汽車電氣接口的平臺(tái)化設(shè)計(jì)五步法及應(yīng)用

張新豐，吳 斌

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海汽車乘用車技術(shù)中心，上海 201800）

在汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，傳統(tǒng)造車方式使用的高昂模具及生產(chǎn)設(shè)備費(fèi)用，均攤到年銷量較小的車型上，很難取得盈利［1］，而傳統(tǒng)車企動(dòng)輒3～5年的研發(fā)周期，也無法滿足汽車產(chǎn)品快速迭代的需求。如何以更低的成本、更高的效率，開發(fā)更多車型，是擺在所有車企面前的難題［2］。為此，各國車企紛紛采用平臺(tái)化戰(zhàn)略。汽車平臺(tái)化是將汽車的基礎(chǔ)零件如發(fā)動(dòng)機(jī)、車身結(jié)構(gòu)、底盤等設(shè)計(jì)得基本一致，只在造型和軸距上加以區(qū)分，從而滿足細(xì)分市場(chǎng)的需求［3］。平臺(tái)化戰(zhàn)略能使車企復(fù)用一半以上的零件，節(jié)約2～4成零件研發(fā)費(fèi)用和采購成本，并將整車開發(fā)周期縮短三成以上［4］。

同時(shí)，汽車電子技術(shù)發(fā)展迅猛，汽車電子占整車成本比重逐年上升。然而大部分汽車電子零件不涉及造型，其連接形式、接口關(guān)系并非消費(fèi)者關(guān)注點(diǎn)，故平臺(tái)化戰(zhàn)略尤其適合汽車電氣設(shè)計(jì)。采用一致的平臺(tái)化接口方案，可實(shí)現(xiàn)零件復(fù)用和降本增效。本文結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出可靠的汽車電氣零件平臺(tái)化接口制定方法——接口制定五步法。

1 平臺(tái)化接口制定五步法基本思路

接口制定五步法 （以下簡(jiǎn)稱五步法）是對(duì)平臺(tái)化接口方法制定的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，適合所有車企。接口制定五步法流程如圖1所示。五步法具體步驟如下。

1）系統(tǒng)接口的范圍和優(yōu)先級(jí)劃分。目的是劃分接口范圍和識(shí)別重要接口，并制定接口計(jì)劃。由于主機(jī)廠人力資源限制，不能同時(shí)對(duì)所有電氣系統(tǒng)制定平臺(tái)化接口。應(yīng)確定各接口的優(yōu)先級(jí)，并制定合理的接口制定計(jì)劃，便于開展后續(xù)工作。

2）系統(tǒng)方案的平臺(tái)化策略研究。此步驟是制定合理的平臺(tái)化接口的基礎(chǔ)，包含需求分析、潛在供應(yīng)商分析、方案分析和性能分析。通過各項(xiàng)分析，可以對(duì)子系統(tǒng)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

3）系統(tǒng)接口的平臺(tái)化提案和優(yōu)化?；诘?步的深入分析，可以提出系統(tǒng)接口的平臺(tái)化提案。提案需經(jīng)由各層審核，項(xiàng)目驗(yàn)證通過，最終將接口方案編制成平臺(tái)化接口規(guī)范，用于指導(dǎo)和約束后續(xù)項(xiàng)目。

4）平臺(tái)化方案實(shí)施策略。平臺(tái)化接口規(guī)范將直接在項(xiàng)目中應(yīng)用，如出現(xiàn)新老平臺(tái)過渡或低成本項(xiàng)目，導(dǎo)致某些接口無法使用平臺(tái)化方案，則這些接口需要偏差認(rèn)可，應(yīng)提供偏差報(bào)告。

5）經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。平臺(tái)化接口在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的問題、實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)及時(shí)記錄下來。對(duì)于接口方案導(dǎo)致的重大問題，應(yīng)考慮改進(jìn)或重新制定平臺(tái)化方案。對(duì)于具有典型性的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)應(yīng)補(bǔ)充到接口文檔的實(shí)施要點(diǎn)中。項(xiàng)目進(jìn)行過程中和項(xiàng)目結(jié)束后都需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。前期充分的分析可以有效避免后期由于接口方案引發(fā)的問題。

