一種具備ADAS功能的電動車功能樣車的快速開發方法

楊振業

(聯車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

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一種具備ADAS功能的電動車功能樣車的快速開發方法

楊振業

(聯車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

著重介紹一種基于現有汽油車平臺、具備ADAS功能的電動汽車的設計開發方法。完成后的電動汽車使用全新的三電一屏系統，并保持原車自適應巡航、自動泊車等ADAS功能，達到在最短時間內開發出一輛擁有ADAS功能的電動汽車全功能樣車的目的。

電動汽車；CAN總線；電氣架構；ADAS系統；網關

0 引言

在電動汽車越來越多的今天，隨著國內電動汽車生產企業準入政策的開放，越來越多的新興廠商不斷地嘗試進入電動乘用車研發制造這個全新的領域。而另一方面，隨著特斯拉等新電動車制造商的出現，對于未來電動汽車的定義也不斷向著智能化的方向前進，各種先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assist System， ADAS)都出現在電動汽車的功能規劃中。目前國內嘗試電動汽車研發制造的新興廠商大多都致力于研發三電一屏(電驅動，動力電池，電池管理，儀表/中控大屏)，但目前由于經驗、成本等眾所周知的原因，新興廠商只能使用市面上能夠購買得到的車輛進行功能樣車的開發。盡管如此，如何能夠在短時間內使用自行研發的三電一屏系統，快速開發一輛具備ADAS功能的全功能樣車，對于沒有任何車輛設計制造以及整車系統集成經驗積累的新興廠商來說仍然是一個非常困難的課題。基于這個原因，作者提出了一種基于現有汽油車平臺開發的設計方法，并用三電一屏系統代替原車相關系統，更改完成后仍然保證原車其他基本功能以及ADAS功能可用。最終通過項目實踐，成功完成全功能樣車的開發。此方法僅涉及整車功能層面如何實現，不涉及如何更改機械結構、物理參數、安裝布置等。

1 可行性理論分析

對于當代乘用車，尤其是對于像GM、福特、大眾等國際汽車巨頭，整車的電子化程度已經相當高，幾乎每個功能的實現都已經實現電子化。圖1是一輛福特福克斯汽車中電子控制模塊的分布情況。可以看到：正是各個控制模塊的存在，才能確保整車功能的正常實現。而各個模塊之間的信息傳遞交互則交由CAN-Bus總線進行傳輸。CAN-Bus(Controller Area Network Bus)即控制器局域網，是目前乘用車上應用最廣泛的現場總線。圖1中整車所有重要的節點模塊均通過CAN-Bus相連從而進行信息交互。如果其中某些模塊與總線斷開，那么這些模塊原本在總線上發送的消息將不復存在，這樣對于需要這些消息的其他模塊而言，這些重要消息無法接收到就將導致模塊無法正常工作甚至完全失效。所以，當將汽油車的動力總成更換成全新的三電系統(電驅動，電控，電池)，以及更換了全新一屏(儀表/中控大屏)后，原車很多模塊將不復存在，直接會導致原車的其他功能無法正常使用。例如：整車電源Power Mode無法切換，車內各種開關控制將失效，ABS/ESP、助力轉向等安全性功能無法正常工作，原車的自適應巡航、自動泊車、車道偏離輔助等功能也將同時失效等。

因此總體來說，在保證開發后原有模塊上的電氣連接及電氣特性不變的前提下，如何解決原車模塊的總線通信問題，成為是否能實現原車功能的關鍵。

圖1 福特福克斯汽車中的電子控制網絡

2 實現過程

2.1 車輛功能目標

目標電動車采用市售某品牌的傳統汽油機汽車作為開發的基礎車型。表1為基礎車型功能與以此為基礎開發電動車的功能需求對比。

表1 基礎車型與電動車的功能對比

2.2 對基礎車型的分析

為了實現電動汽車需要的功能，作者先對基礎車型的整車通信網絡情況及電子控制模塊的分布情況進行分析。圖2為基礎車型的整車通信網絡及電子控制模塊分布圖。可以看到：目標電動汽車由于使用了全新的電驅動總成+蓄電池管理，并且無傳統的自動變速器，因此需要去除基礎車的汽油發動機、控制模塊ECM、自動變速箱總成及TCM模塊；而另一方面，新儀表中控的使用，也使原車中的IPC、Sliver box和AMP等模塊需要移除。

