汽車電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全分布式設計

張新豐，楊殿閣，連小珉

（1.同濟大學 汽車學院，上海201804；2.清華大學 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084）

20世紀初德國博世公司陸續(xù)發(fā)明了高壓磁電機點火系統(tǒng)、起動機、直流發(fā)電機，隨后電動雨刮器、前照燈等各種電器在汽車上開始廣泛使用，20世紀50年代汽車上開始安裝電子管收音機和晶體管收音機，1960年硅整流交流發(fā)電機開始在美國克萊斯勒汽車公司和日本日產(chǎn)汽車公司應用，不久便迅速推廣到全世界，20世紀60年代發(fā)動機電子控制技術開始使用，80年代后期總線通信技術開始大量使用.據(jù)統(tǒng)計，到21世紀初國外汽車各種電氣電子設備已經(jīng)占汽車總成本的30%［1］，汽車已經(jīng)變成一個由許多控制器和電器構(gòu)成的非常復雜的分布式控制系統(tǒng).

1 汽車電子電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變與創(chuàng)新

汽車電器指對汽車上的電路進行接通和分斷、對電路參數(shù)進行變換以實現(xiàn)對電路或用電設備的控制、調(diào)節(jié)、切換、檢測和保護等作用的電工裝置、設備和元件.現(xiàn)代的汽車電器由于功能、用電量、外觀造型等因素差異很大.為了便于對汽車電器進行統(tǒng)計，這里對獨立的汽車電器進行定義.可通過線束與汽車電器系統(tǒng)實現(xiàn)電氣分離的車載用電設備稱為一個汽車電器.

隨著汽車性能提升、電子技術的發(fā)展，汽車上電器的數(shù)量逐年增加，并出現(xiàn)了許多集成數(shù)字電路、能控制電器工作狀態(tài)改變的控制電路.功能上完整、物理上獨立并通過導線與汽車電器相連的成片數(shù)字邏輯電路稱為控制器，控制器也是一種電器.

按上述定義，可對汽車上的電器和控制器進行統(tǒng)計，并定義分布指數(shù)i，i＝c／d，式中：c為控制器數(shù)目；d為電器個數(shù).比如一個獨立的網(wǎng)關控制器，既是一個電器，同時也是一個控制器；具有網(wǎng)關功能1個車身控制模塊（body control module，BCM）也只能算做1個電器和1個控制器；普通的汽車組合前燈可以算1個電器，但不是控制器.分布指數(shù)i為0～1之間的正實數(shù)，0表示沒有控制器，系統(tǒng)為點對點連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，1表示全分布式電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所有電器中均含有控制器.i能綜合反映汽車電器系統(tǒng)中控制器相對于電器的控制水平和控制器的分布程度：分布指數(shù)越小，表明控制器所占比重越少，分布設計程度不高，反之則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布程度高.

汽車電子電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷演化與發(fā)展創(chuàng)新，其典型的結(jié)構(gòu)有點對點連接系統(tǒng)、集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)等，如圖1所示.

圖1 汽車電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Automoitve electrical system architecture

圖1 a～1c所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，i分別為0，0.05和0.36.最早的汽車電器導線互相連接，直到20世紀80年代初期所有汽車均使用這樣的電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1a所示.80年代中后期開始，基于單片機的電子控制技術大量使用，中央集中式控制器開始應用［2］，90年代后期車載網(wǎng)絡技術大量應用，分布式控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)，汽車電器系統(tǒng)分布指數(shù)大為提高.比如飛思卡爾、恩智浦和沃爾沃都提出自己的汽車電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［3］，斯堪尼亞卡車［6］、大陸汽車、沃爾沃［7］等都采用了多總線結(jié)構(gòu)，其分布程度及發(fā)展趨勢如圖2所示.

由圖2的發(fā)展趨勢可以看出，如果采用分布指數(shù)來指示，則從20世紀90到現(xiàn)在，其分布指數(shù)從不足0.10逐步增加到0.20，表明汽車電子電器系統(tǒng)的分布程度越來越高，張新豐提出的智能電器系統(tǒng)［8］是一種近似全分布式的控制系統(tǒng).

