣性能外，還要受到車載時物理性能的制約，因此其選擇范圍很廣。例如，出租汽車上的頻繁開/關的車門和跨越車身之間的電線應該由撓曲性能良好的導線構成。在溫度高的部位使用的導線，一般采用絕緣性和耐熱性良好的氯乙烯、聚乙烯包覆的導線。近年來，微弱信號電路使用的電磁屏蔽線也不斷增加。 另外，連接線束與電子、電氣部件、電路的重要部件——接插件近年來也不斷進行改進。例如采用電阻焊制造的車用接插件與新型線束材料成功應用于車頂模塊(roof module)上。 隨著現代汽車安全性、舒適性及環保要求的不斷提高，汽車上的電路數量與用電量顯著增加，從而使大量線束在有限的汽車空間中如何更有效合理布置已成為汽車制造業面臨的問題。本文以汽車線束為中心，并對車載通信技術的現狀與今后發展動向作概要介紹。 汽車線束的發展概況 汽車線束為了適應車輛的高功能化和用戶需求的多樣化，在車上占用空間逐漸擴大。而事實上，為了提高汽車的燃油經濟性和減輕重量，電線本身從原來的AV線不斷減少直徑，經過AVS線到AVSS線。線束直徑不斷減少。而且近年來多路傳輸技術(車載局域網(LAN))的應用使得電路數大為減少。圖1表示1800～2000mL排量級的乘用車上的電路數與線束最大直徑的變化過程。但是從線束的發展趨勢來看，其車載數量仍然在增加，而在高級轎車上電路數甚至超過2000個。 作為減輕線束重量的有效方法之一是電源電壓采用42V。從電動動力轉向(EPS)或電動空調裝置等要求大電力負荷來看，由于在不增加電流的條件下(電線截面積不增加)有可能增加電力供應,因此被認為是一種有效方法。另一方面,隨著電源電壓上升,也發生電磁噪聲或漏電等安全問題,不得不采取帶屏蔽的導線或防水接插件,于是又使線束的重量增加。因此,隨著車載局域網應用的普及,要求采用對電磁干擾具有高屏蔽特性的導線材料。 在上世紀90年代以來，以歐、美、日汽車整車公司為中心，不斷推廣使用模塊化生產方式，作為模塊內配線介質，采用平面配線材料例如柔性化印刷電路(FPC：flexible printed circuit)或柔性化平面電纜(FFC：flexible flat cable)。在模塊中特別是配線空間非常有限的車頂、車門及配電板(Console)中，作為兼顧擴大車廂空間與提高線束布置有效性的方法，預計在今后將會進一步推廣。 隨著柔性化印刷電路應用于模塊，以及電子部件的裝配或傳感器部件的集成化，從而使配線材料向高功能方向發展。例如FPC在儀表板上的應用與膜片(membrane)支承傳感器或在天線上應用，就是很好的實例。 在多路通信功能方面，由于通信量增加以及擴大在安全功能方面的應用與多媒體信息的獲取，在這種發展形勢下向更高速、高可靠性的通信協議發展。預計今后，不僅在車輛內部，而且在道路與車輛之間，車輛與車輛之間等領域，網絡技術將進一步獲得應用。導線作為汽車內部的通信介質，將向高速化、耐電磁干擾而且向“光化”(即采用光導技術發展方向)變化。 車用線束的高電壓化(42V) 由于線束電源電壓高壓化，使消耗電流降低，電線直徑減少，因此為線束輕量化與提高線束在車上的組裝方便性提供了可能。可是，電源電壓從現有的14V提高到42V，約提高2倍，就會產生很多必須解決的課題， ·泄漏 ·短路 ·電蝕 ·電磁噪聲 ·電弧放電 其中最重要也是最不易解決的是電弧放電。電弧放電是指通電中，當觸點或端子分離時發生的放電現象。在42V場合，這時稱為穩定電弧就會發生。這種電弧與14V電源電壓相比，延續時間長，其放電能量也非常大。電弧的中心溫度高達幾千度，這是非常危險的現象。 特別是插接件拔出時發生的電弧放電，由于與用戶直接接觸，因此盡早采取相應保護措施。以下介紹如何防護插接件的電弧放電的措施。 ● 采取最優化的端子材料 ● 有效分散端子雙觸點的電弧放電能量 ● 改進插接件殼體以提高插接件的拔出速度 ● 采用磁鐵消除電弧放電 其中，在大中電流通過場合，被認為對電弧放電最有限制效果的是采用磁鐵。這是指，通過磁場的作用，使電弧發生扭曲，增加觸點之間的間隙也具有同樣的效果。例如Fujikura公司就開發了這種技術，通過附加磁場方法與使磁通量密度最優化，成功地使電弧放電能量穩定下降。 該公司除了線束部件外，還開發了熔斷器與搭載繼電器的42V用電源箱(R/B,J/B)或42V三相同步電機用線束總成等。采用R/B、J/B 42V電源箱，特別在發動機艙容易沾水的地方，漏電、電蝕等影響尤為顯著，因此必須適當規定電路之間距離。當采用線束總成時，限制電磁噪聲是重要課題，因此要開發專用屏蔽式線束及有效防水的插接件。所以說，在采用42V電壓方面，確實為解決有關課題作出了努力，但是由于采用屏蔽結構與防水結構而使重量增加。