重型商用車電子電氣架構(gòu)的規(guī)劃

張文斌，王 濤，丁萬興，韓慶福，徐成竹

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400）

隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展和人們對車輛安全性、舒適性及經(jīng)濟性要求的不斷提高，中國重型商用車裝用的電子器件越來越多，整車電氣系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，日趨龐雜的電氣系統(tǒng)對整車的功能擴展、安裝空間分配、成本控制及開發(fā)周期等方面都帶來了較大的挑戰(zhàn)，非系統(tǒng)性設(shè)計的整車電氣系統(tǒng)已不能滿足企業(yè)多車型車輛的使用要求，對車輛整車電氣系統(tǒng)優(yōu)化的要求日益迫切。為了處理當(dāng)前或未來系統(tǒng)中不斷增加的數(shù)據(jù)處理要求，各廠商正在進行整車電子電氣架構(gòu)的開發(fā)與規(guī)劃，合理的整車電子電氣架構(gòu)規(guī)劃是實現(xiàn)共享信息可用可靠的前提。

同時，為了滿足現(xiàn)在不斷增長的輔助駕駛和預(yù)見性駕駛等數(shù)據(jù)處理需求，以及滿足未來數(shù)據(jù)交互更加龐雜的自動駕駛規(guī)劃要求，實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)信息的可用、可信以及可靠，由此，以頂層設(shè)計理念，進行系統(tǒng)性的整車電子電氣架構(gòu)的研發(fā)與規(guī)劃，已是大勢所趨。

1 詳細(xì)的技術(shù)內(nèi)容

1.1 總體思路

以頂層設(shè)計的理念構(gòu)建福田戴姆勒企業(yè)自身特色的重型商用車電子電氣架構(gòu)，包括整車電子電氣功能規(guī)劃、電源管理系統(tǒng)的設(shè)計、功能模塊化設(shè)計與分配、整車電氣連接的設(shè)計。通過整車系統(tǒng)需求定義、原子邏輯單元的搭建實現(xiàn)整車功能邏輯的配置，然后利用模塊化的設(shè)計方法，將功能需求分配到各電控單元，建立多維度架構(gòu)模型，最后進行架構(gòu)設(shè)計的評估選擇，完成可拓展型的整車電子電氣架構(gòu)平臺設(shè)計及應(yīng)用。本項目將打造企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺，制定整車電氣系統(tǒng)優(yōu)化解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)重型商用車系列車型的功能拓展，電子電氣架構(gòu)平臺較易實現(xiàn)整車電氣系統(tǒng)的擴大或縮小，可以滿足企業(yè)產(chǎn)品線上各類重型車型對功能分配、成本控制等的不同要求，以滿足客戶的各種需求?；诖罱ǖ恼囯娮与姎饧軜?gòu)，在實現(xiàn)預(yù)見性駕駛和輔助駕駛基礎(chǔ)上，為將來車輛的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和智能化功能擴展，甚至自動駕駛，提供可靠的整車電子電氣環(huán)境。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 整車電子電氣功能規(guī)劃

整車電子電氣功能的需求及定義是整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計的輸入和目標(biāo)，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個架構(gòu)設(shè)計的平臺化、可擴展性、堅固性及成本性等。根據(jù)汽車智能化方向發(fā)展所涉及的汽車電器系統(tǒng)、汽車電子控制系統(tǒng)、汽車電子信息系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)及車輛通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等為前提，結(jié)合整車電子電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能模塊化的設(shè)計理念，展開發(fā)動機及排放相關(guān)控制、變速器控制、緩速器控制、制動系統(tǒng)控制、智能駕駛員輔助系統(tǒng)控制、車身控制、車輛數(shù)據(jù)傳遞與交互、儀表顯示等功能的開發(fā)。如圖1所示。

