談?wù)嚲W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計對整車電氣系統(tǒng)的影響

汪 暉， 靳玉潔

(東風(fēng)商用車技術(shù)中心， 湖北 武漢 430056)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展及在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車電子化程度越來越高，特別是微控制器進(jìn)入汽車控制領(lǐng)域，提高了汽車控制的人性化和智能化程度。為了提高信號的利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元中共享，汽車控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實(shí)時交換，保證整車電氣系統(tǒng)的正常工作、整車的安全運(yùn)行。

CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電子干擾性，并且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。下文就整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)談?wù)勂湓O(shè)計方案及對整車電氣系統(tǒng)的影響。

1 整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計原則和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑?-2］

整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在整車電氣系統(tǒng)設(shè)計中占有非常重要的地位，它對整車的安全性有很大的影響，因此在設(shè)計初期需要對整車控制系統(tǒng)的CAN通道進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計。其設(shè)計原則是：影響整車安全的控制系統(tǒng)建議在一路CAN通道上；承擔(dān)網(wǎng)關(guān)作用的控制器對于接收和發(fā)送的通信信號要有過濾和選擇；終端電阻布置要結(jié)合整車控制特性綜合考慮；各路總線負(fù)載率建議不超過50%。

終端電阻的解釋是：線性總線的每一個主網(wǎng)絡(luò)必須以一個合適的電阻來結(jié)束，以提供CAN_H和CAN_L導(dǎo)線的正確結(jié)束點(diǎn)。該終端電阻應(yīng)連接在CAN_H和CAN_L導(dǎo)線之間。該終端電阻應(yīng)符合以下特性：符號RL，最小值110Ω，額定值120Ω，最大值130Ω。

根據(jù)整車總線上終端電阻的設(shè)計方式不同，整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刹捎萌缦?種方式。

1） 在線路前后端各有1個終端電阻，即Rl+Rl，如圖1所示。

2） 控制器內(nèi)置電阻+線路終端電阻，如圖2所示。

3） A控制器內(nèi)置電阻+B控制器內(nèi)置電阻，如圖3所示。

圖1 在線路前后端各有1個終端電阻

圖2 控制器內(nèi)置電阻+線路終端電阻

圖3 A控制器內(nèi)置電阻+B控制器內(nèi)置電阻

2 整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及風(fēng)險預(yù)估

2.1 案例1

圖4是2019年東風(fēng)雙燃料電池展車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該車電氣系統(tǒng)有：整車控制器HCU、動力電池 （電源管理系統(tǒng)BMS+配電盒）、氫燃料電池 （控制器FCU、配電盒）、高壓配電盒HCCB、水冷機(jī)組（動力電池用）、三合一控制器、轉(zhuǎn)向泵、空壓機(jī)、驅(qū)動電機(jī)MCU、冷卻系統(tǒng)ATS （電機(jī)用）、自動變速器TCU、換擋控制器SCU、DC/AC （高壓輸出）、空調(diào)、暖風(fēng)、中控鎖、氣喇叭、電喇叭、轉(zhuǎn)向語音報警器、電動門窗、多功能蜂鳴器、綜合報警器、監(jiān)控系統(tǒng)、行駛記錄儀、收放機(jī)、日行燈、ABS （4通道）、DC/DC （24V轉(zhuǎn)12V輸出）。

整車設(shè)計3路CAN。

1） CAN1是車身CAN，傳遞駕駛室的相關(guān)信息。該路上的系統(tǒng)有ABS控制器、自動變速器TCU、電機(jī)冷卻系統(tǒng)ATS、儀表等。

2） CAN2是動力CAN，將布置在車架上的BMS （電源管理）、水冷機(jī)組、FCU （燃料電池控制單元）、HTCU （燃料電池車載供氫控制單元）、RDC （燃料電池監(jiān)控）、三合一控制器、HCCB （高壓配電盒）、DC/AC （灑水上裝用逆變器）、DC/DC （低壓逆變器）、行駛記錄儀等設(shè)計在此路CAN通道上。