圖2 汽車電器系統(tǒng)分布控制發(fā)展現(xiàn)狀Fig.2 Development trend of automotive distributed system

2 全分布式汽車電器系統(tǒng)構(gòu)架

全分布式結(jié)構(gòu)中所有電器均為智能電器，系統(tǒng)連接由2個獨立的部分組成，即數(shù)字信號網(wǎng)絡和供電網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖中，δi，j為局域電器；di為骨干電器，γj為第j個網(wǎng)關；Lj為第j個局域網(wǎng)；為第j個復合智能電器；C為骨干網(wǎng)絡；E為電網(wǎng)絡；L為局域網(wǎng)絡集；CCCU為中央?yún)f(xié)調(diào)器（central coordination control unit）.如圖3所示，數(shù)字信號網(wǎng)絡具有分層結(jié)構(gòu)，是由C和L構(gòu)成，并且所有車載電器都具有數(shù)字化接口，并通過C或L網(wǎng)絡連接起來.骨干網(wǎng)是整車范圍內(nèi)數(shù)字通信的唯一網(wǎng)絡，目前的主流技術為高速CAN總線；而局域網(wǎng)主要用于分擔整車網(wǎng)絡負載，并以位置空間或功能需求進行電器劃分.

圖3 全分布式汽車電器系統(tǒng)構(gòu)架Fig.3 Completely distributed electrical system architecture

全分布式汽車電器系統(tǒng)中引入電源網(wǎng)絡E，電源網(wǎng)由多個獨立的 “電源通道”構(gòu)成，并且：①為所連接的電器提供電源并且在汽車停機狀態(tài)下控制靜態(tài)電源消耗；②監(jiān)控蓄電池狀態(tài)，以減小蓄電池因長期電力消耗導致虧電的可能性；③檢測通道上的電流，當電流超過合理范圍時關閉通道以達到整車安全用電目的.

與骨干網(wǎng)絡C相連的中央?yún)f(xié)調(diào)器用于執(zhí)行整車的控制邏輯并協(xié)調(diào)整車電器正常工作.電器通過數(shù)字接口與中央?yún)f(xié)調(diào)器進行指令和信息的交換.在全分布式汽車電器系統(tǒng)中，對整車電器的控制指令都從中央?yún)f(xié)調(diào)器中發(fā)出，如圖3中指令流所示.指令流進入骨干電器di或通過網(wǎng)關γi進入局域電器δi，j，同時從電器中發(fā)出的狀態(tài)信息都在數(shù)字信號網(wǎng)絡（C及L）上實現(xiàn)共享.駕駛員的輸入控制操作被諸如組合開關、控制面板、車載電腦等電器接收，并通過數(shù)字信號網(wǎng)傳遞到中央?yún)f(xié)調(diào)器，中央?yún)f(xié)調(diào)器檢查相關電器的狀態(tài)，并根據(jù)控制邏輯發(fā)出控制指令，然后由相應的執(zhí)行電器執(zhí)行指令.由于中央?yún)f(xié)調(diào)器，系統(tǒng)中的電器只保留最基本的控制及診斷功能，與其他電器建立了間接的邏輯關系，實現(xiàn)了相對獨立性，提高了系統(tǒng)的可擴展性.

與現(xiàn)有的分布式系統(tǒng)相比，全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢：①數(shù)字化全分布式的系統(tǒng)對每個電器進行單獨控制和診斷，并在車載電腦、控制面板和操作按鈕的幫助下很容易實現(xiàn)多模式操控；②具有很大的可配置、可維護與可升級性，標準化的電氣接口能夠在不改變上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和線束的前提下衍生出多個汽車型號的配置；③由于全分布式系統(tǒng)中電器的相對獨立性，全分布式汽車電器系統(tǒng)便于對故障電器隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性.

3 全分布式系統(tǒng)數(shù)學描述與設計

全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過數(shù)字信號網(wǎng)絡和電源網(wǎng)絡實現(xiàn)信息與能源的傳遞并使用不變線束實現(xiàn)系統(tǒng)連接.

