冷科技 聊聊不為人知的汽車大腦和神經
發布日期:2019-06-25        



如果讓1950年的汽車工程師看當今的汽車,我猜除了能認出汽車的形狀,從動力系統到電子架構可能都會顛覆當時的認知。的確,汽車正越來越“接近”它的發明者——人類,當年所謂的幾個沙發加四個輪子的時代可能真的一去不復返了。




盡管人類關于自身奧秘的研究還有很長的路要走,但這并不影響我們了解一些基本的知識,比如大腦、軀干、內臟、神經系統等。其中,神經系統和大腦是尤為神秘和重要的存在。用這些認知去理解汽車,顯然有事半功倍之妙。汽車同樣有“大腦”和“神經系統”,通俗的說就是ECU或者更廣一點就是嵌入式軟件驅動的汽車功能,而神經系統就是看起來有些不太起眼的電子線束。這一期《冷科技》我們就來聊聊不為人知的汽車“神經系統”。


 

◆讓我們從一臺松綠色的凱迪拉克開始聊起

 


上學的時候,汽車電子算是讓我比較頭痛的一科,電路圖學習、線束圖識讀等都挺復雜,但如果我們回顧汽車電子架構的進化史,你就會明白這些看起來眼花繚亂的線束并不是一蹴而就的,可以說汽車電子架構從誕生到現在是發生了巨大的變化,而這種巨大的變化顯然與電子技術的發展密不可分。






這個情況1980年前基本沒有太多變化,即使在1970年世界先進國家開始有排放要求以及電子模塊出現,但因為電子技術的滯后,依然處于展望階段。這時候英特爾出現了,英特爾帶來的科技技術和理念給汽車行業帶來了新的生機。

 















來到當下,2020年汽車電子的關鍵詞在于“機動性”,這是國際上大部分深耕汽車電氣架構供應商們比較認可的方向。

 




怎么理解呢?我們現階段的汽車(也包括所謂的智能汽車、互聯網汽車)都面臨的一個問題是新的車載系統如何突破汽車機載的限制,同時大量的車載數據以及4G甚至即將到來的5G都對線纜和連接器提出了新的要求。



 



據相關數據,如今,一臺搭載有L2.5級主動安全功能汽車的單位時間平均數據量已經達到阿波羅登月時所產生數據量的10幾倍!如此龐大的數據傳輸,對汽車的神經系統提出了前所未有的要求和挑戰。更多的數據傳輸并非僅僅增加線束即可。




要將5.6千米的線路和連接器裝配進當前的汽車中,顯然是不切實際的——因為如此長的導線不僅要在有限的車體上搶占更多空間,也與汽車輕量化的趨勢背道而馳。此外,更加密集的線束將使得導線之間更容易受到影響,對保障系統的安全穩定極為不利。

 


汽車擁有更多的特性,就意味著與以往相比,汽車需要配備更強的運算能力、處理更多的數據以及分配更高的功率。隨著汽車逐漸演變成一臺功能越來越多、互聯程度越來越高的超級計算機,它的架構和基礎已經需要進行徹底的革新。因為過去傳統的汽車架構方式已經不再有效,無法支持汽車應用和復雜性的增長。

 


◆輕量化的線束和革新的架構

 


當我們明白了汽車電氣架構目前的狀態后,下面的問題就很清晰了,我們需要重新審視汽車的整體架構。以前,如果要為汽車添加一個新特性,如加熱座椅,只需添加一個新的操作模塊和線路就可以了。但如今這樣做已經行不通了!因為車內已經有了太長的線束,即使線束能夠在車內布置,但過多的線束產生的電磁干擾問題就會變得突出,因此供應商們開始動腦筋。

 


從表現上看,解決問題的方向很清晰,一個是線束一個是架構,兩者解決一個就能省去不少問題,如果兩者都可以解決必然1+1>2。那么現階段的汽車線束大體是個什么情況呢?

 


現階段汽車線束的制造體系大致有兩類:一類是歐美國家規范(包括中國),這一類大多使用TS16949體系來對制造過程進行控制;第二類是日系,比如本田、豐田都有自己的制造體系。這個制造體系中,安波福在歐美車企中占主導位置,而矢崎則是日系的巨頭。我們本土的線束生產商也很多,但所占份額較小,同時單體規模也不大,類似天海集團、南通友星、柳州雙飛等都是比較知名的國內供應商企業,但這些企業大多處于發展上升階段。

 




線材很容易理解,它的規格是以橫截面積來規范,比如0.5/0.75/1等平方毫米的電線,現在供應商們主要是通過減小橫截面積來減小線束的重量,這對加工工藝和材料有較高的要求。