3） CAN3是TCU的子網(wǎng)。TCU管理手柄控制器和MCU的控制。

整車控制器作為網(wǎng)關(guān)，承擔(dān)CAN1、CAN2通道上的信息接收和發(fā)送。

風(fēng)險預(yù)估：為防止CAN1負(fù)載率高，需要梳理該通道上的各系統(tǒng)接收和發(fā)送的具體報文（信號值有效范圍、周期、信號關(guān)系、報文序列等）。未梳理前的總線負(fù)載率在45%左右，梳理后的總線負(fù)載率在40%左右。

圖4 2019年東風(fēng)雙燃料電池展車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 案例2

圖5是2019年東風(fēng)智能駕駛純電動展車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該車電氣系統(tǒng)有：無人駕駛控制單元ADU、整車控制器HCU、動力電池管理系統(tǒng)BMS、驅(qū)動電機(jī)PCM、驅(qū)動控制單元PDU、左輪模塊、右輪模塊、冷卻系統(tǒng)、充電插座、高壓配電盒、三合一控制器（控制DC/DC、電動轉(zhuǎn)向油泵、電動空壓機(jī)）、電液轉(zhuǎn)向器（電動轉(zhuǎn)向油泵用）、DC/DC （高壓/低壓輸出）、EPB （電子手制動）、EBS+ESC、車身中央控制單元BCM、門鎖控制模塊DCM、ECAS、360影像、胎壓監(jiān)測TPMS、中控主機(jī) （控制2個大屏和儀表）、T-BOX、DC/DC（12V）、中央網(wǎng)關(guān)、轉(zhuǎn)向語音報警器、空調(diào)等。

整車共設(shè)計12 路CAN。其中網(wǎng)關(guān)管理了4 路CAN：CAN1、CAN2、CAN3、CAN4。

1） CAN1：動力CAN，用于發(fā)送和接收車輛動力信息。將三合一控制器、整車控制器HCU設(shè)計在此CAN通道上。HCU外置120Ω終端電阻。

圖5 2019年東風(fēng)智能駕駛純電動展車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2） CAN2：車身CAN，用于駕駛室內(nèi)控制系統(tǒng)的信息傳送。此通道上有門鎖控制模塊DCM、車身中央控制模塊BCM、空氣懸架ECAS、冷卻系統(tǒng)。BCM內(nèi)置120Ω終端電阻。

3） CAN3：用于EBS+ESC系統(tǒng)、電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)智能控制器ADS等的信息交互。此CAN通道速率設(shè)計為500kb/s。

4） CAN4：行駛記錄儀、360°全景影像、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)TPMS、中控的信息交互通道。

5） CAN5是中控控制器的子網(wǎng)，用于中控控制器和組合儀表、大屏的信息交互。

6） CAN6、CAN7是EBS+ESC系統(tǒng)的子網(wǎng)。CAN6用于EBS+ESC管理前橋模塊的動作。CAN7用于EBS+ESC管理后橋模塊的動作。

7） CAN8、CAN9是PDM （電驅(qū)橋） 的子網(wǎng)。CAN8用于PDM （電驅(qū)橋） 管理右輪模塊的驅(qū)動方式。CAN9用于PDM（電驅(qū)橋） 管理左輪模塊的驅(qū)動方式。

8） CAN10是HCU的子網(wǎng)。CAN10用于整車控制器HCU管理電源管理系統(tǒng)BMS、高壓配電盒、電驅(qū)橋PDM等系統(tǒng)的控制。

9） CAN11、CAN12 是 電 子 手 制 動EPB 網(wǎng) 關(guān) 的 子 網(wǎng)。CAN11、CAN12用于電子手制動EPB網(wǎng)關(guān)管理EPB閥的控制。

