淺談某種車型全景天窗的設計缺陷

董少君

淺談某種車型全景天窗的設計缺陷

董少君

（華東交通大學，江西 南昌 330000）

近年來隨著人們生活水平的不斷提高，汽車逐漸成為人們出行的主要交通工具。而天窗作為汽車車身中的一個重要部件，也隨之得到廣泛應用。由于天窗不影響整車的行駛功能，一般汽車生產制造商不會定義功能安全等級，因而具有潛在危險性。文章以某車型的全景天窗為研究對象，結合市場和試驗問題的反饋，運用質量工具，對全景天窗功能安全的常見設計缺陷進行分析和研究，并結合實例提出優化方案，以提高全景天窗的功能安全。

全景天窗；功能安全；設計缺陷

引言

隨著家用轎車越來越普及，轎車的功能和配置逐漸提高，全景天窗車頂玻璃尺寸大，能提供更充足的光線，可使駕乘人員視野更開闊，消除車廂內的壓抑感。因此，全景天窗已逐步成為一種汽車必備配置。全景天窗是一個典型的嵌入式系統應用的產品，包含嵌入式系統軟件、硬件、執行機構、功能組件等，存在系統性失效和硬件隨機性失效的可能性。而功能安全是指當檢測到潛在的危險情況，啟動保護和糾正裝置，防止發生危險事件或提供緩解措施以減少危險事件的后果。因此，全景天窗的功能安全尤為重要。

目前，全景天窗僅依據GB11552—2009《乘用車內部凸出物》對天窗功能進行設計開發[1]。下面針對某車型全景天窗功能安全常見設計問題進行分析和研究。

1 軟件邏輯設計缺陷

1.1 全景天窗玻璃與遮陽簾運行不同步

全景天窗玻璃與遮陽簾運行不同步會導致遮陽簾關閉而天窗玻璃打開的現象，也就是天窗玻璃和遮陽簾各自運行，沒有聯動功能。這種情況會讓駕駛員認為天窗和遮陽簾都關閉了，而實際天窗玻璃是打開狀態。這種設計的問題就是典型的邏輯設計不合理，解決這種缺陷的方法為：增加硬線信號獲取位置信息，使天窗玻璃和遮陽簾各自通過控制器的硬線探測對方的位置，實時計算和對方的距離（如圖1），同時優化軟件邏輯，通過判斷遮陽簾與天窗玻璃的相對位置來執行相應的動作（如圖2）。

圖1 全景天窗電氣原理圖

圖2 功能邏輯

1.2 軟件缺少過熱保護

由于全景天窗電機本身不帶過熱保護裝置，因此，天窗電機過熱保護需要從軟件實現，如果未考慮，天窗頻繁操作會導致電機過熱失效，甚至導致電機燒蝕。天窗電機的熱保護主要是控制繞組的溫度在絕緣等級的容限溫度以下，以防止絕緣材料的熱擊穿或老化使其壽命降低。為了防止電機過熱，直流電機的溫度能在模型中預估出來。電樞臨界溫度的檢測根據熱保護功能塊來決定中斷正在進行的行為或阻止新的啟動。當天窗在短時間內過于頻繁的打開與關閉，ECU 將進入電機熱保護模式，達到熱保護觸發點時，停止執行開窗指令。電機熱保護功能由熱保護偵測模塊及熱保護動作模塊兩部分組成。熱保護偵測模塊用于收集偵測熱保護達到的條件，熱保護動作模塊則是向天窗控制系統輸出一系列動作條件：（1）只允許天窗關閉（響應關窗按鍵）；（2）不允許天窗打開（不響應開窗按鍵）；（3）到達全關閉點后，天窗不能打開（開、關窗按鍵都不響應）。因此，增加軟件保護是很有必要的（如圖3和圖4）。

圖3 主程序

圖4 電機保護算法流程

1.3 軟件缺少啟動保護

電子產品開發需要與整車匹配，必須考慮整車的使用環境以及其他零部件的匹配。如整車在啟動瞬間，需要使一般電子電器件停止工作，主要目的是讓蓄電池供電集中用于起動機啟動，如果未考慮有可能會導致整車電壓在啟動瞬間電壓過低而無法啟動。因此，全景天窗設計時需要考慮此種情況。

具體邏輯為：全景天窗需接收點火狀態信號，當點火狀態信號（IGN信號）為啟動狀態（Cranking信號），天窗玻璃和遮陽簾立即停止動作，當點火狀態信號切換為非啟動狀態，天窗玻璃和遮陽簾恢復之前動作。

2 硬件設計缺陷

EMC測試不合格。EMC性能是控制器必備的性能之一，相關電子電器產品必須要檢測達標，全景天窗控制模塊屬于AX類零部件，需滿足EMC性能要求[2]。在PCB板設計完成后，需制樣進行EMC測試，單件測試通過后仍需要進行整車測試。如果EMC測試不合格，需要對PCB板進行重新設計，影響開發進度，所以在進行電氣原理圖設計時就應該要考慮EMC問題。下面通過某車型的全景天窗的案例進行分析。

圖5 MCU原理圖

圖6 PCB板

案例：某車型在試驗場進行可靠性試驗時，駕駛員在未進行任何操作的情況下，天窗自動運行，且功能安全失效。通過對整車進行EMC試驗測試，在外部信號干擾的情況下，同樣出現天窗自動運行，因此，整車EMC測試不合格。通過進一步排查和測試，天窗控制器自由場抗擾能力不足和控制器抗大電流注入能力不足。

