重型商用車電子電氣架構的規劃

張文斌，王 濤，丁萬興，韓慶福，徐成竹

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400）

隨著汽車電子控制技術的發展和人們對車輛安全性、舒適性及經濟性要求的不斷提高，中國重型商用車裝用的電子器件越來越多，整車電氣系統變得越來越復雜，日趨龐雜的電氣系統對整車的功能擴展、安裝空間分配、成本控制及開發周期等方面都帶來了較大的挑戰，非系統性設計的整車電氣系統已不能滿足企業多車型車輛的使用要求，對車輛整車電氣系統優化的要求日益迫切。為了處理當前或未來系統中不斷增加的數據處理要求，各廠商正在進行整車電子電氣架構的開發與規劃，合理的整車電子電氣架構規劃是實現共享信息可用可靠的前提。

同時，為了滿足現在不斷增長的輔助駕駛和預見性駕駛等數據處理需求，以及滿足未來數據交互更加龐雜的自動駕駛規劃要求，實現共享數據信息的可用、可信以及可靠，由此，以頂層設計理念，進行系統性的整車電子電氣架構的研發與規劃，已是大勢所趨。

1 詳細的技術內容

1.1 總體思路

以頂層設計的理念構建福田戴姆勒企業自身特色的重型商用車電子電氣架構，包括整車電子電氣功能規劃、電源管理系統的設計、功能模塊化設計與分配、整車電氣連接的設計。通過整車系統需求定義、原子邏輯單元的搭建實現整車功能邏輯的配置，然后利用模塊化的設計方法，將功能需求分配到各電控單元，建立多維度架構模型，最后進行架構設計的評估選擇，完成可拓展型的整車電子電氣架構平臺設計及應用。本項目將打造企業標準化硬件平臺，制定整車電氣系統優化解決方案，能夠實現企業重型商用車系列車型的功能拓展，電子電氣架構平臺較易實現整車電氣系統的擴大或縮小，可以滿足企業產品線上各類重型車型對功能分配、成本控制等的不同要求，以滿足客戶的各種需求?；诖罱ǖ恼囯娮与姎饧軜?，在實現預見性駕駛和輔助駕駛基礎上，為將來車輛的網絡化發展和智能化功能擴展，甚至自動駕駛，提供可靠的整車電子電氣環境。

1.2 技術方案

1.2.1 整車電子電氣功能規劃

整車電子電氣功能的需求及定義是整車電子電氣架構設計的輸入和目標，它的優劣直接關系到整個架構設計的平臺化、可擴展性、堅固性及成本性等。根據汽車智能化方向發展所涉及的汽車電器系統、汽車電子控制系統、汽車電子信息系統、智能交通系統及車輛通信網絡系統等為前提，結合整車電子電氣系統的結構，依據功能模塊化的設計理念，展開發動機及排放相關控制、變速器控制、緩速器控制、制動系統控制、智能駕駛員輔助系統控制、車身控制、車輛數據傳遞與交互、儀表顯示等功能的開發。如圖1所示。

1.2.2 電源管理系統設計

電源管理系統的設計是整車電子電氣架構中關鍵的一個環節，基于整車電氣系統的配置情況，保證電能平衡的基礎上，按安全與節能的原則，展開電源匹配設計。電源管理系統設計主要包括起動機匹配設計、發電機匹配設計、蓄電池匹配設計、中央電氣接線盒設計及導線的匹配與設計等。

1） 起動機匹配設計 根據發動機特性及起動機的起動參數，結合起動機的起動效率及車輛運行環境等要求，對起動機進行匹配設計。

圖1 汽車電子控制系統分類

2） 發電機匹配設計 逐一統計車輛電器負載的額定功率及單車數量，并根據各負載的工作特點，計算出各負載折算后的總功率P折，然后按“發電機功率=28÷24×P折×a”（其中a為發電機容量系數），計算車輛所需發電機功率，并根據發動機怠速值、皮帶傳動比及發電機特性曲線等，對發電機進行匹配設計。

3） 蓄電池匹配設計 根據起動機起動參數，計算蓄電池容量，并根據車輛運行環境要求及蓄電池放電曲線等，對蓄電池進行匹配設計。

4） 中央電氣接線盒設計 將電源熔斷器按功能進行了協調分配，并通過不同的電源繼電器實現車輛電控單元與車輛普通器件用KL15電源的隔離，從源頭著手，降低了電源串擾對各控制器的影響。汽車中央電氣接線盒是汽車整車電源分配及信號傳輸的中樞單元，其通過集合繼電器、熔斷器、二極管及一些電子模塊，實現整車用電設備電源及控制信號的分配，并對各用電設備及電線束進行過載或短路保護。

