客車電器集成化研究

邱遠(yuǎn)紅，王俊紅，譚福倫?

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

客車電器集成化研究

邱遠(yuǎn)紅，王俊紅，譚福倫

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

針對(duì)客車電器特點(diǎn)，基于CAN通信，進(jìn)行客車電器集成化設(shè)計(jì)方案。

集成化；總線技術(shù)；模塊

低碳汽車是《中國制造2025》重點(diǎn)發(fā)展十大領(lǐng)域之一（節(jié)能與新能源汽車），而智能化、電子化、輕量化、信息化、低碳化是汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與變革的關(guān)鍵要素。隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，以及客戶需求的多樣化，使得相對(duì)滯后發(fā)展的客車電器也迎來了迅速發(fā)展時(shí)期，電器模塊越來越多，各個(gè)電器模塊之間既相互聯(lián)系又相互影響。如何協(xié)調(diào)與處理好各個(gè)電器模塊之間的關(guān)系，使其既能滿足所需功能要求，又不超出現(xiàn)有技術(shù)條件所允許的范圍（如可靠性、功耗、耐久性、體積、電磁兼容等），這是客車電器集成化研究的主要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)客車電器智能化設(shè)計(jì)的前奏。

由于客車制造實(shí)行客戶定制化生產(chǎn)，客車生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)整車性能特點(diǎn)，在法規(guī)允許的范圍內(nèi)，盡量滿足客戶多樣化的需求。本文根據(jù)客車電器的特點(diǎn)，在客車電器集成化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了有益的探索。

1 以CAN為基礎(chǔ)的客車電器集成化設(shè)計(jì)

CAN是Controller Area Network的縮寫，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議［1］。1994年，美國SAE制定了面向客車和載貨汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議SAE J1939，現(xiàn)已在客車領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了資源共享［2］，為滿足客車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性，客車需要各個(gè)控制子系統(tǒng)作為技術(shù)支持，在未使用CAN網(wǎng)絡(luò)之前，各個(gè)子系統(tǒng)均為獨(dú)立的控制單元，子系統(tǒng)之間沒有聯(lián)系，ECU之間也不可能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，信息不能共享。采用CAN網(wǎng)絡(luò)總線，有機(jī)連接各個(gè)ECU控制單元，如變速器ECU需要“油門踏板信號(hào)”，只需要發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU收到請(qǐng)求信號(hào)后，就會(huì)通過總線發(fā)送油門踏板信號(hào)，變速器ECU就可以收到需要的信號(hào)；CAN總線系統(tǒng)使得各個(gè)子系統(tǒng)信息實(shí)現(xiàn)共享，相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互控制，使其工作在最佳狀態(tài)，從而提升整車性能。

CAN網(wǎng)絡(luò)良好的擴(kuò)展性為各模塊之間通信提供了便利?？蛙囯娖骱軗?jù)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的不同，分為高速CAN和低速CAN，高速CAN主要控制動(dòng)力，如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、變速器系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)等，低速CAN控制舒適性，如刮水、燈光、空調(diào)等系統(tǒng)。圖1為客車常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng)為高速CAN，車身系統(tǒng)為低速CAN，兩路CAN通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信，如果需要增加新的配置，只需要掛到合適的網(wǎng)絡(luò)即可。

要實(shí)現(xiàn)客車電器模塊的集成化，盡可能以CAN總線為依托，使得各個(gè)模塊資源共享，優(yōu)化各個(gè)系統(tǒng)配置，使得各個(gè)系統(tǒng)得到最優(yōu)化配置。

圖1 客車常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 客車電器集成化設(shè)計(jì)方案

以CAN網(wǎng)絡(luò)總線為基礎(chǔ)，結(jié)合客車整車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及客戶需求，針對(duì)客車電器集成化方案，筆者就以下方面進(jìn)行了探索：模塊功能集成化、顯示集成化、零部件結(jié)構(gòu)集成化、模塊CAN化。