為此，在采用42V電源時必須有針對性地采取措施，對不必要部件要加以剔除，而且在采取措施方面，也要講究保護程度，分門別類，仔細分析。這是今后重要的思路，不過，迄今42V只應用于高級轎車上，而用于普及型轎車方面的開發還剛剛開始，因此，當應用42V電氣系統時必須對整車的成本作平衡分析，這也可以說是42V技術的共同課題。 迄今，有關42V的研究開發的世界團體是麻省理工學院(MIT)的咨詢機構。日本Fujikura在1999年開始加入該組織，并且參與活動。目前，日本、歐洲與美國通過合作正在制定42V標準。可以期待，由于制定42V標準，將降低部件成本，以加速42V電源的普及。 實施42V電氣系統將從雙電壓(14V、42V)結構系統起步，逐步過渡到單一42V電氣系統，需要多長時間才能完成由14V向42V轉變，取決于汽車電子技術的發展和消費者承受能力。 車內局域網(LAN)通信協議的現狀與發展動向 隨著電子技術在汽車上廣泛應用,導致車身布線龐大而復雜。據統計,一輛采用傳統布線方法的高級轎車中，其導線長度可達2km，電氣接點可達1500個，因而汽車網絡技術應運而生，成為汽車技術發展的一個方向。 很早以來，多路通信技術被看成解決車用線束不斷增加的方法。世界各大汽車制造公司都制定專用標準。可是，多路通信技術由于價格昂貴只用于高級車上。近年來，車用電子系統不斷增加，數據輸送速度不足，并且小型經濟型車也要求向高功能方向發展，再加上線束不斷增加，形成“肥大化”，因此，以此為背景，自2000年開始，在國外轎車上開始使用控制器局域網(CAN)的標準通信協議。 現在,最多使用的通信協議就是高速CAN，其中最重要的局域網應用于動力傳動系統與部件車身系通信。控制器局域網(CAN)的特點是，事件觸發器(Event trigger)、CSMA/CA方式(如果總線空載，則所有電控單元均能發出信號，而當信號沖突時，讓高優先度信號先發出，然后再是其他信號發出)。當網上信息量增加時，就很難保證響應時間和預測性。在現代高級轎車上設有70個以上電控單元，由于網絡上信息量有不斷增加的趨勢，所以網絡加以分割，在每一個車身系或動力傳動系分別設有網絡，只有必需的數據通過網間連接器(gateway)進行轉接(在車輛內應用二個通信協議)。 以下概要介紹車身系、動力傳動系、多媒體系統及用于安全系統的車內局域網。 1. 車身系 (1)低速控制器局域網CAN(Controller Area Network.～125kbps) 這是CAN的低速版本。其構成與高速CAN基本相同，但是在雙線式總線中，即使單側發生故障(短路、斷線)仍然繼續通信。導線介質是銅線，使用單線或雙絞電線。 (2)LIN(Local Interconnect Network,～20kbps) LIN是局部互聯網，這是車身系統低速通信專用的通信協議，使用成本低(I/F為通用型的UART)，主/從方式(采用單個主控制器/多個從設備的方式)。Rev.2.0規格已經公布(2003年9月)，導線采用銅線(單線)。 2. 動力傳動系 (1)高速控制器局域網(Controller Area Network,～1Mbps) 這是現在最廣泛使用的車內局域網通信協議。其特點是，事件觸發器，CSMA/CA方式。預計在北美自2007年開始，高速CAN(500kbps)作為診斷用通信協議將制定標準并成為法規。導線為銅線，一般使用雙絞線。 (2)FlexRay(～10Mbps) FlexRay是高速容錯網絡協議,是新一代的車內局域網通信協議。以歐洲為中心，正在開發中。Ver.2.0規格已公布(2004年9月)，其特點是高速性，采用TDMA方式(采用同步方式，以通信程序進行管理)，高可靠性(設有雙線束驅動器，具有信號發送定時監視功能)，可考慮應用于汽車安全系統中，搭載Flex Ray的汽車預計在2008年問世。在Ver.2.0上使用銅線。 (3)多媒體系統 ①MOST(Media Oriented Systems Transport,～24.5Mbps) 它是以歐洲車為中心，已經實用化。通信導線使用塑料光纖(POF：plastic fiber)。 ②IDB-1394(～400Mbps) 這是廣泛應用于個人微機的周邊設備、家電的IEEE1394的車載版，導線為銅線及塑料光纖(POF),但尚未用于車輛上，不過在2004年世界智能交通系統(ITS)會議在日本愛知、名古屋展出過試制車。 4. 安全系統 (1)Safe-by-wire(～160kbps) Safe-by-wire就是車載安全系統的電子線控，它是應用在安全氣囊等安全系統的專門通信協議。