5） 電源線與搭鐵線的匹配與設計 整車電源熔斷器采用串聯分級設計，既保證了起動機等大功率器件的可用與可控，又對車輛其它用電器件進行了合理保護。

設計了數字搭鐵與模擬搭鐵，將各電控單元的數字信號回路與模擬信號回路進行了隔離，提高了各數字信號可靠性。采用雙線制，通過各搭鐵線壓線點將搭鐵線匯集并引回蓄電池負極，降低了車輛能耗，提高了車輛運行安全性。

1.2.3 功能模塊化設計與分配

整車功能的實現是多種多樣的，為了確定最優方案，我們從子系統的角度出發，使用基于模塊化的設計方法，通過對各子系統方案進行詳細分析，實現功能的合理整合或重新分配。按符合法規性、適用性、前瞻性及擴展性要求，定義電子電氣架構系統中物理架構和邏輯架構的需求，并將整車電子控制系統按功能域進行劃分，主要分為車身電子控制域、底盤電子控制域及發動機電子控制域，具體功能分布情況如下。

1） 車身電子控制域，涵蓋駕駛室內部車身控制的各電控單元，功能涉及行駛信息記錄、自動空調、音響系統、電動玻璃升降、電動后視鏡/加熱、遙控鑰匙/中控門鎖、燈光控制、雨刮控制、差速鎖控制、顯示等?；谀K化的設計理念，將功能分配到各模塊單元，如車身模塊，可規劃燈光控制、雨刮控制、喇叭控制等功能；門控模塊，可規劃電動玻璃升降、電動后視鏡/加熱、遙控鑰匙/中控門鎖等功能；儀表，可規劃自定義的顯示等功能。

2） 底盤電子控制域，涵蓋底盤各電控單元，功能涉及自動換擋、坡道輔助起步、車輛輔助制動控制、摩擦片磨損控制、制動力分配、主掛車協調控制、駕駛員輔助駕駛系統控制等?；谀K化的設計理念，將功能分配到各電控單元，如AMT，可規劃實現自動換擋、換擋提醒等功能；如EBS，可規劃實現制動力分配、主掛車協調控制等功能；駕駛員輔助駕駛系統，可規劃自適應巡航、車道偏離預警、自動緊急制動、前碰撞預警、坡道輔助控制等功能。

3） 發動機電子控制域，涵蓋發動機及排放相關控制單元，功能涉及發動機轉速調整、發動機起動/停機、扭矩控制、排氣制動、最大車速限制、定速巡航、最高車速限定、怠速調節、廢氣再循環控制、進氣節流閥控制、增壓器壓力控制、再生控制、SCR系統控制等?；谀K化的設計理念，將功能分配到各電控單元，如ECU，可規劃實現扭矩控制、發動機轉速調整、發動機起動/停機、怠速調節等功能；如SCR，可規劃實現排放相關控制等功能。

整車電子電氣架構規劃的模塊功能規劃實現情況，見表1。

表1 功能模塊化分配情況

表1 （續）

表1 （續）

1.2.4 整車電氣連接的設計

設計的車輛通信網絡架構實現整個系統的功能邏輯，結合車輛各模塊的控制功能要求等因素，將整車電子電氣通信網絡架構主要劃分為3個功能域：車身電子控制域、底盤電子控制域、發動機電子控制域，各功能域的信息交互是由網關實現的，網關控制器是整車電子電氣架構中的核心部件，其作為整車網絡的數據交互樞紐，可將CAN、LIN、MOST等網絡數據在不同網絡中進行路由。

采用分布式網關控制系統，即將網關功能集成在某些個控制器中，除具備車輛控制的相關功能外，還兼具不同網絡間信息的傳遞與交互。由于集成網關功能的控制器軟件均由主機廠自主完成，因此，整車電子電氣架構的設計可以根據需求優化調整，整車廠可以通過它來提高整車拓撲結構的可擴展性、整車的安全性以及整車網絡數據的保密性等。規劃的整車電子電氣架構的網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 整車電子電氣網絡拓撲規劃圖