圖1 接口制定五步法流程圖

2 平臺(tái)化接口制定實(shí)例

下面將結(jié)合實(shí)例——巡航開關(guān)檢測(cè)的平臺(tái)化接口制定過程，對(duì)接口五步法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 系統(tǒng)接口的范圍和優(yōu)先級(jí)

一般將整車的系統(tǒng)劃分為13個(gè)域：車身，車輛進(jìn)入和起動(dòng)、安全，電源管理，空調(diào)，混合動(dòng)力，傳統(tǒng)動(dòng)力，底盤，被動(dòng)安全，主動(dòng)安全，無線通信，人機(jī)接口，信息娛樂，架構(gòu)。整車所有電氣類功能都可以分配到這13個(gè)域中。系統(tǒng)劃分完成后，應(yīng)確立接口優(yōu)先級(jí)。一般將接口優(yōu)先級(jí)分為3個(gè)等級(jí)：①全局性和跨部門零件的接口，如電源模式、車速、環(huán)境溫度等。此類接口涉及面廣，爭(zhēng)議多，對(duì)整車的影響和意義大，其中動(dòng)力、底盤和安全相關(guān)的接口最關(guān)鍵。②單一部門負(fù)責(zé)的跨零件接口。此類接口不涉及外部門，爭(zhēng)議和影響較小，可降低優(yōu)先級(jí)。③單個(gè)零件的接口。此類接口對(duì)整車的影響極低，可最后制定平臺(tái)化方案。

本節(jié)將以一個(gè)動(dòng)力相關(guān)的接口，即定速巡航開關(guān)檢測(cè)為例，介紹接口五步法的具體應(yīng)用方法。

2.2 系統(tǒng)方案的平臺(tái)化策略研究

平臺(tái)化策略研究分4個(gè)方面：需求分析、方案分析、潛在供應(yīng)商分析和性能分析，下面逐一介紹。

2.2.1 需求分析

需求分析是指對(duì)子系統(tǒng)功能及相關(guān)方的需求進(jìn)行分析。子系統(tǒng)功能可從3方面獲?。孩偈袌?chǎng)分析，即客戶的功能期望；②法規(guī)分析，尤其是國家標(biāo)準(zhǔn)和安全要求；③對(duì)標(biāo)分析，可參考主機(jī)廠以往做法或競(jìng)品車型功能。

本例的巡航控制主要功能是在安全狀態(tài)下，讓車輛按駕駛員的指定速度自行保持勻速運(yùn)動(dòng)。具體功能如下：①定速巡航啟用和禁用；②定速巡航目標(biāo)速度設(shè)定；③定速巡航目標(biāo)速度取消和恢復(fù)；④定速巡航目標(biāo)速度增加或減少。

明確子系統(tǒng)功能后，需要考慮所有功能實(shí)現(xiàn)方的需求，通常借助對(duì)標(biāo)分析獲得相關(guān)方信息。本例中定速巡航功能涉及的實(shí)現(xiàn)方需求分析如下：①定速巡航開關(guān)：根據(jù)駕駛員操作，輸出相應(yīng)請(qǐng)求。②網(wǎng)關(guān) （GW）：檢測(cè)定速巡航開關(guān)輸入，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定速巡航開關(guān)信號(hào)。③發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊 （ECM）：定速巡航控制，包括判定巡航是否滿足激活條件，所需輸出的扭矩計(jì)算和控制等。④變速器控制模塊（TCM）：輔助實(shí)現(xiàn)定速巡航功能。如配合ECM，實(shí)現(xiàn)增扭、降扭等。當(dāng)TCM故障時(shí)，ECM需要禁止巡航功能。⑤電子穩(wěn)定程序 （ESP）：檢測(cè)輪速，并換算成車速。輸出信號(hào)給ECM，用于定速巡航控制。⑥儀表 （IPC）：指示巡航激活，待命及故障的狀態(tài)。⑦電子駐車制動(dòng)系統(tǒng) （EPB）：巡航禁止或退出條件。在EPB被激活時(shí)，請(qǐng)求ECM禁止巡航功能。⑧制動(dòng)踏板，離合器踏板：在巡航激活時(shí)，踩下制動(dòng)或離合器踏板，巡航將進(jìn)入待命狀態(tài)。⑨加速踏板：當(dāng)加速踏板開度超過定速巡航模擬的加速踏板開度時(shí)，進(jìn)行加速，巡航暫時(shí)處于待命狀態(tài)。⑩安全氣囊 （SDM）：用于記錄整車狀態(tài)。11○車身控制模塊 （BCM）：檢測(cè)制動(dòng)踏板和離合器踏板的狀態(tài)，如果與ECM檢測(cè)的踏板狀態(tài)不一致，記為故障，退出巡航。

