智能電動(dòng)汽車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化措施

趙洪林，關(guān)志偉，杜峰，李俊凱

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

汽車電子電氣架構(gòu)(Electronic and Electrical，EE)設(shè)計(jì)與優(yōu)化作為汽車機(jī)構(gòu)開發(fā)過程中的重要任務(wù)，遵循科學(xué)以及合理的設(shè)計(jì)能夠降低汽車約1/5的質(zhì)量，降低約1/3的生產(chǎn)成本，因此對智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有著重要的意義。而智能電動(dòng)汽車是未來汽車發(fā)展的方向，為提高智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，相關(guān)操作人員需要做好電子電氣系統(tǒng)需求分析工作，包括功能性需求和非功能性需求，分析智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)系統(tǒng)的可操作性來滿足系統(tǒng)用戶的外部需求，操作人員對系統(tǒng)進(jìn)行操作過程中應(yīng)分析該系統(tǒng)的各項(xiàng)需求并制定出示例分析圖，分析出系統(tǒng)潛在的各項(xiàng)需求[1]。

制定智能電動(dòng)汽車電子電氣系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是至關(guān)重要的，功能性需求模型中的行為體現(xiàn)的是真正需求的各項(xiàng)功能，模型動(dòng)態(tài)化的運(yùn)行保證系統(tǒng)行為的合理化。搭建如圖1所示的智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)整體平臺，以此為基礎(chǔ)分析和研究電子電氣系統(tǒng)。

圖1 智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)設(shè)計(jì)平臺化

1 智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

1.1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化措施分析

傳統(tǒng)汽車的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫是優(yōu)化智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)包括世界范圍內(nèi)所有生產(chǎn)商和各種車型，所涵蓋的內(nèi)容應(yīng)包括與汽車廠家相關(guān)的內(nèi)容、不同檔次車型相關(guān)的信息以及電子電氣架構(gòu)的有關(guān)信息內(nèi)容。

1.2 市場發(fā)展趨勢數(shù)據(jù)庫優(yōu)化措施分析

通過對市場整體發(fā)展趨勢的分析和研究，掌握汽車的發(fā)展動(dòng)態(tài)并抓住未來發(fā)展趨勢，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫；市場發(fā)展數(shù)據(jù)庫應(yīng)囊括世界范圍內(nèi)的最新汽車EE架構(gòu)數(shù)據(jù)，了解下一步架構(gòu)的發(fā)展趨勢和需求，制定出科學(xué)合理的前沿架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)下一代架構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

1.3 解決設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)庫優(yōu)化措施分析

通過不斷地更新優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和市場發(fā)展趨勢數(shù)據(jù)庫，與電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行嚴(yán)格的橫向?qū)Ρ龋⒖茖W(xué)合理的數(shù)據(jù)方案解決平臺，針對數(shù)據(jù)庫的問題進(jìn)行合理的分析從而提出科學(xué)的解決方案。

2 科學(xué)合理的EE架構(gòu)優(yōu)化工具

智能電動(dòng)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括功能需求、邏輯功能分配、網(wǎng)絡(luò)、原理、線束設(shè)計(jì)等多方面內(nèi)容。因此，必須合理地選擇智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)優(yōu)化工具，保障電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化各項(xiàng)工作的有效落實(shí)。

在電子電氣架構(gòu)開發(fā)和優(yōu)化過程中，優(yōu)先選用一些技術(shù)成熟并具有代表性和先進(jìn)性的優(yōu)化工具。比如Vector下的PREEvision，是一個(gè)自上而下的開發(fā)和優(yōu)化工具(Top-down)，可以在不同的層面進(jìn)行電子電氣架構(gòu)建模，功能包括需求開發(fā)、邏輯功能設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)和部件架構(gòu)、電氣系統(tǒng)和線束設(shè)計(jì)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；具備圖形化的用戶接口和數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)，電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果可以根據(jù)需求重新設(shè)計(jì)和修改從而可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和重復(fù)利用。

3 合理的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具

通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中的重要組成部分，對于通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化需要選擇具有代表性和成熟的工具，例如Vector函數(shù)庫，在架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中可以自動(dòng)提高對象數(shù)組、優(yōu)化結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和負(fù)載率，進(jìn)一步滿足電子電氣架構(gòu)的目標(biāo)邏輯要求[2]。

