在現(xiàn)代汽車上,電子控制系統(tǒng)與線束有著密切關(guān)系。如果把微機(jī)、傳感器與執(zhí)行元件的功能用人體來(lái)比喻，可以說(shuō)微機(jī)相當(dāng)于人腦，傳感器相當(dāng)于感覺(jué)器官，執(zhí)行元件相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)器管。顯然，只有頭腦和各種器官，沒(méi)有神經(jīng)和血管，人體的手足將不能發(fā)揮應(yīng)有的功能。
連接汽車的電氣電子部件并使之發(fā)揮功能的電線束，就是起汽車中“神經(jīng)與血管”的作用。線束是由構(gòu)成電路的電線組成，它既要確保傳送電信號(hào)，也要保證連接電路的可靠性，向電子電氣部件供應(yīng)規(guī)定的電流值，防止對(duì)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(lái)分，有傳遞傳感器輸入指令的信號(hào)線和運(yùn)載驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件(作動(dòng)器)電力的電力線二種。信號(hào)線是不運(yùn)載電力的細(xì)電線(光纖維通信)，電力線則是運(yùn)送大電流的粗電線。例如信號(hào)電路用的導(dǎo)線截面積為0.3、0.5mm2；在電機(jī)、執(zhí)行元件用的導(dǎo)線截面積為0.85、1.25mm2，而電源電路用導(dǎo)線截面積為2、3、5mm2；而特殊電路(起動(dòng)機(jī)、
交流發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)接地線等)則有8、10、15、20mm2不同規(guī)格。導(dǎo)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(shí)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(guān)的車門和跨越車身之間的電線應(yīng)該由撓曲性能良好的導(dǎo)線構(gòu)成。在溫度高的部位使用的導(dǎo)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(dǎo)線。近年來(lái)，微弱信號(hào)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(lái)也不斷進(jìn)行改進(jìn)。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(yīng)用于車頂模塊(roof module)上。
隨著現(xiàn)代汽車安全性、舒適性及環(huán)保要求的不斷提高，汽車上的電路數(shù)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(yè)面臨的問(wèn)題。本文以汽車線束為中心，并對(duì)車載通信技術(shù)的現(xiàn)狀與今后發(fā)展動(dòng)向作概要介紹。
汽車線束的發(fā)展概況
汽車線束為了適應(yīng)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(kuò)大。而事實(shí)上，為了提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和減輕重量，電線本身從原來(lái)的AV線不斷減少直徑，經(jīng)過(guò)AVS線到AVSS線。線束直徑不斷減少。而且近年來(lái)多路傳輸技術(shù)(車載局域網(wǎng)(LAN))的應(yīng)用使得電路數(shù)大為減少。圖1表示1800～2000mL排量級(jí)的乘用車上的電路數(shù)與線束最大直徑的變化過(guò)程。但是從線束的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其車載數(shù)量仍然在增加，而在高級(jí)轎車上 電路數(shù)甚至超過(guò)2000個(gè)。
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(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向(EPS)或電動(dòng)空調(diào)裝置等要求大電力負(fù)荷來(lái)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(yīng),因此被認(rèn)為是一種有效方法。另一方面,隨著電源電壓上升,也發(fā)生電磁噪聲或漏電等安全問(wèn)題,不得不采取帶屏蔽的導(dǎo)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(wǎng)應(yīng)用的普及,要求采用對(duì)電磁干擾具有高屏蔽特性的導(dǎo)線材料。