圖2 基礎車型的整車通信網絡及控制模塊分布

在移除相關的模塊后，作者對移除模塊后造成的影響做一下分析。以ECM模塊舉例，去除ECM模塊后，ECM在總線上發出的消息都將消失。表2是原車控制模塊ECM發出的信號列表，因信號數量太多，篇幅所限只挑選其中若干。從表2可以發現：ECM發出的信號涵蓋汽油機轉速等工作狀態，相關扭矩狀態，油門踏板、節氣門開度、剎車踏板狀態以及自適應巡航各種狀態等。而這些信號的重要等級相當高，使用者涉及網絡上幾乎所有的重要模塊，如車身控制模塊、自動泊車模塊、ABS、物體距離計算模塊等。這些信號丟失后會導致使用者(模塊)內部設置相關的故障CODE，使之無法工作。舉兩個例子：在自動泊車模塊中，車速及擋位是模塊判定是否能進入泊車狀態的重要信號，接收不到車速狀態，模塊將自動進入失效模式，無法實現功能；ABS模塊接收不到發動機扭矩狀態，就無法計算出自動剎車時的扭矩請求，也無法實現自動剎車功能等。

表2 原車控制模塊ECM發出的若干信號列表

因此，如果能將原車模塊的信號還原并使之符合相應的物理值正常合理的參數范圍，保證相關的模塊能接收正確的參數，就能使原車相應的模塊恢復正常工作。

2.3 電氣及網絡架構方案

圖3是作者設計的目標電動車電氣及網絡架構方案。雙點劃線框內的部分是作者為目標電動車新增加的模塊，其中New ECU、MCU、DC-AC、BMS 4個模塊分別為電驅動總成及動力電池的相關控制模塊，這些模塊都會涉及高壓部分，因此作者使用一條獨立通信總線連接；而New IPC、New Silver Box是新的儀表和中控大屏，屬于娛樂信息系統，這兩部分新的網絡通過GW模塊和原車網絡連接。GW是一個三通道的網關模塊，使用GW模塊的原因是：新網絡和原車網絡的物理層以及數據鏈路層特性有所不同，需要進行電氣轉換；避免新模塊節點管理策略對原車網絡上的節點管理造成影響；兩者在網絡應用層的報文信號定義不同，需要通過網關進行報文信號的重組和路由。

這么一來，將原車模塊的信號還原并使之符合相應的物理值及正常合理的參數范圍內，保證相關的模塊能接收正確的參數，就是GW模塊需要解決的任務了。

2.4 GW網關的設計

對于網關來說，如何保證路由信號的實時性是網關最重要的目標。由于目標車輛的功能設計指標包括自適應巡航、車道偏離輔助、自動防碰撞剎車等功能， 對于實時性的要求是數個毫秒級別的，如果相關的控制報文經過網關后無法及時傳至相應的控制模塊，將導致無法及時執行動作，影響設計功能指標。 網絡延遲的計算有以下公式：

TDelayTime=TResource+TGW+TTarget

其中：TResource和TTarget分別是新增網絡的傳輸延遲時間和原車網絡的傳輸延遲時間。其中原車網絡的傳輸延遲時間是由原車網絡的設定傳輸速率所決定的，無法更改。而新增網絡的傳輸延遲時間則由新增網絡傳輸速率決定。在此項目中，新增網絡傳輸速率與原車網絡傳輸速率相同，均為500 k/s，以網絡負載率60%為前提計算(負載率越高意味著仲裁時間越長)，可以得出新增網絡上每傳輸一幀消息所需要的時間為：

TResource=TTarget=(1/500 000)×(64+11+8)/0.6=277 ns

而TGW為網關的傳輸延遲時間，即從收到源網絡的報文至發送到目標網絡所花的時間。網關的傳輸延遲時間主要受制于網關硬件本身的工作頻率、指令的運算速度以及代碼本身是否合理高效。作者在開發完成后對其進行了測試，表3是網關轉發測試結果，測試證明每個報文的網絡延遲不超過250 ns。

表3 網關轉發測試結果

總延遲時間TDelayTime=277+277+250=804 ns<1 ms，符合設計要求。

2.5 車輛功能的靜態驗證

作者將目標車輛上的全部控制模塊以及相應的傳感器、執行器件以及線束連接安裝完畢后，首先需要進行靜態的通電測試。進行靜態測試的目的主要有：確保各模塊及線束等的電氣特性無誤；進行通信測試，確保總線基本通信正常無錯誤；確認各模塊內部是否設置了故障CODE，如有則需要排查原因并最終消除。在這些當中，第三點是最難也是最花時間的。為了提高效率，作者將原車儀表暫時接回原車中，當其他模塊內部出現問題時，馬上就可以在儀表上讀出直觀的文字，這樣能提高排查效率。當然，針對一些特定的問題，還是需要通過模塊內部設置的故障CODE來查找原因。舉個例子：圖4和圖5是靜態驗證過程中通過原車儀表獲取的故障文字信息。表4是在靜態驗證過程中讀取到的某些模塊內部設置的故障CODE信息。可以看到圖5中顯示的是車身穩定系統故障，而在表4中，可以看到在EBCM模塊中設置了故障CODE，通過這兩者相結合作者馬上發現是總線通信上的若干信號不正確導致了錯誤。這些信號原本是由原車ECM發出，現由New ECU 經由GW模塊發出。最終經排查是由于GW模塊信號轉換錯誤造成的，修改后故障即消失。