風(fēng)險預(yù)估：該車電控系統(tǒng)較多，對網(wǎng)關(guān)特性和安全要求高，網(wǎng)關(guān)應(yīng)就服務(wù)端安全性（防DOS攻擊、網(wǎng)絡(luò)攻擊和虛假信息等）、設(shè)備端安全性 （防篡改、CAN接口權(quán)限、系統(tǒng)提取、本地證書或數(shù)據(jù)獲取等）、性能指標(biāo)安全 （惡意攻擊頻率、響應(yīng)指標(biāo)等） 這些方面進(jìn)行考慮，提高可靠性。再有，自動駕駛與駕駛員優(yōu)先的交錯控制，對于整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟彩怯杏绊懙摹?/p>

圖6 東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對整車電氣系統(tǒng)的影響［2-3］

整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢苑?步進(jìn)行：初期規(guī)劃，中期通信測試，后期維護(hù)架構(gòu)。

3.1 初期規(guī)劃

圖6是東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計有7路CAN，分別是動力CAN1、舒適CAN2、診斷CNA3。

1） 動力CAN1，與汽車動力性相關(guān)的控制系統(tǒng)均在此通道上傳送信息。相關(guān)系統(tǒng)有發(fā)動機(jī)EECU、ABS、AMT、SCU換擋控制器、安全氣囊Airbag、EBS、ESC、儀表、行駛記錄儀、T-BOX、上裝控制器BBM。

2） 舒適CAN2，在此通道上接收和發(fā)送信息的有儀表、多功能顯示屏、車身中央控制單元BCM、胎壓監(jiān)測TPMS、暖風(fēng)空調(diào)、門鎖控制模塊DCM、前方道路預(yù)警LDWS、270°影像、疲勞駕駛預(yù)警、駐車空調(diào)、倒車影像等。

3） 診斷CAN3，用于車輛下線EOL標(biāo)定及車輛數(shù)據(jù)上傳。目前T-BOX和發(fā)動機(jī)EECU在這路CAN上傳送數(shù)據(jù)。

4） CAN4是EECU的子網(wǎng)，用于管理國VI后處理。

5） CAN5是EBS的子網(wǎng)，管理ESC、SAS、RA等控制方式。

6） CAN6是EBS的另一個子網(wǎng)，管理后橋模塊的控制方式。

7） CAN7是AEBS的子網(wǎng)，管理雷達(dá)和攝像頭的控制方式。

行駛記錄儀、T-BOX、儀表等控制器，在本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中對這些控制系統(tǒng)采用2路CAN設(shè)計，可以做信息轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 通信測試

3.2.1 案例1

通過對整車網(wǎng)絡(luò)測試，排查出康明斯國VI電控系統(tǒng)通信協(xié)議文檔有漏項(xiàng)。

1） 測試過程 進(jìn)行整車CAN網(wǎng)絡(luò)測試，在動力CAN總線上采集到發(fā)動機(jī)EECU 發(fā)送報文0x19FFEF00、0x18FC4E00、0x18FC4D00、0x18FC5700，但通信協(xié)議文檔和SAE J1939協(xié)議均未對上述報文進(jìn)行定義。

2） 排查分析 0x19FFEF00是私有報文、0x18FC4E00用于廣播后處理1尿素噴射壓力信息、0x18FC4D00用于廣播后處理2尿素噴射壓力信息、0x18FC5700用于廣播尿素液位空的時間和尿素質(zhì)量低故障的時間。

3） 最終結(jié)果 康明斯完善通信協(xié)議文檔。

3.2.2 案例2

通過對整車網(wǎng)絡(luò)測試，排查出儀表軟件策略缺陷。

1） 測試過程 點(diǎn)火鑰匙先在LOCK擋,然后將點(diǎn)火鎖旋到ACC擋，通過CANoe工具采集整個過程報文信號數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)PCAN上存在2條異常報文。