1.2.2 電源管理系統(tǒng)設(shè)計

電源管理系統(tǒng)的設(shè)計是整車電子電氣架構(gòu)中關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，基于整車電氣系統(tǒng)的配置情況，保證電能平衡的基礎(chǔ)上，按安全與節(jié)能的原則，展開電源匹配設(shè)計。電源管理系統(tǒng)設(shè)計主要包括起動機匹配設(shè)計、發(fā)電機匹配設(shè)計、蓄電池匹配設(shè)計、中央電氣接線盒設(shè)計及導(dǎo)線的匹配與設(shè)計等。

1） 起動機匹配設(shè)計 根據(jù)發(fā)動機特性及起動機的起動參數(shù)，結(jié)合起動機的起動效率及車輛運行環(huán)境等要求，對起動機進行匹配設(shè)計。

圖1 汽車電子控制系統(tǒng)分類

2） 發(fā)電機匹配設(shè)計 逐一統(tǒng)計車輛電器負(fù)載的額定功率及單車數(shù)量，并根據(jù)各負(fù)載的工作特點，計算出各負(fù)載折算后的總功率P折，然后按“發(fā)電機功率=28÷24×P折×a”（其中a為發(fā)電機容量系數(shù)），計算車輛所需發(fā)電機功率，并根據(jù)發(fā)動機怠速值、皮帶傳動比及發(fā)電機特性曲線等，對發(fā)電機進行匹配設(shè)計。

3） 蓄電池匹配設(shè)計 根據(jù)起動機起動參數(shù)，計算蓄電池容量，并根據(jù)車輛運行環(huán)境要求及蓄電池放電曲線等，對蓄電池進行匹配設(shè)計。

4） 中央電氣接線盒設(shè)計 將電源熔斷器按功能進行了協(xié)調(diào)分配，并通過不同的電源繼電器實現(xiàn)車輛電控單元與車輛普通器件用KL15電源的隔離，從源頭著手，降低了電源串?dāng)_對各控制器的影響。汽車中央電氣接線盒是汽車整車電源分配及信號傳輸?shù)闹袠袉卧?，其通過集合繼電器、熔斷器、二極管及一些電子模塊，實現(xiàn)整車用電設(shè)備電源及控制信號的分配，并對各用電設(shè)備及電線束進行過載或短路保護。

5） 電源線與搭鐵線的匹配與設(shè)計 整車電源熔斷器采用串聯(lián)分級設(shè)計，既保證了起動機等大功率器件的可用與可控，又對車輛其它用電器件進行了合理保護。

設(shè)計了數(shù)字搭鐵與模擬搭鐵，將各電控單元的數(shù)字信號回路與模擬信號回路進行了隔離，提高了各數(shù)字信號可靠性。采用雙線制，通過各搭鐵線壓線點將搭鐵線匯集并引回蓄電池負(fù)極，降低了車輛能耗，提高了車輛運行安全性。

1.2.3 功能模塊化設(shè)計與分配

整車功能的實現(xiàn)是多種多樣的，為了確定最優(yōu)方案，我們從子系統(tǒng)的角度出發(fā)，使用基于模塊化的設(shè)計方法，通過對各子系統(tǒng)方案進行詳細(xì)分析，實現(xiàn)功能的合理整合或重新分配。按符合法規(guī)性、適用性、前瞻性及擴展性要求，定義電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)中物理架構(gòu)和邏輯架構(gòu)的需求，并將整車電子控制系統(tǒng)按功能域進行劃分，主要分為車身電子控制域、底盤電子控制域及發(fā)動機電子控制域，具體功能分布情況如下。

1） 車身電子控制域，涵蓋駕駛室內(nèi)部車身控制的各電控單元，功能涉及行駛信息記錄、自動空調(diào)、音響系統(tǒng)、電動玻璃升降、電動后視鏡/加熱、遙控鑰匙/中控門鎖、燈光控制、雨刮控制、差速鎖控制、顯示等?；谀K化的設(shè)計理念，將功能分配到各模塊單元，如車身模塊，可規(guī)劃燈光控制、雨刮控制、喇叭控制等功能；門控模塊，可規(guī)劃電動玻璃升降、電動后視鏡/加熱、遙控鑰匙/中控門鎖等功能；儀表，可規(guī)劃自定義的顯示等功能。