在上世紀(jì)90年代以來(lái)，以歐、美、日汽車整車公司為中心，不斷推廣使用模塊化生產(chǎn)方式，作為模塊內(nèi)配線介質(zhì)，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(kuò)大車廂空間與提高線束布置有效性的方法，預(yù)計(jì)在今后將會(huì)進(jìn)一步推廣。
隨著柔性化印刷電路應(yīng)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(fā)展。例如FPC在儀表板上的應(yīng)用與膜片(membrane)支承傳感器或在天線上應(yīng)用，就是很好的實(shí)例。
在多路通信功能方面，由于通信量增加以及擴(kuò)大在安全功能方面的應(yīng)用與多媒體信息的獲取，在這種發(fā)展形勢(shì)下向更高速、高可靠性的通信協(xié)議發(fā)展。預(yù)計(jì)今后，不僅在車輛內(nèi)部，而且在道路與車輛之間，車輛與車輛之間等領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將進(jìn)一步獲得應(yīng)用。導(dǎo)線作為汽車內(nèi)部的通信介質(zhì)，將向高速化、耐電磁干擾而且向“光化”(即采用光導(dǎo)技術(shù)發(fā)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(xiàn)有的14V提高到42V，約提高2倍，就會(huì)產(chǎn)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(dāng)觸點(diǎn)或端子分離時(shí)發(fā)生的放電現(xiàn)象。在42V場(chǎng)合，這時(shí)稱為穩(wěn)定電弧就會(huì)發(fā)生。這種電弧與14V電源電壓相比，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其放電能量也非常大。電弧的中心溫度高達(dá)幾千度，這是非常危險(xiǎn)的現(xiàn)象。
特別是插接件拔出時(shí)發(fā)生的電弧放電，由于與用戶直接接觸，因此盡早采取相應(yīng)保護(hù)措施。以下介紹如何防護(hù)插接件的電弧放電的措施。
●采取最優(yōu)化的端子材料
●有效分散端子雙觸點(diǎn)的電弧放電能量
●改進(jìn)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(guò)場(chǎng)合，被認(rèn)為對(duì)電弧放電最有限制效果的是采用磁鐵。這是指，通過(guò)磁場(chǎng)的作用，使電弧發(fā)生扭曲，增加觸點(diǎn)之間的間隙也具有同樣的效果。例如Fujikura公司就開發(fā)了這種技術(shù)，通過(guò)附加磁場(chǎng)方法與使磁通量密度最優(yōu)化，成功地使電弧放電能量穩(wěn)定下降。
該公司除了線束部件外，還開發(fā)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(jī)用線束總成等。采用R/B、J/B 42V電源箱，特別在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)規(guī)定電路之間距離。當(dāng)采用線束總成時(shí)，限制電磁噪聲是重要課題，因此要開發(fā)專用屏蔽式線束及有效防水的插接件。所以說(shuō)，在采用42V電壓方面，確實(shí)為解決有關(guān)課題作出了努力，但是由于采用屏蔽結(jié)構(gòu)與防水結(jié)構(gòu)而使重量增加。為此，在采用42V電源時(shí)必須有針對(duì)性地采取措施，對(duì)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(hù)程度，分門別類，仔細(xì)分析。這是今后重要的思路，不過(guò)，迄今42V只應(yīng)用于高級(jí)轎車上，而用于普及型轎車方面的開發(fā)還剛剛開始，因此，當(dāng)應(yīng)用42V電氣系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)整車的成本作平衡分析，這也可以說(shuō)是42V技術(shù)的共同課題。
迄今，有關(guān)42V的研究開發(fā)的世界團(tuán)體是麻省理工學(xué)院(MIT)的咨詢機(jī)構(gòu)。日本Fujikura在1999年開始加入該組織，并且參與活動(dòng)。目前，日本、歐洲與美國(guó)通過(guò)合作正在制定42V標(biāo)準(zhǔn)。可以期待，由于制定42V標(biāo)準(zhǔn)，將降低部件成本，以加速42V電源的普及。
實(shí)施42V電氣系統(tǒng)將從雙電壓(14V、42V)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)起步，逐步過(guò)渡到單一42V電氣系統(tǒng)，需要多長(zhǎng)時(shí)間才能完成由14V向42V轉(zhuǎn)變，取決于汽車電子技術(shù)的發(fā)展和消費(fèi)者承受能力。
