汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施分析

劉建勇、劉建銘、張發(fā)忠

（山東天?？萍脊煞萦邢薰?，山東 聊城 252000）

0 引言

《2021年汽車電子電氣架構(gòu)產(chǎn)業(yè)標(biāo)桿企業(yè)研究》是由新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的報(bào)告，其中指出汽車電子電氣架構(gòu)升級(jí)將隨著汽車普及程度的提升和汽車功能復(fù)雜化發(fā)展成為必然趨勢(shì)，現(xiàn)階段圍繞汽車電子電氣架構(gòu)展開(kāi)的升級(jí)工作主要集中在三個(gè)板塊，分別是硬件、軟件和通信[1]。當(dāng)前，多種現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航系統(tǒng)被引入汽車制造中，諸多主動(dòng)性、被動(dòng)性的安全技術(shù)應(yīng)用讓汽車架構(gòu)趨于復(fù)雜化。近些年來(lái)汽車配置復(fù)雜度逐年上升，這意味著汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求越來(lái)越高，所以汽車電子電電氣構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化升級(jí)的需求已經(jīng)十分迫切。

1 電子電氣架構(gòu)技術(shù)的含義與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

汽車電子電氣架構(gòu)（EEA）指的是汽車電子電氣系統(tǒng)總布置，就是有效整合汽車內(nèi)的處理器、線速連接、傳感器、電子分配系統(tǒng)等，從而實(shí)現(xiàn)整車在功能、動(dòng)力、運(yùn)算和能量等方面的合理分配。EEA 有多種分類，多域集中式、中央集中式與最常見(jiàn)的分布式等，分布式類別的應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)，且在相關(guān)科技技術(shù)進(jìn)步的過(guò)程中已發(fā)展到了第三代[2]。EEA 對(duì)于不同設(shè)計(jì)工程而言有著不一樣的意義，關(guān)鍵在于工程師從哪個(gè)視角去分析這一問(wèn)題。就物理架構(gòu)層面來(lái)說(shuō)，處理的重點(diǎn)在于系統(tǒng)中的實(shí)體形狀；就邏輯架構(gòu)層面而言，處理的重點(diǎn)在于系統(tǒng)中的軟件運(yùn)行。當(dāng)下兩種層面的設(shè)計(jì)語(yǔ)言相互獨(dú)立，所以有時(shí)候同一個(gè)詞代表不同意思，從而增加了設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜性。有效開(kāi)展電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作，需要在整個(gè)流程前期階段明確系統(tǒng)定義。如若將電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)比作修筑高樓，那么工程師就好比建造師，需要圍繞電子電氣架構(gòu)的框架和模型進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與科學(xué)測(cè)算，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路并校核每個(gè)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)性，以此確保電子電氣系統(tǒng)具備的功能可有效滿足客戶多元化的需求。當(dāng)前EEA 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很大的進(jìn)步，尤其是連接器、電子元件等都趨于小型化、迷你化，且裝配工藝和制造工藝也逐漸智能化發(fā)展，所以需要提高汽車生產(chǎn)靈活性，保持各項(xiàng)發(fā)展的同步性和匹配度。

2 對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)需求的分析

合理優(yōu)化EEA 設(shè)計(jì)對(duì)汽車而言，能讓汽車整體重量減輕20% 左右，同時(shí)降控生產(chǎn)成本的幅度可達(dá)到30%，因此有效開(kāi)展EEA 設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展而言有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。有針對(duì)性且有序地開(kāi)展EEA 合理設(shè)計(jì)的前提是全面掌握汽車電子電氣系統(tǒng)需求，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)完整的運(yùn)行平臺(tái)來(lái)奠定電子電氣系統(tǒng)研究基礎(chǔ)，在此過(guò)程中都是選用工程管理工具導(dǎo)入現(xiàn)有需求。針對(duì)部分已有需求，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)要以市場(chǎng)特性為前提，同時(shí)從功能性和非功能性兩個(gè)層面去考慮綜合性需求，通常情況下EEA 系統(tǒng)需求分為操作層面與功能層面。

2.1 基于操作層面需求分析EEA 系統(tǒng)

就根本上而言，分析EEA 系統(tǒng)操作性的目的在于更好地滿足各種外部需求，主要是從商業(yè)用途和用戶體驗(yàn)考慮，做到EEA 開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)外部需求的充分考量。關(guān)于EEA 系統(tǒng)可靠需求主要有三個(gè)，一是聯(lián)合運(yùn)用多種操作技術(shù)深入分析EEA 系統(tǒng)需求；二是圍繞系統(tǒng)需求分析實(shí)施對(duì)應(yīng)的量化工作，以期精準(zhǔn)驗(yàn)證該種程度對(duì)客戶方功能需求的滿足情況；三是制定完整的假象分析圖，直觀分析某些特殊情況中可能存在的潛在性需求與功能；四是針對(duì)多種模式背景下的EEA 系統(tǒng)功能需求做到合理制定，確保滿足功能需求的板塊處于正常運(yùn)行狀態(tài)，特別需要觀察的就是故障狀態(tài)下的運(yùn)行情況。

2.2 基于功能層面需求分析EEA 系統(tǒng)