2） 底盤電子控制域，涵蓋底盤各電控單元，功能涉及自動換擋、坡道輔助起步、車輛輔助制動控制、摩擦片磨損控制、制動力分配、主掛車協(xié)調(diào)控制、駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)控制等。基于模塊化的設(shè)計理念，將功能分配到各電控單元，如AMT，可規(guī)劃實現(xiàn)自動換擋、換擋提醒等功能；如EBS，可規(guī)劃實現(xiàn)制動力分配、主掛車協(xié)調(diào)控制等功能；駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)，可規(guī)劃自適應(yīng)巡航、車道偏離預(yù)警、自動緊急制動、前碰撞預(yù)警、坡道輔助控制等功能。

3） 發(fā)動機電子控制域，涵蓋發(fā)動機及排放相關(guān)控制單元，功能涉及發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整、發(fā)動機起動/停機、扭矩控制、排氣制動、最大車速限制、定速巡航、最高車速限定、怠速調(diào)節(jié)、廢氣再循環(huán)控制、進氣節(jié)流閥控制、增壓器壓力控制、再生控制、SCR系統(tǒng)控制等?；谀K化的設(shè)計理念，將功能分配到各電控單元，如ECU，可規(guī)劃實現(xiàn)扭矩控制、發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整、發(fā)動機起動/停機、怠速調(diào)節(jié)等功能；如SCR，可規(guī)劃實現(xiàn)排放相關(guān)控制等功能。

整車電子電氣架構(gòu)規(guī)劃的模塊功能規(guī)劃實現(xiàn)情況，見表1。

表1 功能模塊化分配情況

表1 （續(xù)）

表1 （續(xù)）

1.2.4 整車電氣連接的設(shè)計

設(shè)計的車輛通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能邏輯，結(jié)合車輛各模塊的控制功能要求等因素，將整車電子電氣通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要劃分為3個功能域：車身電子控制域、底盤電子控制域、發(fā)動機電子控制域，各功能域的信息交互是由網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的，網(wǎng)關(guān)控制器是整車電子電氣架構(gòu)中的核心部件，其作為整車網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互樞紐，可將CAN、LIN、MOST等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)中進行路由。

采用分布式網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)，即將網(wǎng)關(guān)功能集成在某些個控制器中，除具備車輛控制的相關(guān)功能外，還兼具不同網(wǎng)絡(luò)間信息的傳遞與交互。由于集成網(wǎng)關(guān)功能的控制器軟件均由主機廠自主完成，因此，整車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計可以根據(jù)需求優(yōu)化調(diào)整，整車廠可以通過它來提高整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可擴展性、整車的安全性以及整車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的保密性等。規(guī)劃的整車電子電氣架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 整車電子電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃圖

2 與國際同類產(chǎn)品的比較

汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃已落地，新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為未來汽車的兩大重點發(fā)展方向，這意味著智能網(wǎng)聯(lián)汽車將和新能源汽車技術(shù)一起成為中國汽車趕超世界汽車先進技術(shù)的兩大突破口。福田戴姆勒敏銳地洞察到行業(yè)動態(tài)，并前瞻性地進行重型商用車電子電氣架構(gòu)的規(guī)劃，為當(dāng)前車輛輔助駕駛以及將來的自動駕駛提供良好的整車電子電氣環(huán)境，為車輛的智能化與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展鋪平了道路。

國內(nèi)大多數(shù)重型汽車生產(chǎn)廠家并沒有系統(tǒng)地進行整車電氣系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)的研究，其主機廠一般通過采購關(guān)鍵零部件，以標(biāo)定的方式實現(xiàn)與整車電氣系統(tǒng)的匹配和集成，因此，關(guān)于車輛的很多邏輯功能控制則需要依靠零部件生產(chǎn)商來完成，這限制了新車型整車電氣系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。

MAN-TGX車型、奔馳的ACTROS車型［2］及規(guī)劃的整車電子電氣架構(gòu)平臺電氣網(wǎng)絡(luò)進行對比，見表2。

MAN-TGX車型整車電氣系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)平臺將網(wǎng)關(guān)功能分布到車輛管理控制器VCU、車身控制器BCU、儀表及上裝控制器BBM中，由上述控制器實現(xiàn)相關(guān)信息的傳遞及交互。