2.2.2 潛在供應(yīng)商分析

通過潛在供應(yīng)商分析，可了解市面上已有的成熟技術(shù)方案，對(duì)平臺(tái)化接口方案制定有一定的借鑒意義。通常整車廠為減小開發(fā)壓力，只對(duì)重點(diǎn)零部件進(jìn)行研發(fā)，其余的開發(fā)任務(wù)交由供應(yīng)商完成，只需提供需求文檔即可。成熟的平臺(tái)化接口標(biāo)準(zhǔn)也是需求文檔的一部分。在選擇供應(yīng)商時(shí)，應(yīng)結(jié)合技術(shù)成熟度和成本兩方面綜合考慮，可靠的供應(yīng)商可以使平臺(tái)化方案更完善地實(shí)施。通常需要全面評(píng)估供應(yīng)商能力。表1是對(duì)供應(yīng)商能力評(píng)估的簡(jiǎn)單示例。實(shí)際供應(yīng)商評(píng)估過程中，應(yīng)涵蓋更多方面。

2.2.3 方案分析

通過對(duì)標(biāo)分析，可獲取以往項(xiàng)目的方案以及競(jìng)品車型的技術(shù)方案和產(chǎn)品信息。結(jié)合需求和潛在供應(yīng)商分析，可得出多種潛在技術(shù)方案，此時(shí)需進(jìn)行方案分析。方案分析時(shí)應(yīng)該從多個(gè)維度進(jìn)行綜合考慮，如成本、可實(shí)現(xiàn)性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等。結(jié)合架構(gòu)工具，如Preevision可以量化方案指標(biāo)，便于方案評(píng)估。表2是巡航開關(guān)接法的對(duì)比分析示例。

表1 巡航開關(guān)潛在供應(yīng)商分析

表2 巡航開關(guān)方案分析

2.2.4 性能分析

性能分析也是重要一環(huán)，常見指標(biāo)有可靠性、功耗、響應(yīng)時(shí)間等。通過電路分析，可以得出電器性能優(yōu)良的方案。下面以名爵銳騰巡航開關(guān)接口采集電路 （圖2）為例進(jìn)行電路性能分析。

此電路是分段采集電路，其要求是將各個(gè)分段的電壓較為均勻地分割開，并設(shè)置合理的死區(qū)電壓，防止誤采集。該類接口推薦電阻值列表見表3。表3中典型值為電路推薦值，實(shí)際電路允許有1%的上下偏差?；诒?，可以計(jì)算1號(hào)引腳和2號(hào)引腳在各個(gè)擋位的電阻和電壓情況，具體見表4～表7。3號(hào)引腳只是簡(jiǎn)單的高有效和低有效，故不計(jì)算。表5和表7中的距離+和距離-是為自適應(yīng)巡航開關(guān)做預(yù)留的，定速巡航開關(guān)實(shí)際上并無這2個(gè)開關(guān)。

表3 巡航開關(guān)推薦電阻值

表4 開關(guān)信號(hào)1引腳輸出端的電阻

表5 開關(guān)信號(hào)2引腳輸出端的電阻

表6 開關(guān)信號(hào)1引腳輸出端的電壓

表7 開關(guān)信號(hào)2引腳輸出端的電壓

可進(jìn)一步計(jì)算各個(gè)擋位間的隔離幅度和最大最小電壓的差值，見表8和表9。

從表8和表9中可以看出電壓最大值與最小值的差值逐漸減小，而隔離幅度逐漸增大。但總體來說，電壓分段比較清晰，易于檢測(cè)，電壓隔離度較大，不容易出現(xiàn)誤采集現(xiàn)象。