Safe-by-wire Consortium與BST合并，成立Safe-by-wire plus Consortium，并公布了ASR2.0(2004年9月)。其特點是電源重疊方式，TDMA方式，高可靠性(網絡雙重化)導線采用銅線。 現在正在對車身系的各個系統適用的專用通信協議進行分析。今后，由于成本、信息量及其所要求的可靠性，必須考慮使用對各系統最適用的通信協議。 對于通信線束來說，由于通信速度的高速化發展，必須考慮電磁兼容性(EMC)問題而采取必要的屏蔽措施。將來有可能從現在采用的雙絞線改為屏蔽線或者進一步改為塑料光纖(POF)。采用塑料光纖既能解決電磁兼容性問題，又能實現輕量化。由玻璃制造的光纖的應用將進一步實現更高速通信，但必須解決成本、組裝性、環境友好性諸類的問題。 此外，通過車內局域網的擴大應用，使電控單元(ECU)軟件開發作業增加。由于是專業軟件，因此很難在其他車種上再利用。所以，為了解決這一問題，現在出現了基礎軟件通用化應用的動向，如AUTOSAR，JASPAR通用化基礎軟件。通過應用通用化基礎軟件，不需要有意識地區別硬件的不同，所以可以提高開發效率(只屬于應用性開發)，實現應用軟件的再利用。由此可以縮短開發時間，提高質量以確保汽車整車公司與汽車零部件制造公司的國際競爭力。 從通信基礎設施來看，車內局域網的特點與難點 通過CATV或ADSL的英特網連接服務成為寬帶網絡英特網的快速普及的原動力。而且也通過FTTH連接，在2004年每月有8萬～9萬用戶以上增加數。據統計，在日本用戶應用CATV約274萬戶，而應用ADSL則約1233萬戶，超過150萬人。在很短時間中大幅度增加(據2004年7月，日本總務省統計)。此外，由于家庭內與網絡匹配的機器增加，不僅在辦公室，甚至在家庭中，無線局域網也在不斷普及。而且以i-mode為代表的通過手機(便攜式電話)進行英特網訪問。據統計，2004年8月在日本用戶(加入者)已經超過7000萬人，在日本國內成為最大英特網的應用手段。 于是，在英特網作為個人的信息交流為主的通信基礎設施的今天，不論是乘車時使用，還是以其他任何方式應用英特網，就成為來自用戶的自然要求，即使車輛在變化，這種趨向仍是自然流行的。在這種場合，作為車輛的作用，并不是提供在車內利用PC機時的環境，而且車輛本身與英特網連接，由汽車本身進行信息的發射與接收，例如在車輛導航裝置等方面，很多已經搭載在汽車上的信息設備也追加英特網功能，從而也為擴大汽車的方便性更好結合實際需要。以下對現有的車載式信息設施擴大或增加網絡功能場合所遇到的問題作概要說明。 1. 現有的車內局域網的課題 隨著汽車高功能化而增加的電控單元(ECU)，為了有效搭載在汽車上，同時為了減少或限制線束的重量而考慮到推廣應用英特網，但是，與此同時傳送的信息量增加，作為現在屬于主流通信協議的控制器局域網中已經到了能力飽和的狀態。因此，根據用途采用二個(或多個)通信協議作為解決方法。并且也在考慮采用FlexRay等新的標準。 與此同時，在現有的車內局域網中，能夠進行直接IP通信，由于受到各個通信協議或用途的制約而變得困難。例如在CAN場合，在1幀中能夠傳送的數據只有8 byte(位)，即使IPv4的header(20byte)為了發射信號也必需3幀，如果UDP或TCP的上位層也包括的話，則必要的幀數還要增加。由于這些幀造成總線的壓擠，從而引起車輛控制數據的滯后或缺失，這是必須避免的。 另一方面，MOST作為多媒體系統用的通信協議，已部分實裝使用，而且對IEEE1394標準也正在重新分析。利用MOST也將使IP的應用達到標準規格。 IEEE1394與袖珍式音樂收放機或PC機，以及以單體形式銷售使用的信息機有良好的親和性。如果使它滿足車載的多變環境條件，那么就能夠在車輛上搭載各種信息機。 由于這種狀況,車內局域網,以及與控制器局域網(CAN)等的控制系統、安全系統的通信局域網一起,則有希望將采用能夠處理IP方式的娛樂節目或車輛導航信息用的適合于大容量傳送的通信協議。 此外，為了采用42V電氣系統，也必須考慮加速應用具有高抗電磁噪聲的光導纖維，在特定的信息機器之間也可能利用以太網(Ethernet)，而且，今后也有可能利用藍牙(Blue Tooth)與汽車自診斷系統連接，汽車本身實現多媒體化，這些可能性或許都會出現。 2. 車外：與英特網連接 隨著英特網的普及，不僅在公司中，就是在一般家庭中，IEEE802.11等的無線局域網也在不斷進入。所以，在與車輛連接時，目前不要過多注意特別的通信協議，而合理的是利用IEEE802.11b,g,或者IEEEE802.1a，此外為了確保安全可靠，或許也要考慮IPv6的應用。 |
