跨平臺的整車電子電器架構的分析與設計

任 強,黃少堂,梁偉強,黃麗芳,張雁英

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

跨平臺的整車電子電器架構的分析與設計

任 強,黃少堂,梁偉強,黃麗芳,張雁英

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

為了滿足車輛“智聯(lián)化”、“大數(shù)據(jù)”等技術的設計需求，提出了一種既通用，又具有擴展性的電子電器架構設計方法。根據(jù)不同級別車型的特點，從線束設計和網絡設計兩方面進行平臺化和模塊化設計，滿足了后期功能的擴展，實現(xiàn)了A00～C級不同平臺車型系統(tǒng)和功能的復用、智能車聯(lián)網的無縫搭載。應用結果表明，該架構不僅能夠滿足多個平臺和車型的不同需求，而且可以有效地與車載互聯(lián)網融合，實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)的最大化共享。

大數(shù)據(jù)； 互聯(lián)網； 智能通信； 總線技術； 可靠性

0 引言

隨著汽車市場的成熟及競爭的加劇，消費者對汽車安全性、舒適性、便利性等要求越來越高，而汽車的性能提高依賴于電子技術[1]。汽車已經由單純的機械產品發(fā)展為高級的機電一體化產品，即所謂的“電子汽車”。近年來，電子電器系統(tǒng)在整車中的比重不斷上升，目前在一款C級車中的電子電器系統(tǒng)成本已經接近總成本的30%。

隨著電子電器系統(tǒng)的增加，汽車電器之間的信息交互橋梁——線束和與其配套的電器接插件數(shù)量成倍上升，不僅占據(jù)了車內的有效空間，而且使得整車質量逐步增大，整車成本逐步提高，系統(tǒng)維護和故障檢測的難度不斷加大，電子電器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性難以保證[2]。

同時，隨著互聯(lián)網技術的成熟，汽車與互聯(lián)網相互結合已成為趨勢；“大數(shù)據(jù)”、“車載互聯(lián)網”[3]、電商平臺等也已成為汽車行業(yè)的熱門話題。無論是減少線束、降低成本，還是搭建“大數(shù)據(jù)中心”、實現(xiàn)汽車“互聯(lián)化”[4]、建立電商平臺等，都與整車電子電器架構的設計分不開。本文基于國內外發(fā)展情況，詳細分析、介紹了一種新型電子電器架構的設計思路與方法，實現(xiàn)了一個跨平臺的、可應用于A00～C不同層級的電子電器架構。

1 基本思路

整車跨平臺電子電器架構設計過程中最重要的是要實現(xiàn)跨平臺。前期需要對整車的多個平臺和車型作好規(guī)劃，對每個平臺和車型的配置、功能、定位、成本等作好詳細分析。跨平臺設計思路如圖1所示。在設計平臺時，需要考慮多種平臺的多款車型的配置、功能、成本等需求，找出其相同點和差異點。在具體設計時，對同一平臺下不同車型的差異點進行模塊化設計，使各個模塊可根據(jù)平臺和車型需求的不同進行增加或者刪減，實現(xiàn)靈活移植。

圖1 跨平臺設計思路示意圖

電子電器架構的跨平臺設計需要從線束設計和總線設計兩方面考慮。

在線束設計上，順應汽車智能化的趨勢，在關鍵技術電源分配系統(tǒng)(電器盒)設計上應用半導體功率開關及智能芯片，實現(xiàn)整車智能化蓄電池能量管理及整車電源分配智能化，保證整車所有電子控制單元正常供電。

在總線設計上，結合國內外總線發(fā)展趨勢、車型定位、通信速率及不同客戶對安全、舒適、娛樂等性能的需求，綜合分析各個系統(tǒng)功能比例、分布區(qū)域和通信速率，設計整車電子電器總線架構。

2 線束設計

電器盒的設計是線束設計的一個關鍵技術。為了實現(xiàn)跨平臺的設計，滿足電子電器架構的智能化需求，在線束設計上，將傳統(tǒng)的電器盒設計為帶智能通信功能的智能電器盒，實時監(jiān)控整車的電源運行狀態(tài)，進行智能控制，實現(xiàn)電器盒平臺化擴展設計；可以根據(jù)實際電源分配需求調整軟件和接口定義，從而比傳統(tǒng)電器盒更快、更智能地實現(xiàn)功能需求。

傳統(tǒng)硬線控制中，每個繼電器的控制回路都需要有一根電線回路，整車上需要很多根電線回路，大大增加了整車的負載及線路的復雜性。傳統(tǒng)的電器盒控制回路如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的電器盒控制回路示意圖

基于控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線的電器盒中，所有的控制信號全部經兩根CAN總線傳輸給電器盒，可以大大減少電線回路數(shù)量，降低整車負載。基于CAN總線的智能電器盒控制回路如圖3所示。