車內(nèi)局域網(wǎng)(LAN)通信協(xié)議的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向
隨著電子技術(shù)在汽車上廣泛應(yīng)用,導(dǎo)致車身布線龐大而復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高級(jí)轎車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2km，電氣接點(diǎn)可達(dá)1500個(gè)，因而汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為汽車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。
很早以來(lái)，多路通信技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。可是，多路通信技術(shù)由于價(jià)格昂貴只用于高級(jí)車上。近年來(lái)，車用電子系統(tǒng)不斷增加，數(shù)據(jù)輸送速度不足，并且小型經(jīng)濟(jì)型車也要求向高功能方向發(fā)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(guó)外轎車上開始使用控制器局域網(wǎng)(CAN)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。
現(xiàn)在,最多使用的通信協(xié)議就是高速CAN，其中最重要的局域網(wǎng)應(yīng)用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與部件車身系通信。控制器局域網(wǎng)(CAN)的特點(diǎn)是，事件觸發(fā)器(Event trigger)、CSMA/CA方式(如果
總線空載，則所有電控單元均能發(fā)出信號(hào)，而當(dāng)信號(hào)沖突時(shí)，讓高優(yōu)先度信號(hào)先發(fā)出，然后再是其他信號(hào)發(fā)出)。當(dāng)網(wǎng)上信息量增加時(shí)，就很難保證響應(yīng)時(shí)間和預(yù)測(cè)性。在現(xiàn)代高級(jí)轎車上設(shè)有70個(gè)以上電控單元，由于網(wǎng)絡(luò)上信息量有不斷增加的趨勢(shì)，所以網(wǎng)絡(luò)加以分割，在每一個(gè)車身系或動(dòng)力傳動(dòng)系分別設(shè)有網(wǎng)絡(luò)，只有必需的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)間連接器(gateway)進(jìn)行轉(zhuǎn)接(在車輛內(nèi)應(yīng)用二個(gè)通信協(xié)議)。
以下概要介紹車身系、動(dòng)力傳動(dòng)系、多媒體系統(tǒng)及用于安全系統(tǒng)的車內(nèi)局域網(wǎng)。
1.車身系
(1)低速控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network.～125kbps)這是CAN的低速版本。其構(gòu)成與高速CAN基本相同，但是在雙線式總線中，即使單側(cè)發(fā)生故障(短路、斷線)仍然繼續(xù)通信。導(dǎo)線介質(zhì)是銅線，使用單線或雙絞電線。
(2)LIN(Local Interconnect Network,～20kbps)
LIN是局部互聯(lián)網(wǎng)，這是車身系統(tǒng)低速通信專用的通信協(xié)議，使用成本低(I/F為通用型的UART)，主/從方式(采用單個(gè)主控制器/多個(gè)從設(shè)備的方式)。Rev.2.0規(guī)格已經(jīng)公布(2003年9月)，導(dǎo)線采用銅線(單線)。
2.動(dòng)力傳動(dòng)系
(1)高速控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,～1Mbps)
這是現(xiàn)在最廣泛使用的車內(nèi)局域網(wǎng)通信協(xié)議。其特點(diǎn)是，事件
觸發(fā)器，CSMA/CA方式。預(yù)計(jì)在北美自2007年開始，高速CAN(500kbps)作為診斷用通信協(xié)議將制定標(biāo)準(zhǔn)并成為法規(guī)。導(dǎo)線為銅線，一般使用雙絞線。
(2)FlexRay(～10Mbps)