4 合理的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具

4.1 市場車型定位

企業(yè)車型戰(zhàn)略部和市場策劃部通過市場調(diào)研，分析目前市場上存在的車型和待開發(fā)的車型[3]。調(diào)研銷售人員的需求，了解市場的具體動(dòng)態(tài)情況，從而對未來汽車市場有一個(gè)合理的評估；針對不同的地區(qū)和不同的消費(fèi)人群對車的功能需求、外形風(fēng)格等實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位，預(yù)估后期不同車型電子電氣設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作的可行性。

4.2 標(biāo)桿車型分析

標(biāo)桿車型分析又名標(biāo)桿管理，在智能電動(dòng)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。將具有代表性和先進(jìn)性的車型作為標(biāo)桿車型進(jìn)行分析，獲取標(biāo)桿車型的相關(guān)功能性和非功能性，包括性能配置、供電系統(tǒng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)成本[4]。車型對標(biāo)涉及的信息繁多，工作量大，應(yīng)用電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工具不僅可以減輕相應(yīng)的工作量，還可以針對現(xiàn)有車型的不足提出相應(yīng)的改進(jìn)措施并為新的車型設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。如圖2和圖3所示，選取5款車型作為示例，分別是H6、途觀、翼虎、吉利、DX5，對該5款車型的高配和低配進(jìn)行功能和價(jià)格分析以及安全性能相關(guān)配置和舒適性能相關(guān)配置分析。

圖2 對競標(biāo)車型高配和低配進(jìn)行功能和價(jià)格分析

圖3 安全性能和舒適性能相關(guān)配置分析

4.3 需求開發(fā)并制定評估準(zhǔn)則

根據(jù)市場車型定位和標(biāo)桿車型分析進(jìn)行車型需求開發(fā)，收集并分析客戶需求以及法律法規(guī)要求來確定整體的功能需求，合理地安排與規(guī)劃汽車配置，通過多種組合的方式來達(dá)到用戶多樣化的需求，制定相應(yīng)的評估準(zhǔn)則，包括對模型進(jìn)行評估時(shí)需要考慮的影響因素以及各因素所占的比重。根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)對架構(gòu)模型進(jìn)行評估[5]，如圖4所示。

圖4 架構(gòu)評判標(biāo)準(zhǔn)

由圖4可以得出架構(gòu)評判標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重主要由5個(gè)部分組成，分別是主準(zhǔn)則、權(quán)重、子準(zhǔn)則、子權(quán)重、占主權(quán)重。用PREEvision搭建架構(gòu)方案模型，計(jì)算出各指標(biāo)從而確定各方案的評分。

4.4 架構(gòu)模型設(shè)計(jì)

整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化涉及多個(gè)領(lǐng)域和多個(gè)方面，包括功能需求、邏輯功能分配、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)和線束設(shè)計(jì)[6]。需要企業(yè)不同部門進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，通過分層設(shè)計(jì)的理念展開設(shè)計(jì)需求，同時(shí)在架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行不斷優(yōu)化與評估，最終確定最佳的方案。架構(gòu)模型設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求和標(biāo)桿車型分析的新技術(shù)搭建功能列表，然后再結(jié)合零部件列表確定功能分布，由功能分布推出功率分布進(jìn)行線束設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)智能電動(dòng)汽車架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D并搭建CAN/LIN矩陣，最后進(jìn)行負(fù)載率的測試和診斷從而完成智能電動(dòng)汽車電子電氣架構(gòu)模型設(shè)計(jì)流程。圖5所示為電子電氣架構(gòu)模型設(shè)計(jì)流程圖，其中在架構(gòu)建模過程中主要會(huì)涉及到5個(gè)方面。

圖5 電子電氣架構(gòu)模型設(shè)計(jì)流程

(1)功能需求定義。該層主要包括3個(gè)部分，分別是需求、車輛配置和特性功能網(wǎng)絡(luò)：需求層描述電子電氣架構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的功能需求和非功能需求，是架構(gòu)模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)；車輛配置描述購車客戶平時(shí)關(guān)心的車輛配置信息，該層通常用來交互市場信息；特性功能網(wǎng)絡(luò)描述系統(tǒng)內(nèi)部的功能情況，包括系統(tǒng)內(nèi)部因果鏈之間的相互關(guān)系。功能需求定義了電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，圖6所示為在PREEvision里搭建的功能需求圖。