2 與國際同類產品的比較

汽車產業中長期發展規劃已落地，新能源汽車和智能網聯汽車成為未來汽車的兩大重點發展方向，這意味著智能網聯汽車將和新能源汽車技術一起成為中國汽車趕超世界汽車先進技術的兩大突破口。福田戴姆勒敏銳地洞察到行業動態，并前瞻性地進行重型商用車電子電氣架構的規劃，為當前車輛輔助駕駛以及將來的自動駕駛提供良好的整車電子電氣環境，為車輛的智能化與網絡化發展鋪平了道路。

國內大多數重型汽車生產廠家并沒有系統地進行整車電氣系統電子電氣架構的研究，其主機廠一般通過采購關鍵零部件，以標定的方式實現與整車電氣系統的匹配和集成，因此，關于車輛的很多邏輯功能控制則需要依靠零部件生產商來完成，這限制了新車型整車電氣系統開發的靈活性。

MAN-TGX車型、奔馳的ACTROS車型［2］及規劃的整車電子電氣架構平臺電氣網絡進行對比，見表2。

MAN-TGX車型整車電氣系統電子電氣架構平臺將網關功能分布到車輛管理控制器VCU、車身控制器BCU、儀表及上裝控制器BBM中，由上述控制器實現相關信息的傳遞及交互。

奔馳的ACTROS車型整車電氣網絡架構既有集成式網關Gateway，又有具備網關功能的車輛管理控制器、儀表及BBM，上述控制器協同實現信息的傳遞及交互。

為保障通信信息可用可靠，總線負率一般設計在30%～50%之間，當然如果物理連接能保證如屏蔽線等措施，理論上通信負載率可達到85%～90%。因此，要對各網段的控制器進行合理分配，以保證網絡的通暢。為了處理當前或未來重型商用車不斷增加的數據處理要求，福田戴姆勒一直進行著整車電子電氣架構的研發與應用?；陂_發的整車電子電氣架構平臺進行新車型電氣系統的開發，將有效地縮短開發周期、降低開發成本、提高產品性能與品質，為企業的發展提高市場競爭力。

3 架構規劃的意義

1） 對車輛通信網絡的系統分析與規劃，以匹配協調現有發動機電子控制系統、自動變速器電子控制系統、電子制動及車身穩定系統等的信息交互，實現汽車動力綜合管理，提高汽車操縱響應能力和對車輛進行持續控制，另可滿足近期車輛預見性駕駛和輔助駕駛的需求，又為車輛實現自動駕駛等做了遠景規劃設計，為車輛的智能化發展和功能擴展提供良好的信息共享網絡基礎。

2） 可與智能信息平臺進行信息交互，實現車輛所有者對車輛位置的實時監控，實時獲取當前車速、行駛方向、運行軌跡及駕駛時長等信息，并可對車輛運行軌跡進行電子圍欄設置，便于車輛所有者對車輛運行進行實時、合理、有效的管理，提高車輛的運行安全性。

3） 可與福田戴姆勒車聯網大數據庫進行無縫對接，實現車輛運行數據的實時采集與匯總，將車輛數據智能融入到福田的大數據庫中，依托大數據運算，實現對駕駛員駕駛習慣的評估及反饋，優化駕駛員駕駛習慣，以減少車輛燃油消耗。

表2 MAN、ACTROS與規劃電氣網絡架構拓撲分布比較

4） 可與移動網絡進行互聯互通，以基于電子地圖及GPS等對車輛前方地理信息進行預判，結合車輛載荷狀況，智能實現車輛的空氣壓力管理及加減速控制等，智能應對各種行駛工況，有效降低車輛燃油消耗率。

4 總結

本項目打造了一個標準化硬件平臺，制定優化了整車電氣系統的解決方案，規劃的整車電子電氣架構較易實現擴大或縮小，可以滿足企業產品線上各類產品對功能與成本等的不同要求，可以推廣到企業重型商用汽車系列車型，因此產業化前景十分廣闊。作為國內擁有完備功能的高端重型汽車整車電子電氣架構，具有完全的自主知識產權。該項目極大地提高了產品開發效率和整車電子技術的應用水平，填補了國內同行業空白，對推動國內汽車電子行業的發展具有較好的示范作用，對未來車輛的智能輔助駕駛甚至自動駕駛的發展具有巨大的促進意義。