FlexRay是高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,是新一代的車內(nèi)局域網(wǎng)通信協(xié)議。以歐洲為中心，正在開發(fā)中。Ver.2.0規(guī)格已公布(2004年9月)，其特點(diǎn)是高速性，采用TDMA方式(采用同步方式，以通信程序進(jìn)行管理)，高可靠性(設(shè)有雙線束驅(qū)動(dòng)器，具有信號(hào)發(fā)送定時(shí)監(jiān)視功能)，可考慮應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)中，搭載Flex Ray的汽車預(yù)計(jì)在2008年問(wèn)世。在Ver.2.0上使用銅線。
(3)多媒體系統(tǒng)
①M(fèi)OST(Media Oriented Systems Transport,～24.5Mbps)
它是以歐洲車為中心，已經(jīng)實(shí)用化。通信導(dǎo)線使用塑料光纖(POF:plastic fiber)。
②IDB-1394(～400Mbps)
這是廣泛應(yīng)用于個(gè)人微機(jī)的周邊設(shè)備、家電的
IEEE1394的車載版，導(dǎo)線為銅線及塑料光纖(POF),但尚未用于車輛上，不過(guò)在2004年世界智能交通系統(tǒng)(ITS)會(huì)議在日本愛知、名古屋展出過(guò)試制車。
4.安全系統(tǒng)
(1)Safe-by-wire(～160kbps)
Safe-by-wire就是車載安全系統(tǒng)的電子線控，它是應(yīng)用在安全氣囊等安全系統(tǒng)的專門通信協(xié)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(diǎn)是電源重疊方式，TDMA方式，高可靠性(網(wǎng)絡(luò)雙重化)導(dǎo)線采用銅線。
現(xiàn)在正在對(duì)車身系的各個(gè)系統(tǒng)適用的專用通信協(xié)議進(jìn)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(duì)各系統(tǒng)最適用的通信協(xié)議。
對(duì)于通信線束來(lái)說(shuō)，由于通信速度的高速化發(fā)展，必須考慮電磁兼容性(EMC)問(wèn)題而采取必要的屏蔽措施。將來(lái)有可能從現(xiàn)在采用的雙絞線改為屏蔽線或者進(jìn)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(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)輕量化。由玻璃制造的光纖的應(yīng)用將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高速通信，但必須解決成本、組裝性、環(huán)境友好性諸類的問(wèn)題。
此外，通過(guò)車內(nèi)局域網(wǎng)的擴(kuò)大應(yīng)用，使電控單元(ECU)軟件開發(fā)作業(yè)增加。由于是專業(yè)軟件，因此很難在其他車種上再利用。所以，為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)在出現(xiàn)了基礎(chǔ)軟件通用化應(yīng)用的動(dòng)向，如AUTOSAR，JASPAR通用化基礎(chǔ)軟件。通過(guò)應(yīng)用通用化基礎(chǔ)軟件，不需要有意識(shí)地區(qū)別硬件的不同，所以可以提高開發(fā)效率(只屬于應(yīng)用性開發(fā))，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的再利用。由此可以縮短開發(fā)時(shí)間，提高質(zhì)量以確保汽車整車公司與汽車零部件制造公司的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
從通信基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)看，車內(nèi)局域網(wǎng)的特點(diǎn)與難點(diǎn)
通過(guò)CATV或ADSL的英特網(wǎng)連接服務(wù)成為寬帶網(wǎng)絡(luò)英特網(wǎng)的快速普及的原動(dòng)力。而且也通過(guò)FTTH連接，在2004年每月有8萬(wàn)～9萬(wàn)用戶以上增加數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日本用戶應(yīng)用CATV約274萬(wàn)戶，而應(yīng)用ADSL則約1233萬(wàn)戶，超過(guò)150萬(wàn)人。在很短時(shí)間中大幅度增加(據(jù)2004年7月，日本總務(wù)省統(tǒng)計(jì))。此外，由于家庭內(nèi)與網(wǎng)絡(luò)匹配的機(jī)器增加，不僅在辦公室，甚至在家庭中，無(wú)線局域網(wǎng)也在不斷普及。而且以i-mode為代表的通過(guò)手機(jī)(便攜式電話)進(jìn)行英特網(wǎng)訪問(wèn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年8月在日本用戶(加入者)已經(jīng)超過(guò)7000萬(wàn)人，在日本國(guó)內(nèi)成為最大英特網(wǎng)的應(yīng)用手段。