圖3 基于CAN總線的智能電器盒控制回路示意圖

智能電器盒需要根據(jù)不同平臺、不同車型的需求通斷負載，實現(xiàn)以下功能。

①蓄電池能量管理。通過蓄電池傳感器實時監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)，在極端用電情況下，控制盒切斷部分負載，防止蓄電池電量過低，保證發(fā)動機下一次啟動所需的蓄電池電量；根據(jù)整車用電情況和蓄電池電量情況，提高發(fā)動機的怠速轉速，減少蓄電池的充放電次數(shù)，提升蓄池的使用壽命。

②負載故障智能監(jiān)控。采用智能芯片，實現(xiàn)負載工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，當電源回路或負載出現(xiàn)故障時，儀表上顯示故障信息，提醒客戶對其進行維修。

③暗電流智能管理。根據(jù)車輛的停放時間及蓄電池的電量狀態(tài)，切斷部分負載的暗電流，以提高車輛的待機時間。

④故障自恢復功能。使用半導體驅動負載，短路故障解除后，半導體功率開關可自行恢復其功能，無需更換保險絲，從而提升整車的使用便利性。

3 電子電器總線網絡系統(tǒng)設計

網絡系統(tǒng)是電子控制單元(electronic control unit，ECU)之間實現(xiàn)相互通信、信息共享的基礎。網絡系統(tǒng)主要包含網絡架構/拓撲和網絡管理控制策略的設計。

3.1 網絡架構/拓撲的設計

網絡架構/拓撲主要由網絡上連接的ECU所決定。而采用何種總線技術，則由ECU之間傳輸信息所需要的速率、帶寬和可靠性所決定。目前，車載總線技術主要有CAN/LIN/MOST/FlexRay/Ethenet等，它們因波特率、傳輸介質、開發(fā)成本以及面向應用對象不同而被應用在不同車載網絡的子系統(tǒng)中。控制器局域網絡是一種能有效實現(xiàn)分布式控制和實時控制的串行通信網絡[5]，是目前行業(yè)流行且應用成熟、廣泛的網絡。1986年2月，由Robert Bosch公司在美國汽車工程師學會(society of automotive engineers)大會上提出控制器局域網絡。1990年，Bosch CAN規(guī)范CAN 2.0版被提交給國際標準組織，并于1993年11月出版[6]。而本地局域網(local interconnect network，LIN)是一種低成本的串行通信網絡[7]。它采用單主/多從結構，不需要總線仲裁，由主節(jié)點來控制總線的訪問，適用于功能簡單的控制單元。CAN/LIN網絡已成為汽車行業(yè)的主流網絡。不同網絡特性對比如表1所示。

表1 不同網絡特性對比

根據(jù)設計的車型平臺特點，將整車電子電器系統(tǒng)劃分為不同子系統(tǒng)，然后根據(jù)不同的子系統(tǒng)選擇合適的總線技術設計網絡拓撲。不同子系統(tǒng)網絡規(guī)劃如表2所示。

表2 不同子系統(tǒng)網絡規(guī)劃

①音響娛樂系統(tǒng)。音響娛樂系統(tǒng)主要傳輸音/視頻等多媒體數(shù)據(jù)，需要較高的傳輸速率和較大的帶寬。如視頻信息傳輸需要高達4.4 Mbit/s的速率，這類系統(tǒng)適宜采用面向媒體系統(tǒng)傳輸(media oriented system transport，MOST)[8]或Ethernet總線技術。

②車身電子系統(tǒng)。車身電子系統(tǒng)主要傳輸狀態(tài)指示、顯示信號以及一些開關的控制信號等。這些信號的傳輸對實時性要求不高，只需要較低傳輸速率(如100 kbit/s)即可，適宜采用低速CAN總線技術。

③動力、底盤系統(tǒng)。動力、底盤系統(tǒng)涉及整車的動力、底盤控制，要求精度高、響應快，對信號傳輸實時性要求特別高，需要信號傳輸具有高可靠性和高實時性，適宜采用高速CAN總線技術或FlexRay總線技術[9]。

④駕駛輔助、主動安全系統(tǒng)。駕駛輔助、主動安全系統(tǒng)主要涉及駕駛安全，要求信號傳輸具備高可靠性和實時響應，適宜采用高速CAN總線技術、FlexRay總線或Ethernet技術。