3.1 分布式數(shù)字信號網(wǎng)絡

為達到減小網(wǎng)絡復雜度和網(wǎng)負載的目的，整車電器被分為2類，即骨干電器和局域電器，并被分配到骨干網(wǎng)和局域網(wǎng).骨干電器與局域電器的分類原則如下：①有較高時效性信息交換要求；②有大量信息交換的要求；③在原車電器系統(tǒng)中有較高安全性相關要求.

局域電器根據(jù)實際空間位置、功能需求和布線約束組成局域網(wǎng)絡.局域網(wǎng)組合需要考慮以下幾點：①實現(xiàn)局域網(wǎng)所用技術對網(wǎng)絡節(jié)點限制；②權衡增加節(jié)點和新建網(wǎng)絡所需的費用；③潛在的擴展性（系統(tǒng)配置升級）要求.

數(shù)字信號網(wǎng)絡由骨干網(wǎng)C和若干局域網(wǎng)Li組成式中：bC為骨干網(wǎng)線束，比如CAN總線等；D為骨干電器集，包括2類：單型骨干電器和復合型骨干電器式中：di為單型骨干電器，i＝1，2，…，N；N和M分別為單型骨干電器數(shù)和復合型骨干電器數(shù).局域網(wǎng)絡集為局域網(wǎng)絡數(shù).Lj＝式中：bj為局域網(wǎng)線束，比如LIN總線等；Δj為局域電器集；m（j）為局域電器集Δj中電器數(shù).

骨干網(wǎng)C和局域網(wǎng)Lj通過網(wǎng)關γj相連，網(wǎng)關的作用是過濾并轉(zhuǎn)發(fā)與之相連2個網(wǎng)絡間的消息.網(wǎng)關γj和局域網(wǎng)Lj構(gòu)成式（3）中所述的復合型智能電器＝（Lj，γj），j＝1，2，…M.

3.2 分布式電源網(wǎng)絡

全分布式控制電器系統(tǒng)中電源需求分為2個部分：低壓弱電電流消耗和高壓強電電流消耗.低壓弱電流消耗指電器內(nèi)部控制器和數(shù)字信號網(wǎng)絡等電子電路的用電，電壓一般可采用12V或5V甚至更低；高壓強電電流消耗指電器負載部分的消耗（新能源汽車上的動力驅(qū)動用電源暫時不在本系統(tǒng)考慮范圍之內(nèi)），其電壓有12V（轎車）或24V（客車），甚至有向42V系統(tǒng)推廣的趨勢［9］.低壓弱電流需要1個不受電器系統(tǒng)工作干擾的穩(wěn)定電源，并有很小的功率消耗；高壓大電流則對電源電壓質(zhì)量要求不敏感，并有很大的功率消耗.

全分布式汽車電器系統(tǒng)中的電源網(wǎng)絡E包括弱電電源Ef和強電電源Ep兩個部分，E＝（Ef，Ep）.弱電電源用于給電器中的控制器、總線等供電，包括3個電位線.Ef＝（es，et，ed），式中：es為常通電源，用于駐車后不間斷工作的電器，比如鑰匙進入系統(tǒng)、時鐘及中央?yún)f(xié)調(diào)器等；et為可控電源；ed為前述電源地線.強電電源用于給電器功率消耗部分供電，并且監(jiān)控用電，保持發(fā)電機、蓄電池的電量平衡.強電電源Ep包括2個部分式中：Q為電源通道集；G為接地（也稱車身搭鐵）點集.電源網(wǎng)絡E可采用智能電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是由1個網(wǎng)關和若干局域電器組成.其中1個局域電器管理1個電源通道q，利用電流檢測器和繼電器及電流保護電路等方法實現(xiàn)電源開關控制、電流檢測和過流保護等功能［10］.