2.1 模塊功能集成化

模塊功能集成化，主要是在滿足整體需求的前提下，把原來的多個(gè)功能模塊整合為一個(gè)綜合性功能模塊：如控制器功能集成化。由于客車配置的多樣性，使得客車電器安裝也呈現(xiàn)多元化的模式，在未實(shí)施集成化方案之前，如有的客戶需要盤式制動(dòng)器，儀表板就增加制動(dòng)蹄片報(bào)警控制器；如有的客戶需要安全帶報(bào)警功能，就有可能增加安全帶報(bào)警控制器；這樣的結(jié)果是各個(gè)功能模塊越來越多，線束分支也越多，客車電器安裝空間也越來越緊張。

筆者分析了客車電器性能需求，把各個(gè)功能模塊整合為一個(gè)控制器模塊，如圖2的報(bào)警控制器集成化原理圖。圖3為綜合報(bào)警器安裝外形圖，位于右上角，多個(gè)報(bào)警單元集成為一個(gè)報(bào)警模塊。這樣做的結(jié)果是：線束分支由多個(gè)節(jié)點(diǎn)集中到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，線束分支減少；功能模塊減少，儀表板布置簡單；故障點(diǎn)減少，排查故障方便；模塊內(nèi)部器件集成化，減少模塊模具和電路板的浪費(fèi)，節(jié)省成本。如果采用整車CAN總線系統(tǒng)，會(huì)把以上報(bào)警功能全部集成到總線模塊上，減少分功能模塊的使用。

圖2 多功能模塊集成化

2.2 顯示集成化

顯示集成化，主要是把儀表板零散布置的顯示模塊集成到組合儀表內(nèi)部顯示。隨著電器新功能的逐漸推廣，需要顯示給駕駛員的信息越來越多，儀表板的顯示模塊也逐漸增多，零散的顯示屏讓駕駛員眼花繚亂，不知道到底要關(guān)注哪些顯示屏。顯示的集成化，根據(jù)客車電器需要顯示的內(nèi)容不同，設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的可以在儀表顯示屏首頁顯示，優(yōu)先級(jí)低的可以通過翻頁顯示，但是若優(yōu)先級(jí)低的系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警，會(huì)在首頁提醒駕駛員。

圖3 綜合報(bào)警器安裝圖

筆者所在的電器小組針對(duì)顯示集成化，做了以下嘗試：通過CAN總線系統(tǒng)，把氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警顯示內(nèi)容、LNG氣量顯示內(nèi)容、集中潤滑集中顯示內(nèi)容、ATS顯示內(nèi)容、胎壓顯示內(nèi)容、發(fā)動(dòng)機(jī)電控顯示內(nèi)容等全部集成到組合儀表內(nèi)顯示。如LNG氣量顯示，未使用集成化之前（圖4），有一個(gè)大的顯示屏，氣量信息通過氣壓傳感器和液位傳感器發(fā)送到副變送器，副變送器把數(shù)據(jù)傳到主變送器，顯示屏通過讀取主變送器參數(shù)，顯示各個(gè)氣瓶的氣量信息。

圖4 未集成化前氣量顯示系統(tǒng)圖

采用儀表集成化之后（圖5），傳感器結(jié)構(gòu)不變，只是在主變送器基礎(chǔ)上增加了CAN功能，取消了顯示屏。根據(jù)組合儀表和主變送器廠家制定的報(bào)文協(xié)議，氣量信息通過報(bào)文傳送，在組合儀表內(nèi)部顯示，并可以通過車載聯(lián)網(wǎng)設(shè)備G-BOS讀取氣量信息，用于監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 零部件結(jié)構(gòu)集成化

零部件結(jié)構(gòu)集成化，主要是把實(shí)現(xiàn)某一功能的零部件，集成為一個(gè)模塊單元。比如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，整車廠希望發(fā)動(dòng)機(jī)ECU都布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上，以免電器設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮ECU的安裝位置。但部分零部件廠家，如為完成一個(gè)功能要求，就會(huì)裝配過多的零部件，造成設(shè)計(jì)匹配困難，也增加了后期檢修和維護(hù)的難度。