為滿足各個功能子系統(tǒng)對網絡帶寬、實時性、可靠性的不同需求，考慮到整車網絡的擴展性，CAN、FlexRay、Ethernet、LIN和MOST五種類型的網絡都應該在汽車上得以應用。但是，不同網絡子系統(tǒng)中所采用的網絡技術存在很大的異構性。這種異構性不僅體現(xiàn)在網絡類型上，而且同種類型的帶寬也存在異構性(如高速CAN和低速CAN)。而網關可以用來實現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的互連和異構網絡的集成。通過一個中央網關對不同協(xié)議進行轉換，將各個網絡子系統(tǒng)連接起來。CAN、FlexRay、Ethernet、LIN和MOST五種類型的網絡與網關之間互連，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同網絡之間的信號傳輸。網絡架構/拓撲設計如圖4所示。

圖4 網絡架構/拓撲設計示意圖

3.2 網絡控制策略的設計

網絡架構/拓撲設計完成后，需要設計相應的網絡管理機制，以協(xié)調各個子網之間的通信和實現(xiàn)整個網絡系統(tǒng)的喚醒控制、運行監(jiān)控和休眠控制。

網絡管理機制按照控制方式的不同，可以分為主從式網絡管理和多主式網絡管理。

主從式網絡管理定義網絡上的某一核心ECU為網絡管理者(主節(jié)點)、其他節(jié)點ECU為從節(jié)點，然后通過主節(jié)點對網絡上的從節(jié)點進行管理。它的核心機制是主節(jié)點通過監(jiān)控從節(jié)點的報文，掌握整個網絡的情況，同時由主節(jié)點發(fā)送休眠和喚醒命令，控制整個網絡的休眠和喚醒。該機制如圖5所示。

圖5 主從式網絡管理機制示意圖

而目前國際上，多主式網絡管理機制較為成熟的有汽車電子類開發(fā)系統(tǒng)和對應接口標準(open systems and the corresponding interfacesfor automotive electronics，OSEK)網絡管理機制和汽車開放系統(tǒng)架構(automotive open system architecture，AutoSar)網絡管理機制。

OSEK網絡管理核心機制以“Ring_Token”的方式在不同網絡ECU之間建立環(huán)狀連接，通過相互之間傳遞專門的網絡報文實現(xiàn)對整個網絡的管理[10-11]。OSEK網絡管理機制如圖6所示。

圖6 OSEK網絡管理機制示意圖

AutoSar網絡管理核心機制是每個ECU通過接收其他節(jié)點專門的網絡管理報文，從而自主判斷網絡的狀態(tài)以及進行休眠和喚醒的控制[11]。網絡設計者根據(jù)自身網絡系統(tǒng)的應用需求以及開發(fā)的成本、難易度等因素，選擇不同網絡管理機制。AutoSar網絡管理機制如圖7所示。

圖7 AutoSar網絡管理機制示意圖

4 跨平臺架構的設計與實現(xiàn)

如果要實現(xiàn)跨平臺的架構，除了以上線束設計及總線網絡設計外，還需要一些特定技術來支撐。以下為幾個關鍵技術。

①終端電阻的動態(tài)設計技術。終端電阻是網絡設計的一個關鍵參數(shù)，每個車型的ECU數(shù)目、布置位置等都不同，終端電阻的設計也就不太相同。本文提出一種動態(tài)設計終端電阻的技術。定義一套終端電阻計算模型，將ECU布置位置、線束長度及阻抗、ECU等效電容/電阻等參數(shù)作為模型的計算系數(shù)，使得不同車型根據(jù)各控制器的布置位置、線束長度、線束阻抗、節(jié)點數(shù)量等計算出終端電阻值；各個節(jié)點只需微調匹配電阻值，即可實現(xiàn)多車型的復用，進一步保證網絡擴展后的可靠性。

②仿真技術。在網絡設計時，采用CANoe、Davinci、Vehicle spy等通用的總線仿真工具鏈對整個平臺進行仿真。根據(jù)仿真對整個網絡平臺通信的實時性、信號傳輸延時情況、通信網絡的負載率、標志符(identification，ID)仲裁、網絡的睡眠與喚醒等進行分析，把分析結果與設計目標進行比對，對不滿足設計目標的項目進行相應調整，從而實現(xiàn)設計上的優(yōu)化。

③跨平臺規(guī)范設計。圍繞著電子電器架構，從各個節(jié)點出發(fā)，定義各個ECU信號，建立網絡通信矩陣；對各個網段進行整合，尋找共性，編制適用不同網段的規(guī)范、流程，形成動力網絡設計規(guī)范、車身控制網絡設計規(guī)范、LIN網絡設計規(guī)范等，對控制單元的總線收發(fā)器、總線接口電路、總線的終端電阻、總線的電容、微控制單元(micro controller unit，MCU)的初始化時間、發(fā)送總線信號時間、網絡管理狀態(tài)切換的時間等各種參數(shù)進行詳細的定義。利用這些規(guī)范去約束各個網絡和ECU的開發(fā)，使得各個網絡和ECU只要按標準開發(fā)，就能無縫接入到電子電器架構。