3.3 不變線束系統(tǒng)

根據(jù)有人統(tǒng)計，21世紀初一輛高檔汽車擁有多達400個的接插件和多達3 000個的接線端子［11］，線束電纜總長度長達1 500～2 000m［11］.線束制作的材料和勞動成本占零部件費用相當?shù)谋壤?全分布式汽車電器系統(tǒng)的一個重要的特征就是簡化汽車線束.全分布式汽車電器系統(tǒng)的線束結(jié)構(gòu)為H＝（HC，HL，HP），式中：HC，HL，HP分別為骨干網(wǎng)線束、局域網(wǎng)線束和電力線束.為簡化安裝，骨干網(wǎng)線束和局域網(wǎng)線束在物理上都包含3個部分，如圖4所示的干線、支線及延長線.

圖4 骨干網(wǎng)線束和局域網(wǎng)線束Fig.4 Backbone network harness and local network harness

骨干網(wǎng)線束HC定義了標準化的物理接插件及與插件端子對應的導線集WC，WC＝（cH，cL，es，et，ed，qc，gc），式中：cH和cL為CAN 信號雙絞線；es，et，ed為弱電電源線；qc和gc為強電電源.局域網(wǎng)線束HL定義了標準化的物理接插件及導線集Wj，Wj＝（et，ed，nj，qj，gj）.

電力線束用于給骨干網(wǎng)線束和局域網(wǎng)線束供電，其包括干線和諸多分支，如圖5所示.電力線束只包括由單線構(gòu)成的電源通道，其導線集WP＝｛qj｜j＝1，2，…，Q｝.

利用不變線束進行整車的線束三維布置則變得相當簡單，比如根據(jù)電器的排列可采用魚骨型或門型布局［12］，二維工程圖紙則更加簡化.

圖5 電力線束結(jié)構(gòu)Fig.5 Power network harness structure

4 基于關聯(lián)子系統(tǒng)的整車協(xié)調(diào)控制

中央?yún)f(xié)調(diào)器最關鍵的任務是根據(jù)數(shù)字信號網(wǎng)上的信息產(chǎn)生正確的控制指令，因此關鍵是整車協(xié)調(diào)控制算法.利用關聯(lián)子系統(tǒng)的方法來分析全電子汽車系統(tǒng)中電器的協(xié)調(diào)控制邏輯關系.

關聯(lián)子系統(tǒng)Ψ＝（xe，DX，DY，ce，Λe），DX，DY?D，式中：xe為協(xié)調(diào)控制指令；DX為受指令xe控制的電器集；DY為協(xié)調(diào)控制用信息來源電器集；ce為協(xié)調(diào)信息集；Λe為協(xié)調(diào)函數(shù).

中央?yún)f(xié)調(diào)器最重要的問題是設計協(xié)調(diào)函數(shù)Λe.協(xié)調(diào)函數(shù)Λe定義為從協(xié)調(diào)信息集ce（含從Ψ（x）個信號）到控制指令xe的映射：Λe：xe＝Λ（ci），ci∈ce，i＝1，2，…，Ψ（x）.為了便于使用代數(shù)工具來計算Λe的值，定義，式中：c為一個可以使用與（∧）、或（∨）、非（?）等算子的邏輯表達式；T與F表示真假值；m，n為數(shù)值.協(xié)調(diào)函數(shù)的設計原則為：①行駛安全優(yōu)先設計；②駕駛員意圖優(yōu)先設計；③最少電器狀態(tài)改變.

由于中央?yún)f(xié)調(diào)器是整車電器系統(tǒng)最關鍵的部件，除了保證其自身的可靠性外，還可采用對其進行冗余備份及監(jiān)控的方法，提高全分布式汽車電器系統(tǒng)的可靠性［13］.

5 全分布式電器系統(tǒng)樣車驗證與分析

對一輛國產(chǎn)大型客車的電器系統(tǒng)進行了改造設計，以驗證全分布式汽車電器系統(tǒng)的可行性.實際設計過程中，對發(fā)動機管理系統(tǒng)、防抱死系統(tǒng)等涉及到汽車動力及安全相關的電器子系統(tǒng)仍保留原來的控制器，并作為骨干電器添加網(wǎng)絡通信接口，所有車身電器實現(xiàn)了全分布式控制.