制定措施如下：

（1）控制器自由場抗擾能力不足：MCU電源端口增加兩個磁珠（L4和L5），通過磁珠消除高頻信號對MCU的干擾。

（2）控制器抗大電流注入能力不足：優化端口電路及軟件濾波時間。

1）端口電路優化

①調整開關輸入端口電路對地旁路濾波電容，降低輸入低通頻率截止點及降低輸入高頻阻抗，使干擾信號進入旁路至地線，達到抗擾的目的。

②優化MCU供電電源濾波退耦電容，降低電源供電紋波，提高電源瞬態響應，提高電源線差模瞬態抗干擾能力。

③調整LIN總線物理接口輸入串聯磁珠元件參數，優化高頻輸入抑制阻抗和頻率，提高LIN總線物理接口對高頻大電流干擾信號的抗擾性能。

圖7 開關輸入端口電路

圖8 MCU電源電路

圖9 LIN總線接口電路

2）PCB布線優化

① 共模信號是作用在差分放大器或儀表放大器同相、反相輸入端的相同信號。共模信號的特點：大小相等，相位相同。PCB板層分布參數設計對共模干擾信號抑制至關重要。優化PCB板層設計，對于分布參數進行了重點設計調整，進一步完善了布線完整性，提高高頻屏蔽性能，對板層回路同時進行了優化。

② 增加軟件中抗干擾濾波的時間至2 s，用于抑制繼電器的粘連。

3 軟硬件不匹配

產品的硬件更改或者軟件更新沒有相互匹配，從而導致產品功能性問題。案例分析：硬件更改未切換導致靜態電流超標；某車型遮陽簾控制器硬件更改后，硬件由HW:1.4（如圖10）升級為HW:1.5（如圖11），而軟件未變化，而軟件內部設置的檢測IGN的端口號:P27，在HW:1.4硬件版本的情況，IGN端口為P31，軟件未能正確監測到IGN信號變化，認為IGN端口一直為打開狀態，造成控制器不能正常休眠，導致靜態電流超出標準。

圖10 HW：1.4

圖11 HW：1.5

4 標定不規范

對于功能件產品在開發完成后要進行功能標定，尤其針對活動結構的功能件。全景天窗需要做整車靜態標定和動態標定，只有全部標定完成無問題后軟硬件才能凍結。此環節是在產品開發的末端，如果沒有規范的操作流程，將失去標定的實際意義。如我們在標定車窗噪音時，按照標準要求：開口風噪≤70 dB（天窗全開，車速80 km/h），如果只標定這一項合格，不考慮其他工況，將會導致標定數據不全。在編制標定用例的時候需要考慮多種工況，在不同速度和不同開度的情況下進行測試，通過標定最終確認，全景天窗自動打開后不是直接開到機械位置最大（圖12），而是根據標定數據選擇了一個最佳的最大開度，這個位置使駕駛員和乘客能感受最小的噪音，增加了乘車體驗感（圖13）。因此，標定尤為重要，編制標定規范文件更為重要。

圖12 標定前（天窗全開狀態）

圖13 標定后（天窗全開狀態）

5 預防措施

5.1 建立問題檔案庫

設計開發過程中，要對開發過程中的問題進行分析，確定根本原因，并建立問題檔案庫，軟件更改要形成軟件版本變更履歷表，這樣為以后的產品開發提供依據，提高開發效率。

5.2 設計FEMA優化

不斷更新設計FEMA，增加電路保護及軟件保護相關內容。

5.3 結構與控制設計區分

針對全景天窗這種機電控制裝置，要將結構部分和控制單元分開設計。

5.4 建立軟件功能需求庫

對保護功能提出明確要求。

5.5 建立硬件接口電路選型庫

為后續控制器開發電路提供指導。

6 結論

作為一名設計工程師，在不斷學習專業知識的基礎上，一定要總結經驗，形成組織記憶力，另外要加強團隊學習，了解相關執行機構以及最終實現的效果。要開發產品的復盤，舉一反三，除了全景天窗以外，還有整車控制器、電動尾門控制器、防夾控制器、門模塊控制等，需要對所有控制器電源電路、接口電路進行復盤，結合產品開發過程中形成的各種問題庫，確保EMC、靜態電流等基礎特性滿足開發需求。

[1] 全國汽車標準化技術委員會.乘用車內部凸出物:GB 11552—2009 [S].北京:中國標準出版社,2010.

[2] 江淮汽車集團股份有限公司.零部件電磁兼容技術條件總則:Q/JQ 3627.1—2015[S].合肥:江淮汽車集團股份有限公司,2015.

Talking about the Design Defects of the Panoramic Sunroof of Certain Vehicles

DONG Shaojun

（East China Jiaotong University, Jiangxi Nanchang 330000）

With the continuous improvement of people's living standards, the car gradually become the main tool for people to travel in recent years. The sunroof is one of the important parts in the car body, which is widely used in the automobile in recent years.Since the sunroof does not affect the driving function of the vehicle, the general automobile manufacturer will not define the functional safety level, which may cause potential danger to people.This article takes the panoramic sunroof of a certain car model as the research object, combines the feedback of market and test problems, uses quality tools,analyze and research common design flaws in the functional safety of panoramic sunroofs,and combined with examples to propose an optimization plan,in order to improve the functional safety of the panoramic sunroof.

Panoramic sunroof; Functional safety; Design defect

U463.8

A

1671-7988(2021)24-73-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.016

董少君（1985—），男，就讀于華東交通大學機電與車輛工程學院，載運工具運用工程專業，研究方向：車輛現代設計技術。