奔馳的ACTROS車型整車電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既有集成式網(wǎng)關(guān)Gateway，又有具備網(wǎng)關(guān)功能的車輛管理控制器、儀表及BBM，上述控制器協(xié)同實現(xiàn)信息的傳遞及交互。

為保障通信信息可用可靠，總線負(fù)率一般設(shè)計在30%～50%之間，當(dāng)然如果物理連接能保證如屏蔽線等措施，理論上通信負(fù)載率可達到85%～90%。因此，要對各網(wǎng)段的控制器進行合理分配，以保證網(wǎng)絡(luò)的通暢。為了處理當(dāng)前或未來重型商用車不斷增加的數(shù)據(jù)處理要求，福田戴姆勒一直進行著整車電子電氣架構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用?；陂_發(fā)的整車電子電氣架構(gòu)平臺進行新車型電氣系統(tǒng)的開發(fā)，將有效地縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品性能與品質(zhì)，為企業(yè)的發(fā)展提高市場競爭力。

3 架構(gòu)規(guī)劃的意義

1） 對車輛通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析與規(guī)劃，以匹配協(xié)調(diào)現(xiàn)有發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、自動變速器電子控制系統(tǒng)、電子制動及車身穩(wěn)定系統(tǒng)等的信息交互，實現(xiàn)汽車動力綜合管理，提高汽車操縱響應(yīng)能力和對車輛進行持續(xù)控制，另可滿足近期車輛預(yù)見性駕駛和輔助駕駛的需求，又為車輛實現(xiàn)自動駕駛等做了遠(yuǎn)景規(guī)劃設(shè)計，為車輛的智能化發(fā)展和功能擴展提供良好的信息共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

2） 可與智能信息平臺進行信息交互，實現(xiàn)車輛所有者對車輛位置的實時監(jiān)控，實時獲取當(dāng)前車速、行駛方向、運行軌跡及駕駛時長等信息，并可對車輛運行軌跡進行電子圍欄設(shè)置，便于車輛所有者對車輛運行進行實時、合理、有效的管理，提高車輛的運行安全性。

3） 可與福田戴姆勒車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫進行無縫對接，實現(xiàn)車輛運行數(shù)據(jù)的實時采集與匯總，將車輛數(shù)據(jù)智能融入到福田的大數(shù)據(jù)庫中，依托大數(shù)據(jù)運算，實現(xiàn)對駕駛員駕駛習(xí)慣的評估及反饋，優(yōu)化駕駛員駕駛習(xí)慣，以減少車輛燃油消耗。

表2 MAN、ACTROS與規(guī)劃電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)浞植急容^

4） 可與移動網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)互通，以基于電子地圖及GPS等對車輛前方地理信息進行預(yù)判，結(jié)合車輛載荷狀況，智能實現(xiàn)車輛的空氣壓力管理及加減速控制等，智能應(yīng)對各種行駛工況，有效降低車輛燃油消耗率。

4 總結(jié)

本項目打造了一個標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺，制定優(yōu)化了整車電氣系統(tǒng)的解決方案，規(guī)劃的整車電子電氣架構(gòu)較易實現(xiàn)擴大或縮小，可以滿足企業(yè)產(chǎn)品線上各類產(chǎn)品對功能與成本等的不同要求，可以推廣到企業(yè)重型商用汽車系列車型，因此產(chǎn)業(yè)化前景十分廣闊。作為國內(nèi)擁有完備功能的高端重型汽車整車電子電氣架構(gòu)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。該項目極大地提高了產(chǎn)品開發(fā)效率和整車電子技術(shù)的應(yīng)用水平，填補了國內(nèi)同行業(yè)空白，對推動國內(nèi)汽車電子行業(yè)的發(fā)展具有較好的示范作用，對未來車輛的智能輔助駕駛甚至自動駕駛的發(fā)展具有巨大的促進意義。