線束外面則會有一些管材、膠帶進行線束的保護。不要小看這些材料,每個部分其實都經過細致設計和精心挑選。





其中耐磨性最好的就是布基膠帶,這種膠帶最高還能耐150℃的高溫,但價格較高,同時阻燃效果不好。絨布膠帶耐溫在105℃左右,降噪性能最好,但同樣阻燃性能不好。PVC膠帶相比而言最便宜,同時耐磨性和阻燃性不錯,只是耐溫性能較差。由于線束(低壓)零部件多而且雜亂,同時70%需要手工制造,因此其毛利和生產效率較低,尤其價格對于原材料如銅、鋁等的價格較為敏感。




汽車的沖壓工序,是先把最基本的零件完成。開線同樣如此,先把最基本的單根線束搞定,確定長度、類型等,壓接主要是我們上面提到的端子,對端子和線束進行壓接,完成后進行絞接線和預裝,最后在工裝板上進行總裝和最終測試。




但總裝工藝則需要大量人工勞動力,首先每個線束的生產都是獨一無二的,畢竟每臺車的配置不同,那么產生的線束也不同,其次總裝需要在工裝板上完成,工裝板是供應商們專門設計開發的裝配臺班,工人們需要將各種小的分線在工裝板上組裝,同時用膠帶去包扎,按照保護件等,這套總裝流水線成本巨大,而需要熟練的工人,而越來越復雜的汽車電氣架構,顯然也對這個工藝帶來的挑戰。

 


那么回到我們本章節最初的問題,面對現階段的線束和越來越復雜的汽車電氣結構,如果進行接下來的發展呢?我想可以以目前汽車線束領域的大鱷安波福為例進行說明:首先我們來看線束方面,安波福首先研制了更細的導線,從重量和體積方面進行升級。比如直徑0.13平方毫米的超細導線,這種線束可以大大降低了導線的體積和重量。材料方面則是用鋁導線替代銅導線,也降低了導線的重量和成本。

 


這些方面確實起到了一定作用,但不可否認,即使經過不斷減重和體積縮小,始于上世紀90年代末期的基礎電氣架構也已經無法完全滿足當前的需求,更別提對數據傳輸和安全冗余有著極高要求的未來無人駕駛汽車了。因此安波福從最基礎的架構方面也進行了布局(當然,這里線束供應商們都在電氣架構方面進行了研究),這就是SVA汽車電子架構。

 





現階段汽車線束已經到了一定的瓶頸,這個行業也即將迎來巨大變革,5G的應用勢必會推進新一代線纜技術和連接器的發展,而隨著主動安全功能的普及,網絡安全性和多重冗余以及容錯機制也需要盡快發展,同時隨著用電器和電壓的升高,多電壓分區也必將增加汽車電氣化的復雜程度,未來的汽車架構究竟會怎樣,還需要供應商們進一步研究。

 


◆進入超級計算時代

 


線束的發展和電子技術的蓬勃密不可分,這也導致了汽車平臺需要的計算能力越來越強。一般來說,像自動駕駛這一類的高級汽車功能,都是需要依托非常強大的計算能力才能實現。說到這里,或許會有人問,計算能力怎樣衡量呢?怎樣才算強大呢?在計算機領域,常用每秒可以進行浮點運算的次數來衡量計算能力。在當前,汽車的浮點運算能力每秒不足萬億次,折算下來還不如1臺iPhone 8。然而,一輛自動駕駛車輛需要的浮點運算能力超過了每秒200萬億次,相當于500多臺iPhone 8的運算能力總和。

 


因此,當汽車變得越來越像一臺計算機時,你需要的或許就不僅僅是能載著我們移動這么簡單了,你需要的是一個有超強運算能力的平臺,同時可以滿足高速的數據傳輸,只有這樣,才能保證在未來的高級輔助駕駛甚至自動駕駛中不被淘汰,而這也是供應商、車企們目前最需要探討的方向。    

 


編輯點評:隨著計算平臺的日益強大,我們可以更好地把硬件從軟件中分離出來。未來,汽車會變得越來越像個人計算機,最后發展成為可以安裝各種不同軟件的平臺。在硬件需要更長研發時間才能進入市場的情況下,我們可以將軟件開發獨立于硬件之外,這一點非常重要。就像手機一樣,開發app一定會比開發并推出一款新的智能機要快得多,這是相同的道理。由于新的軟件可以不斷加裝進汽車平臺,舊的軟件也可以不斷更新升級,所以只要你的汽車還在使用周期內,它就永遠不會落伍。

 


而對于汽車線束方面,國外生產商已經形成了一定的技術壁壘,國內供應商還處在成長期,如果平衡這個關系可能是現階段國內車企需要考慮的問題,而對于中國供應商來說,較低的毛利潤率也限制了發展的速度,但5G的到來也是一個機會,只有把握好時機才能迎頭趕上。  


來源:電子工程世界-汽車電子
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