5.1 系統(tǒng)設計

對骨干網(wǎng)和局域網(wǎng)數(shù)字信號網(wǎng)絡分別采用CAN總線和LIN總線技術加以實現(xiàn).由于全分布式汽車電器系統(tǒng)其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、供電方式、線束布置及協(xié)調(diào)控制邏輯等都已被大幅簡化，因此實現(xiàn)該系統(tǒng)主要的工作量在于電器的智能化.如圖6a所示，通過分別對每個電器設計控制器達到電器的智能化目的.

第1步先根據(jù)3.1節(jié)所述電器分類及組網(wǎng)原則將原車所有電器分為骨干電器和局域電器，其中單型骨干電器如表1所列，共14個，其余72個局域電器構(gòu)成7個局域網(wǎng)，即7個復合型骨干電器.

圖6 智能電器結(jié)構(gòu)及樣機Fig.6 Smart device structure in automotive

表1 單型骨干電器Tab.1 Single backbone devices

第2步將所有原車電器中所含的電器件負載按電氣特性進行分類和整理，得到其智能化控制所需控制指令、狀態(tài)信號以及硬件驅(qū)動電路，得到如表2所示10類基本電器件.

表2中的基本電器件基本上能涵蓋現(xiàn)有車載電器所有的負載類型，即通過上述基本電器件組合可得到所有原車電器.也就是說，每個電器可能只包含上述1個基本電器件（比如行駛燈），或多個基本電器件（比如前組合燈）.其中具有控制指令x的基本電器件可由電氣動作，具有狀態(tài)信號y的電器件則定義該基本電器件輸出的狀態(tài).

表2 基本電器件分類Tab.2 Classification for basic devices

第3步對所有電器進行智能化設計，使得電器能進行數(shù)字化控制，并具有標準化接口.智能化設計可采用模塊化設計方法，針對上述基本電器件設計電路模塊，然后進行模塊組合，開發(fā)出電器智能化所需控制器.智能電器原型樣機如圖6b所示.其中出現(xiàn)的內(nèi)部線束只有在原理樣機中出現(xiàn)，可通過將電器與控制器的集成化設計最終退化為印制電路（甚至芯片）內(nèi)部的導線.

最后進行整車協(xié)調(diào)控制設計并完成全分布式汽車電器系統(tǒng)的集成，全分布式汽車電器系統(tǒng)的整車原理如圖7所示.

在圖7所示基于全分布式汽車電器系統(tǒng)的客車整車電器系統(tǒng)原理圖中共有單型骨干電器14個，局域電器72個，組成7個局域網(wǎng)，其中L1～L6分布在車前、車中前、車中中、車中后、車尾及車頂，智能電源局域網(wǎng)絡LPSN下有8個局域電器，7個用于控制電源通道，1個用于監(jiān)測蓄電池狀態(tài).

5.2 結(jié)果分析

原車電器系統(tǒng)經(jīng)過全分布式汽車電器系統(tǒng)改造后的大型客車在保持原有功能的基礎上增加了如電器自我診斷、多模式操作等新的功能，在不同的溫度、氣候及道路環(huán)境下對所有電器進行了測試，證明系統(tǒng)是可靠的.全分布式汽車電器系統(tǒng)所用不變線束與原車線束相比導線和接插件定義具有不變特性，與電器種類和數(shù)量無關，因此大為簡化，其結(jié)果如表3所述.

表3 不變線束與原線束對比Tab.3 Comparison between invariant and traditional harness

全分布式電器系統(tǒng)中控制器數(shù)量大幅增加而線束大幅簡化，在提高整車性能的前提下，對于全分布式設計的附加總成分析如下：

（1）電器智能化所需控制器可以標準化，并可采用專用芯片，成本會大幅降低，計算機和內(nèi)存價格走勢能說明這個問題，如圖8所示.