于是，在英特網(wǎng)作為個(gè)人的信息交流為主的通信基礎(chǔ)設(shè)施的今天，不論是乘車時(shí)使用，還是以其他任何方式應(yīng)用英特網(wǎng)，就成為來(lái)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(chǎng)合，作為車輛的作用，并不是提供在車內(nèi)利用PC機(jī)時(shí)的環(huán)境，而且車輛本身與英特網(wǎng)連接，由汽車本身進(jìn)行信息的發(fā)射與接收，例如在車輛導(dǎo)航裝置等方面，很多已經(jīng)搭載在汽車上的信息設(shè)備也追加英特網(wǎng)功能，從而也為擴(kuò)大汽車的方便性更好結(jié)合實(shí)際需要。以下對(duì)現(xiàn)有的車載式信息設(shè)施擴(kuò)大或增加網(wǎng)絡(luò)功能場(chǎng)合所遇到的問(wèn)題作概要說(shuō)明。
1.現(xiàn)有的車內(nèi)局域網(wǎng)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(shí)為了減少或限制線束的重量而考慮到推廣應(yīng)用英特網(wǎng)，但是，與此同時(shí)傳送的信息量增加，作為現(xiàn)在屬于主流通信協(xié)議的控制器局域網(wǎng)中已經(jīng)到了能力飽和的狀態(tài)。因此，根據(jù)用途采用二個(gè)(或多個(gè))通信協(xié)議作為解決方法。并且也在考慮采用FlexRay等新的標(biāo)準(zhǔn)。
與此同時(shí)，在現(xiàn)有的車內(nèi)局域網(wǎng)中，能夠進(jìn)行直接IP通信，由于受到各個(gè)通信協(xié)議或用途的制約而變得困難。例如在CAN場(chǎng)合，在1幀中能夠傳送的數(shù)據(jù)只有8 byte(位)，即使IPv4的header(20byte)為了發(fā)射信號(hào)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(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)用的通信協(xié)議，已部分實(shí)裝使用，而且對(duì)
IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)也正在重新分析。利用MOST也將使IP的應(yīng)用達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。
IEEE1394與袖珍式音樂(lè)收放機(jī)或PC機(jī)，以及以單體形式銷售使用的信息機(jī)有良好的親和性。如果使它滿足車載的多變環(huán)境條件，那么就能夠在車輛上搭載各種信息機(jī)。
由于這種狀況,車內(nèi)局域網(wǎng),以及與控制器局域網(wǎng)(CAN)等的控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)的通信局域網(wǎng)一起,則有希望將采用能夠處理IP方式的娛樂(lè)節(jié)目或車輛導(dǎo)航信息用的適合于大容量傳送的通信協(xié)議。
此外，為了采用42V電氣系統(tǒng)，也必須考慮加速應(yīng)用具有高抗電磁噪聲的光導(dǎo)纖維，在特定的信息機(jī)器之間也可能利用以太網(wǎng)(Ethernet)，而且，今后也有可能利用藍(lán)牙(Blue Tooth)與汽車自診斷系統(tǒng)連接，汽車本身實(shí)現(xiàn)多媒體化，這些可能性或許都會(huì)出現(xiàn)。
2.車外:與英特網(wǎng)連接
隨著英特網(wǎng)的普及，不僅在公司中，就是在一般家庭中，IEEE802.11等的無(wú)線局域網(wǎng)也在不斷進(jìn)入。所以，在與車輛連接時(shí)，目前不要過(guò)多注意特別的通信協(xié)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(yīng)用。
3.移動(dòng)中連接與車與車之間的連接
移動(dòng)體英特網(wǎng)連接是汽車特有的課題。利用便攜式電話(手機(jī))的服務(wù)已經(jīng)逐步實(shí)用化，但是還存在著通信速度或通信收費(fèi)諸類的課題。
另一方面，不一定把IP通信作為前提，但是，在不停車收費(fèi)的車載器(ETC)中使用的DSRC的服務(wù)則仍在研討中，使人注目。
此外，以無(wú)線方式的車與車之間通信的實(shí)用化為目的車輛通信聯(lián)合體(Car 2 Car Communication Consortium)于2004年已成立，其動(dòng)向也令人注目。(e