圖4 靜態測試驗證

圖5 原車儀表獲取的故障信息

表4 模塊內部設置的故障CODE

2.6 車輛功能的道路驗證

在排除了所有靜態驗證時發現的故障及錯誤現象后，作者進行車輛的路測驗證。在路試中，除了測試車輛的常規行駛外，自適應巡航、自動泊車、車道偏離保持、前碰撞預警、側盲區預警等ADAS功能為重點。在整個測試過程中，由于之前靜態測試的充分驗證，自動泊車、車道偏離保持、前碰撞預警、側盲區預警功能均順利測試通過。而在自適應巡航功能的道路測試中，遇到了在進入自適應巡航后偶爾會自動退出巡航狀態的問題。經過分析后發現，扭矩需求不匹配以及輪胎半徑變化使車速出現偏差最終導致此問題，最終排除了問題。鑒于此文篇幅所限，道路測試驗證部分不再贅述。

3 總結

目前，越來越多的新興廠商不斷嘗試進入電動車研發制造領域。通過和不少新型廠商交流作者發現：出于各種目的，他們對使用三電一屏系統快速開發出一輛具備先進駕駛輔助功能的全功能樣車的需求十分迫切。通過使用文中闡述的開發方法，對某公司電動車樣車項目進行了實踐，最終僅僅在4個月內就成功完成了這輛具備ADAS功能的全功能樣車從設計到最后道路測試的開發任務。同時，這種設計方法還具備可擴展、可迭代性，可從三電一屏系統擴展至其他模塊直至全車模塊，也為其他電動汽車項目的樣車開發提供了一種可操作的設計方案。

【1】Robert Bosch GmbH.Bosch CAN Specification V2.0[M].Stuttgart,1991.

【2】ISO 11898-1 Road Vehicle-Controller Area Network(CAN):Part 1:Data link layer and physical signaling[S].

采埃孚推動主動安全技術 應對保護行人和騎行者的全球性挑戰

采埃孚股份公司正在推進“觀察、思考和行動”系統的開發，以幫助避免交通事故，遏制每年涉及行人、騎行者和其他弱勢道路使用者的死亡率的增長。

例如，據美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)統計，2015年的前9個月，行人事故死亡率(10%)和自行車騎行者事故死亡率(13%)較去年同期呈雙位數增長。為了降低這兩類事故的發生率、并應對同期總體道路交通死亡率近8%的狀況，美國交通部加大力度出臺指導性新政，推進能減少碰撞事故的自動化安全技術的開發。

采埃孚(ZF)在駕駛輔助領域優勢顯著，擁有一系列能通過傳感和數據分析，對關乎行人和騎行者的事故風險做出反應的技術，尤以自動化制動和轉向系統著稱。

采埃孚(ZF)推出的自行車路口穿行測試裝置，模擬相應的歐洲NCAP標準，展示了自動緊急制動(AEB)的技術能力。公司的行人保護自動緊急制動已經在輕型車平臺應用并量產，現致力于開發滿足新測試要求的技術組合，通過產品升級，例如用更廣角的攝像頭，及時監測到運動速度高于行人的騎行者，從而幫助系統做出更迅速的反應。

采埃孚(ZF)董事會成員、集團市場主管LAKE總結說：“采埃孚(ZF)擁有卓越的安全和駕駛輔助技術產品組合，憑借在安全電子和先進底盤系統方面的專長，我們創造的智能化機械系統，將有助于同時提升駕乘人員和弱勢道路使用者的安全。采埃孚(ZF)的目標之一，即幫助我們涉足的所有車輛類別、市場和運輸系統增強安全性。”

(來源：采埃孚)

A Rapid Development Method of EV Demo Car with ADAS Functions

YANG Zhenye

(Auto-linked (Shanghai) Information Technology Co.,Ltd., Shanghai 201210,China)

The design and development of an EV with ADAS functions was focused on, which was based on the existing gasoline vehicle platform. The completed EV has new ECU, power battery, BMS and control panel screen. The original functions such as ACC, APA, LKA etc are still available. The goal to develop an EV full function demo car with ADAS functions in the shortest time is achieved.

EV; CAN bus; Electrical architecture; ADAS; Gateway

2016-07-08

楊振業，男，本科，工程師，研究方向為車輛總線、CAN通信、整車電氣架構、高級駕駛輔助系統、車聯網等。E-mail：meteor_2003@sohu.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.003

U469.72

A

1674-1986(2016)10-011-06