圖8 全分布式設計附加成本主要因素價格變化Fig.8 Price of key factor for the additional cost of completely distributed system

（2）汽車線束生產(chǎn)是目前汽車工業(yè)中自動化程度最低的環(huán)節(jié)，因此線束成本主要包括銅材和人工成本，銅材成本可參考倫敦金屬交易所公布的國際銅價，人工成本可參考《中國統(tǒng)計年鑒》中按細行業(yè)分城鎮(zhèn)單位就業(yè)人員平均勞動報酬中的交通運輸設備制造業(yè)職工年收入，其年均變化規(guī)律如圖8所示.線束簡化的節(jié)約必然會平衡由于控制器增加帶來的開銷.從長時間看不僅能平衡控制器增加的成本，且經(jīng)濟性會越發(fā)凸顯.

6 結(jié)論與展望

全分布式結(jié)構(gòu)利用獨立的數(shù)字信號網(wǎng)絡與獨立的電源網(wǎng)絡實現(xiàn)整車智能電器的數(shù)字化控制，并能提供穩(wěn)定的弱電電源和安全的強電電源，基于電器的標準化接口實現(xiàn)了汽車的不變線束，不變線束節(jié)省了導線，簡化了布線設計，使得線束簡化.系統(tǒng)利用中央?yún)f(xié)調(diào)器實現(xiàn)了整車協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了智能電器的獨立控制.

全分布式汽車電器系統(tǒng)目前主要的問題及未來的工作：① 實現(xiàn)全分布式設計的附加成本主要集中在電器智能化所需控制器上，至少當控制器成本增加與線束成本減少維持平衡時，系統(tǒng)才能推廣；②全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種理想體系結(jié)構(gòu)，可將上述全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為基準方案，對現(xiàn)有電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以可靠性、可配置性、標準化、經(jīng)濟性等為設計目標進行優(yōu)化.

［1］John G Kassakian.Automotive electrical systems：the power electronics market of the future［J］.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000，1：3.

［2］Leen G，Heffernan D，Dunne A.digital networks in the automotive vehicle［J］.Computing ＆ Control Engineering Journal，1999，10（6）：257.

［3］Kang，X.Body electronics solutions［C］／／China International Automotive Electronics and Technology Seminar.Beijing：AES China，2005：13－17.

［4］Zhou L.CAN bus application solutions［EB／OL］.［2010－04－05］.http：／／www.zlgmcu.com.

［5］Froeberg J，Sandstroem K， Norstroem C， et al.A comparative case study of distributed network architectures for different automotive applications［R］.IEEE Press and CRC Press，2004.

［6］Johansson K H，Toerngren M，NielsenL.Vehicle applications of controller area network［R］.Boston：Birkhauser Boston，Inc，2005.

［7］Volvo.Body building instructions ［EB／OL］.［2009－02－01］.http：／／www.volvo.com／bus／global／en－gb／products ／bodybuilding＋instructions.

［8］張新豐.汽車智能電器系統(tǒng)［D］.北京：清華大學，2009.ZHANG Xinfeng.Automotive intelligent electrical and electronic system［D］.Beijing：Tsinghua University，2009.

［9］J G Kassakian，J M Miller，N Traub.Automotive electronics power up［J］.IEEE Spectrum，2005，37（5）：34.

［10］張新豐，楊殿閣，陸良，等.車載電源管理系統(tǒng)設計［J］.電工技術學報，2009，24（5）：189.ZHANG Xinfeng，YANG Diange，LU Liang，et al.Automotive electrical power management system design［J］.Transaction of China Electrotechnical，2009，24（5）：189.

［11］Leen G，Heffernan D，Dunne A.Digital networks in the automotive vehicle［J］.Computing ＆ Control Engineering Journal，10（6）：257.

［12］張新豐，薛雯，陸良，等.汽車電器不變線束連接系統(tǒng)［J］.清華大學學報：自然科學版，2009，49（2）：281.ZHANG Xinfeng，XUE Wen，LU Liang，et al.Invariant wiring harness for vehicle electrical device connection［J］.Journal of Tsinghua University：Science ＆Technology，2009，49（2）：281.

［13］Gu Z M，Yang D G，Zhang X F，et al.Distributed vehicle body electric／electronic system architecture with central coordination control［J］.International Journal of Automotive Engineering，2010，224（2）：189.