④測試驗證技術。網絡設計實現(xiàn)后，采用CANoe、Vehicle spy等通用的總線測試工具鏈對整個平臺進行測試，從單個節(jié)點到單個子網到整車網絡等逐級進行測試驗證，保證平臺網絡的有效性與穩(wěn)定性。

此外，在設計過程中，單個節(jié)點的硬件資源分配、軟件模塊的設計都要考慮多車型、多平臺的設計，以保證每個ECU都能夠快速實現(xiàn)功能擴展，并且能夠承擔網關作用，擴充新的網絡。比如音響娛樂系統(tǒng)可以擴展MOST/Ethernet網絡；發(fā)動機動力系統(tǒng)(engine management system，EMS)、車身控制模塊(body control module，BCM)等能夠承擔LIN網絡主節(jié)點任務，擴充LIN網絡；防抱死系統(tǒng)(antilock brake system，ABS)可以升級為車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(electronic stability program，ESP)；自動車身水平系統(tǒng)(automotive leveling system，ALS)能夠升級為自適應前照明系統(tǒng)(adaptive front-lighting system，AFS)等。這些設計可滿足不同層級客戶的定制化需求，提升車輛的競爭力。

5 智能車聯(lián)網的無縫搭載與應用

以上介紹的電子電器架構基于總線架構設計，各個系統(tǒng)的信息都通過總線發(fā)布到網絡上，實現(xiàn)了不同子系統(tǒng)之間的信息最大化共享，使得整車網絡不用作任何變更，便可在原電子電器架構上快速搭載Telematics智能車聯(lián)網系統(tǒng)。Telematics指通過在車內安裝的終端裝置，并通過車載網絡、無線通信網絡以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，實現(xiàn)汽車、駕駛員及乘客與服務提供商、內容提供商等的信息交互，為駕駛員和乘客提供定位與導航、路況、交通信息、應急對策、危險區(qū)域提醒、遠程車輛診斷、網絡應用(金融、新聞、E-mail等)等各種移動服務。在車內增加一個車載終端模塊，該模塊可與中央網關集成，也可另外設置一個控制器，以同時采集各個網段的信息；將智能車聯(lián)網Telematics系統(tǒng)通過無線網絡設備接入汽車網絡，可實時獲取整車網絡上的所有信息，實現(xiàn)遠程診斷、遠程控制、遠程軟件刷新、遠程啟動/熄火等。同時，ESP后臺服務器可以將整車的總線診斷數(shù)據(jù)及車主的駕駛信息存儲起來，建立“大數(shù)據(jù)中心”。研發(fā)部門可以通過這些數(shù)據(jù)進行遠程故障排查，故障統(tǒng)計分析、隱患分析、駕駛行為分析等；提出合理化建議，將維修經驗進行逐步積累，形成診斷專家數(shù)據(jù)庫；還可以反饋這些數(shù)據(jù)，作為后期車型研發(fā)改進

的參考依據(jù)。

6 結束語

本文介紹的跨平臺電子電器架構分析與設計方法，是立足于現(xiàn)在國內外總線發(fā)展趨勢及汽車行業(yè)智聯(lián)化、大數(shù)據(jù)化的大背景下提出的方案，可以實現(xiàn)各個不同級別的平臺車型架構相互轉換，以及整車數(shù)據(jù)的最大化共享。利用了現(xiàn)有、成熟的CAN、LIN網絡技術，擴展引入MOST、Ethernet新網絡，不僅可以滿足不同客戶的需求，還可以為企業(yè)后期搭載車載互聯(lián)網及大數(shù)據(jù)電商平臺打下堅實基礎。

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Analysis and Design of the Cross-Platform Vehicle Electrics & Electronic Architecture

REN Qiang,HUANG Shaotang,LIANG Weiqiang,HUANG Lifang,ZHANG Yanying

(The Automotive Engineering Institute of Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511434,China)

In order to meet the design requirements of the technologies of vehicle “Intelligence-Internet” and “Big data”,etc.,the design method of universal and expandable E/E architecture is proposed.In accordance with the features of different level and model of the vehicles,the platforming and modular design are conducted based on wire harness and network styles that fully considering the functional expansion to implement usage sharing of A00～C level different platform vehicle systems and functions,and the seamless connection of the intelligent Internet of vehicle.The results show that this architecture can meet the different needs for multiple platforms and different models,and effectively integrate the Internet of vehicle,to maximize the vehicle data sharing.

Big data; Internet; Intelligence communication; Bussing technique; Reliability

任強(1975—)，男，碩士，工程師，主要從事整車電子電器系統(tǒng)的研究及自主開發(fā)工作。E-mail:renqiangqiang@gaei.cn。

TP393;TH7

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703023

修改稿收到日期：2016-01-20