圖5 集成化后氣量顯示系統(tǒng)圖

筆者所在的電器小組，在此方面進(jìn)行探索。如對(duì)ATS控制模塊進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，原ATS控制單元需要整車廠安裝，集成化后把ATS控制單元集成到ATS散熱器本體上，原ATS控制器需要進(jìn)行的溫度采集、風(fēng)扇控制等，由于靠近風(fēng)扇本體，就節(jié)省了線束布置，結(jié)構(gòu)也可以得到簡化，從而節(jié)省了緊張的安裝空間。由于結(jié)構(gòu)簡化，還可以方便生產(chǎn)安裝和售后維修。

2.4 模塊CAN化

模塊CAN化，主要是把具有CAN功能的模塊，通過制定報(bào)文協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整車信號(hào)共享。一般來說，客車廠會(huì)根據(jù)J1939，動(dòng)力CAN模塊之間傳輸動(dòng)力系統(tǒng)信息，但車身網(wǎng)絡(luò)報(bào)文主機(jī)廠家制定的較少，這就會(huì)出現(xiàn)雖然模塊已經(jīng)具備CAN功能，可以獲取一定的CAN信息，供應(yīng)商內(nèi)部產(chǎn)品之間通過CAN報(bào)文進(jìn)行信息共享，但不同供應(yīng)商的模塊之間聯(lián)網(wǎng)的很少。

由于用電設(shè)備的增多，用電消耗也明顯增大，從節(jié)約原材料、降低整車成本等方面考慮，模塊CAN化就非常必要?；贑AN網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)用電設(shè)備只需要2根CAN線和2根電源線就可以實(shí)現(xiàn)其功能。

針對(duì)以上目的，筆者所在的電器小組通過制定報(bào)文協(xié)議（如車身部分報(bào)文，如表1所示），實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間信息共享，如車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)CAN化。由于顯示集成后，組合儀表成了顯示單元的中樞，它采集了大量的車身網(wǎng)絡(luò)信息，而車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也需要車身的信息；在未實(shí)現(xiàn)CAN化前，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要大量的硬線接入一些信號(hào)；實(shí)現(xiàn)CAN化后，組合儀表和車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于雙方協(xié)商制定的報(bào)文協(xié)議，通過車身CAN網(wǎng)絡(luò)，共享車身信息，減少線束布置。

表1 CAN總線通信協(xié)議

表1中，開關(guān)量狀態(tài)由2個(gè)bit表示：00 ——無效；01 ——有效；10——故障；11 ——此開關(guān)從硬接線取。

3 結(jié)論

本文以CAN為基礎(chǔ)，探討了客車電器集成化方案，實(shí)現(xiàn)元器件功能、結(jié)構(gòu)、顯示、通信的集成化，這對(duì)提高駕駛的舒適性和操控性，提高客車電氣的可靠性，降低車輛成本具有積極的意義。電器件集成設(shè)計(jì)，對(duì)減少整車電量消耗、優(yōu)化線束布置、簡化線束圖和原理圖、方便生產(chǎn)安裝和檢測(cè)維修；降低生產(chǎn)工作量也具有一定的優(yōu)越性。以上成果的達(dá)成，首要需要客車研發(fā)部門進(jìn)行主導(dǎo)通信協(xié)議的制定，各個(gè)零部件廠家在推進(jìn)電器件的CAN化的進(jìn)程中，還需要對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化、檢測(cè)、標(biāo)定進(jìn)行前瞻性的研究。

［1］ 周立功，嚴(yán)寒亮，黃曉清.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)-CAN-bus現(xiàn)場總線基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［2］ 陳丁躍，陳李昊，王汝成，等.現(xiàn)代汽車電工電子設(shè)計(jì)與智能化技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2008（2）：134-137.

Research on Bus Electrical Module Integration

QIU Yuan-hong，WANG Jun-hong，TAN Fu-lun
（Higer Bus Company Limited，Suzhou 215026，China）

Based on bus electrical characteristic and CAN communication technology，the bus electrical module integration design is demonstrated.

integration；bus technology；module

U469.1

A

1003-8639（2017）11-0020-03

2017-02-17

邱遠(yuǎn)紅（1972-），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事客車技術(shù)開發(fā)管理工作；王俊紅（1980-），女，碩士，長期從事客車電器設(shè)計(jì)與研究開發(fā)工作。

（編輯 凌 波）