圖6 功能需求

(2)功能邏輯設(shè)計(jì)。該層描述各功能模塊之間的關(guān)系，包括模塊框架和各模塊之間的接口關(guān)系。該層分為邏輯架構(gòu)層和系統(tǒng)軟件層，其中邏輯架構(gòu)層注重系統(tǒng)功能可以實(shí)現(xiàn)的所有邏輯關(guān)系，系統(tǒng)軟件層注重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中各軟件相關(guān)的邏輯關(guān)系。

(3)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該層包括部件層、網(wǎng)絡(luò)層和原理層：部件層用來描述部件內(nèi)部的構(gòu)成細(xì)節(jié)和對外接口詳細(xì)信息，其中內(nèi)部構(gòu)成細(xì)節(jié)涉及到硬件接口、處理單元和邏輯接口等，通常稱該層為電氣框圖；網(wǎng)絡(luò)層用來描述各部件邏輯連接的方式；原理層用來描述網(wǎng)絡(luò)層連接具體的實(shí)際情況，包括電勢屬性、超聲波焊接點(diǎn)等[7]。

(4)線束層設(shè)計(jì)。原理層和邏輯層之間的關(guān)系會(huì)在該層實(shí)施，該層將線路原理層連接關(guān)系在電纜和電線方面更進(jìn)一步地細(xì)化并加載到模型中，例如線束的物理屬性即單位長度質(zhì)量、成本、負(fù)載率等信息。線束層的設(shè)計(jì)是拓?fù)鋵釉O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，決定了拓?fù)涞牟季?。通常線束設(shè)計(jì)包括8部分，分別是前線束、發(fā)動(dòng)機(jī)線束、IP線束、Body線束、PDC線束、Roof線束、門線束和尾門線束。

(5)域控制器拓?fù)鋵釉O(shè)計(jì)。隨著汽車電子化程度越來越高，車內(nèi)ECU的數(shù)量也隨之增多，使汽車電子變得復(fù)雜，此時(shí)需要強(qiáng)大的硬件計(jì)算能力和支持多軟件接口的域控制器。根據(jù)汽車電子部件功能主要分為5個(gè)域控制器，包括車輛安全域、智能駕駛域、動(dòng)力總成域、車身電子域、智能座艙域。該層用來描述電子電氣架構(gòu)實(shí)際的布置情況，相關(guān)操作人員根據(jù)具體實(shí)際情況，例如溫度、碰撞風(fēng)險(xiǎn)、摩擦風(fēng)險(xiǎn)以及是否存在暴露在腐蝕性環(huán)境中的可能等因素來確定線束的安裝位置和線束的長度。

圖7所示為智能電動(dòng)車輛的域控制器架構(gòu)，該架構(gòu)采用了中央網(wǎng)關(guān)和域控制器：中央網(wǎng)關(guān)通過新建路由機(jī)制增加了路由的復(fù)雜性和通信吞吐量；域控制器通過整合平臺的幾個(gè)疊加軟件組建來提高運(yùn)算能力；基本系統(tǒng)ECU專注于深層系統(tǒng)的具體功能，提高了整車的信息處理能力，為智能電動(dòng)汽車功能的實(shí)現(xiàn)提供了支撐。

圖7 具有高級網(wǎng)關(guān)和域控制器的EE架構(gòu)

4.5 總線仿真測試

運(yùn)用PREEvision完成搭建架構(gòu)模型設(shè)計(jì)后，需要對智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)總線進(jìn)行仿真測試，測試總線的通信情況。CANoe軟件是Vector公司開發(fā)的針對汽車電子行業(yè)的總線分析工具，具有建模仿真測試開發(fā)的功能，測試總線負(fù)載率是否過高、報(bào)文是否延遲、信號是否異常。

5 結(jié)語

電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的工程，涉及到多個(gè)方面和多個(gè)領(lǐng)域。通常來說，電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性決定了這部車的技術(shù)水準(zhǔn)，因此對架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重視程度不容忽視。傳統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能電動(dòng)汽車對架構(gòu)的需求，需要更加科學(xué)合理的電子電氣架構(gòu)。文中的研究主要針對智能電動(dòng)汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化展開思路，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，進(jìn)一步提高電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與科學(xué)性，對智能電動(dòng)汽車的功能予以支撐，促進(jìn)無人駕駛行業(yè)的發(fā)展。