圖2 名爵銳騰巡航開關(guān)接口采集電路

表8 1號(hào)引腳電壓隔離幅度和電壓差值

表9 2號(hào)引腳電壓隔離幅度和電壓差值

2.3 系統(tǒng)接口的平臺(tái)化提案和優(yōu)化

經(jīng)過2.2的詳細(xì)分析，可提出接口草案，草案應(yīng)與最終的接口規(guī)范使用相同模板，以便于管理，方便討論和后期的標(biāo)準(zhǔn)制定。接口模板應(yīng)結(jié)合公司的實(shí)際情況進(jìn)行定制。本文以定速巡航開關(guān)檢測(cè)接口為例，介紹上汽平臺(tái)化接口規(guī)范的模板。

1）接口描述，用于描述接口的功能。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的接口描述如下：定速巡航控制是將車輛保持在一個(gè)穩(wěn)定速度行駛的功能。巡航開關(guān)可實(shí)現(xiàn)巡航功能的激活、待命、關(guān)閉或增減車速等。

2）升級(jí)記錄，用于記錄接口的修改歷史。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的升級(jí)記錄見表10。

表10 定速巡航開關(guān)檢測(cè)升級(jí)記錄

3）信號(hào)流，用于顯示接口相關(guān)信號(hào)的流向。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的信號(hào)流如圖3所示。

4）硬線接口電路，用于顯示接口相關(guān)的硬線連接關(guān)系。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的硬線接口電路如圖4所示。

5）非ECU零件內(nèi)部電路，用于示意非控制器類零件的內(nèi)部電路，一般是傳感類或執(zhí)行類零件內(nèi)部電路。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的非ECU零件內(nèi)部電路見圖2左。

6）ECU零件內(nèi)部電路，用于示意控制器類零件的內(nèi)部電路。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的ECU零件內(nèi)部電路見圖2右。

圖3 定速巡航開關(guān)檢測(cè)信號(hào)流

圖4 定速巡航開關(guān)檢測(cè)硬線接口電路

7）串行數(shù)據(jù)信號(hào)，用于規(guī)范網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的具體內(nèi)容和格式。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的串行數(shù)據(jù)信號(hào)如圖5所示。

8）實(shí)施要點(diǎn)，用于記錄項(xiàng)目實(shí)施過程中的重點(diǎn)注意事項(xiàng)。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的實(shí)施要點(diǎn)如下：定速巡航控制開關(guān)為手柄式開關(guān)，布置在左轉(zhuǎn)向燈手柄的下端。開關(guān)信號(hào)3只輸出定速巡航開和關(guān)兩種狀態(tài)，用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)斷開時(shí)的主動(dòng)限速功能。安全氣囊控制模塊接收Cruise Control Switch Status On Switch Active，用于記錄氣囊點(diǎn)爆時(shí)整車狀態(tài)，便于事故分析。

圖5 定速巡航開關(guān)檢測(cè)的串行數(shù)據(jù)信號(hào)

9）背景信息，用于補(bǔ)充接口制定過程中的背景信息。定速巡航開關(guān)檢測(cè)的背景信息如下：定速巡航開關(guān)的平臺(tái)化方案后續(xù)可擴(kuò)展成自適應(yīng)巡航開關(guān)的接口電路，僅需在開關(guān)信號(hào)2這一路的開關(guān)內(nèi)部增加距離加減的開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)。