2） 排查分析 這2條異常報文是來自車身CAN上的車身中央控制器BCM發(fā)送的，儀表負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。但點(diǎn)火鎖在ACC擋時儀表此時尚未上電, 此時儀表不應(yīng)該存在轉(zhuǎn)發(fā)報文情況，儀表只有在接收到ON擋信號時才開始工作。

3） 最終結(jié)果 更改儀表轉(zhuǎn)發(fā)報文規(guī)則，僅在點(diǎn)火鑰匙在ON擋時執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.3 案例3

通過對車身中央控制器BCM的功能檢測，排查出其軟件策略缺陷。

1） 測試過程 點(diǎn)火鎖鑰匙打到ON擋/ACC擋時，接通洗滌器開關(guān)，洗滌電機(jī)開始工作，刮水電機(jī)低速擋輸出，刮水器低速工作。

洗滌開關(guān)保持接通，將點(diǎn)火鑰匙旋到OFF擋，此時刮水電機(jī)停止工作，但洗滌電機(jī)仍在工作。再按下洗滌開關(guān)使其斷開，洗滌電機(jī)仍然工作。只有斷開電源總開關(guān)后洗滌電機(jī)方停止。但是再次接通電源總開關(guān)，洗滌電機(jī)仍工作，只有將點(diǎn)火鎖置于ACC擋，洗滌電機(jī)才能停止工作。

2） 排查分析 車身中央控制器BCM的軟件策略沒有包含點(diǎn)火鎖開關(guān)位置狀態(tài)、電源總開關(guān)狀態(tài)作為退出條件。

3） 最終結(jié)果 更改車身中央控制器BCM的軟件策略，將洗滌電機(jī)的退出條件包含有點(diǎn)火鎖開關(guān)位置狀態(tài)、電源總開關(guān)狀態(tài)。

3.2.4 案例4

通過對車身中央控制器BCM的功能檢測，排查出其軟件策略缺陷。

1） 測試過程 電源總開關(guān)接通，點(diǎn)火鑰匙旋到ON擋/ACC擋，按下接通洗滌開關(guān)，此時洗滌器和刮水電機(jī)均開始工作。點(diǎn)火鎖置于START擋時，刮水電機(jī)停止工作，但洗滌電機(jī)仍繼續(xù)工作。

2） 排查分析 洗滌電機(jī)沒有把ST擋作為退出條件。

3） 最終結(jié)果 更改車身中央控制器BCM的軟件策略，將點(diǎn)火鑰匙ST擋作為洗滌電機(jī)的退出條件。

3.2.5 案例5

通過測試國VI數(shù)據(jù)上傳的功能，排查出儀表車速參數(shù)定義問題。

1） 測試過程 車輛點(diǎn)火鎖ON擋，未啟動發(fā)動機(jī)，查看上傳平臺的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)平臺顯示車輛車速0.25km/h，采集總線車速值為0。

2） 排查分析 程序中車速參數(shù)定義未初始化，導(dǎo)致變量未賦值之前存在一個默認(rèn)值。計算后有一個很小的車速。

3） 最終結(jié)果 對儀表車速參數(shù)變量進(jìn)行初始化。

3.3 維護(hù)架構(gòu)

通過整車網(wǎng)絡(luò)測試，更改CAN通道上的控制系統(tǒng)的用電及軟件策略后，進(jìn)入架構(gòu)維護(hù)階段，編制整車通信文檔，明確各控制器的發(fā)送和接收信息，對于顯示故障按照嚴(yán)重度劃分，重度故障必須有故障信息指示，中度或輕度故障可以由服務(wù)人員通過診斷儀來獲取信息，以免造成車輛使用者在使用中的不適感。

4 結(jié)束語

整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計影響整車電氣系統(tǒng)的正常工作，也影響整車的安全性。反過來，利用整車網(wǎng)絡(luò)，也可以反推整車各系統(tǒng)的控制策略、配電設(shè)計等是否合理合規(guī)，進(jìn)而提高和改善整車安全性能，這是相輔相成的關(guān)系。