上述1）～9）即為上汽平臺(tái)化接口規(guī)范模板。該接口提案是個(gè)人提案，存在局限性，需經(jīng)各層面審核。首先經(jīng)由科室內(nèi)部評(píng)審，再通過會(huì)議或其他形式經(jīng)由部門內(nèi)的專家審核、修改和通過，即部門內(nèi)部審核。未涉及跨部門零件的接口只要通過部門內(nèi)部審核即可?？绮块T的接口，還應(yīng)與相關(guān)部門聯(lián)合評(píng)審。經(jīng)多方審核是必要的，因?yàn)榭绮块T的接口牽扯面廣，單個(gè)部門制定跨部門接口，必然偏向本部門，非最佳方案?？绮块T接口方案的制定過程要平衡各方利益，最終方案必須站在整個(gè)公司高度來評(píng)估。本例中的巡航開關(guān)檢測(cè)平臺(tái)化方案主要涉及開關(guān)、線束、網(wǎng)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)、安全氣囊控制器，至少需與上述零件的主管工程師進(jìn)行確認(rèn)。在電器部?jī)?nèi)部審核后，還需通過發(fā)動(dòng)機(jī)部相關(guān)專家的審核。完成上述評(píng)審后，應(yīng)搭載一到兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過程中遇到的問題需及時(shí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。如果驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)接口的重大問題，應(yīng)修改接口方案，重新驗(yàn)證。直到驗(yàn)證通過后，才可以將該接口方案固化為平臺(tái)化接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在后續(xù)項(xiàng)目中推廣實(shí)施。

2.4 系統(tǒng)接口的平臺(tái)化提案和優(yōu)化

在制定完平臺(tái)化接口規(guī)范后，后續(xù)項(xiàng)目一般直接使用接口規(guī)范中的定義，無需再進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)審。對(duì)于有多種方案的平臺(tái)化接口，項(xiàng)目應(yīng)用工程師應(yīng)該與接口相關(guān)方確認(rèn)使用哪一種方案。如果接口相關(guān)方因特殊原因，如供應(yīng)商切換或零件型譜升級(jí)等，導(dǎo)致無法使用平臺(tái)化方案時(shí)，應(yīng)該采取偏差認(rèn)可。偏差認(rèn)可的接口需提供偏差報(bào)告。報(bào)告應(yīng)包括無法使用接口規(guī)范的原因和偏差方案。偏差報(bào)告應(yīng)得到所有接口相關(guān)方的認(rèn)可且只能在單個(gè)項(xiàng)目中使用，不能將偏差報(bào)告沿用到下一個(gè)項(xiàng)目。因?yàn)槠钪皇菓?yīng)急處理方案，不應(yīng)該是常態(tài)。若確認(rèn)偏差方案會(huì)在后續(xù)項(xiàng)目中長期應(yīng)用，則應(yīng)將此偏差方案加入到平臺(tái)化接口方案中?？傊侠淼牧鞒虘?yīng)該是先制定平臺(tái)化接口規(guī)范，然后再將平臺(tái)化接口方案實(shí)施到項(xiàng)目中，盡量避免偏差認(rèn)可。

2.5 經(jīng)驗(yàn)匯總

在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用接口規(guī)范的過程中所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)及時(shí)記錄到相關(guān)接口的實(shí)施要點(diǎn)，如布置、安裝等。此外隨著外界因素波動(dòng)，如產(chǎn)品使用時(shí)間、氣候等，產(chǎn)生相關(guān)接口的失效問題，經(jīng)過原因分析，也需要提煉出針對(duì)這個(gè)接口的實(shí)施要點(diǎn)，完善更新標(biāo)準(zhǔn)。這些實(shí)際問題產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)對(duì)后續(xù)避免這些問題和制定新系統(tǒng)的接口規(guī)范都有重要的借鑒意義。

3 總結(jié)

本文針對(duì)汽車電子電器零件的平臺(tái)化，提出一套較為可行的平臺(tái)化制定方法——接口五步法。五步法充分分析了需求，又通過了嚴(yán)格的審核和驗(yàn)證，運(yùn)用該方法制定的平臺(tái)化接口較為嚴(yán)密。當(dāng)然，再嚴(yán)密的接口制定流程，也難免會(huì)有遺漏，但修改平臺(tái)化方案的代價(jià)巨大。因?yàn)槠脚_(tái)化方案一旦應(yīng)用，其應(yīng)用量必然很大，所以問題產(chǎn)生的影響和更改成本巨大，這是平臺(tái)化最大的問題。此外，新老平臺(tái)方案切換過程中的零件配合也容易出錯(cuò)。因此，在方案設(shè)計(jì)之初就充分考慮各種問題，減少修改。