就實(shí)質(zhì)上而言，分析EEA 的功能層面需求同樣也是為了更好地滿足系統(tǒng)外部需求，所以同樣具有促進(jìn)EEA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義。不過(guò)在難以保證需求正確與全面的前提下，有必要基于功能性需求考慮的模型，通過(guò)細(xì)致分析這個(gè)需求模型做到對(duì)外部需求的準(zhǔn)確、完整掌握[4]。關(guān)于功能性需求模型的構(gòu)建，第一步就是保證需求分析合理，避免在過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些行為表現(xiàn)恰好是完成切實(shí)需求的功能板塊，這種時(shí)候就要采取修正措施處理需求模型的不足，并交由相關(guān)負(fù)責(zé)人一同商議后確定系統(tǒng)功能特征，實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)化建模的標(biāo)準(zhǔn)流程。

3 EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化的具體流程

關(guān)于EEA 的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)流程就是國(guó)際上通用的“V”模式（見(jiàn)圖1），下面具體就從四個(gè)階段來(lái)闡述EEA 平臺(tái)設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程。

3.1 第一階段：整車需求定義

通過(guò)新車型各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果、市場(chǎng)定位，再結(jié)合收集的客戶特殊需求，進(jìn)行一系列的評(píng)估后，確定新車型的整車需求以及細(xì)化每個(gè)子系統(tǒng)需求，同時(shí)制定測(cè)試整車需求滿足程度的方法。市場(chǎng)策劃部和車型設(shè)計(jì)戰(zhàn)略部是汽車制造企業(yè)發(fā)展必不可少的兩個(gè)部門，這兩個(gè)部門在優(yōu)化EEA 設(shè)計(jì)前要根據(jù)現(xiàn)階段市場(chǎng)車型展開(kāi)各項(xiàng)參數(shù)分析，與此同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果預(yù)判未來(lái)一段時(shí)間里市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化和車型發(fā)展趨勢(shì)，精準(zhǔn)定位面向不同市場(chǎng)的車型風(fēng)格定位[5]。這是整車需求定義的關(guān)鍵內(nèi)容，有利于開(kāi)發(fā)商設(shè)計(jì)研究工作順利開(kāi)展，為EEA 設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有價(jià)值的參考信息，既要提升汽車企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，也要滿足人們對(duì)汽車的系統(tǒng)需求和功能需求。

3.2 第二階段：系統(tǒng)/架構(gòu)設(shè)計(jì)

圍繞電子電氣系統(tǒng)需求制定升級(jí)系統(tǒng)的方案，從物理層面和邏輯層面定位EEA 需求，制定測(cè)試系統(tǒng)/架構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)與否的方法?，F(xiàn)階段，標(biāo)桿管理模式已廣泛地應(yīng)用到了汽車設(shè)計(jì)中，以標(biāo)桿車質(zhì)量評(píng)估為準(zhǔn)，結(jié)合企業(yè)自身EEA 的性能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)成本、供電系統(tǒng)等因素考慮，開(kāi)展EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。針對(duì)標(biāo)桿車的全面分析中，通常會(huì)大量使用相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，對(duì)工作人員而言工作難度、工作量都大大提升。因此，企業(yè)要在具體環(huán)節(jié)中合理應(yīng)用EEA 設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)工具，一方面可有效減少分析數(shù)據(jù)信息的工作量，另一方面還能一并發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)功能，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3 第三階段：電子電氣件設(shè)計(jì)

從物理和邏輯兩個(gè)層面考慮，針對(duì)每個(gè)電子電氣件解決方案，滿足電子電氣對(duì)機(jī)械、軟件和硬件的需求，同樣要制定測(cè)試設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)與否的方法。EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重點(diǎn)在于對(duì)用戶需求的滿足，這與汽車最終的市場(chǎng)銷量有著直接關(guān)系，所以分析市場(chǎng)需求分析是以EEA 為輔，主要從市場(chǎng)需求中提取有助于銷售人員和項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)人員工作的信息，相關(guān)信息還能為汽車銷售定價(jià)提供參考。

3.4 第四階段：電子電氣件開(kāi)發(fā)

零部件供應(yīng)商按照電子電氣件的機(jī)械、軟件與硬件需求開(kāi)發(fā)制造多種器件，并自行制定測(cè)試開(kāi)發(fā)達(dá)標(biāo)效果。深入探究EEA 需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)、線束、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多個(gè)方面分析，因此各廠家要建立和諧的交流配合關(guān)系，建議在此過(guò)程中融入分層設(shè)計(jì)思想。有幾點(diǎn)需要特別注意的地方，一是EEA 功能定義為架構(gòu)模型設(shè)計(jì)；二是EEA 邏輯功能定義為描述電子電氣架構(gòu)功能與方法；三是關(guān)注包括遠(yuǎn)離層、網(wǎng)絡(luò)層和部件層在內(nèi)的EEA 硬件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提升其收發(fā)信息的準(zhǔn)確性；四是科學(xué)設(shè)計(jì)汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不能忽略任意一個(gè)零部件。

3.5 第五階段：驗(yàn)證環(huán)節(jié)之電子電氣件設(shè)計(jì)

按照此前制定的測(cè)試方法，規(guī)范檢測(cè)電子電氣件設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.6 第六階段：驗(yàn)證環(huán)節(jié)之系統(tǒng)/架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照此前制定的測(cè)試方法，規(guī)范檢測(cè)系統(tǒng)/架構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.7 第七階段：驗(yàn)證環(huán)節(jié)之整車需求目標(biāo)

按照此前制定的測(cè)試方法，規(guī)范檢測(cè)整車需求目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)。

4 汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)

相關(guān)工作人員在EEA 設(shè)計(jì)優(yōu)化中必須充分考慮用戶體驗(yàn)和需求，否則，很容易導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳，這種缺失了實(shí)操意義的設(shè)計(jì)，對(duì)汽車企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益的提升是沒(méi)有任何促進(jìn)作用的。對(duì)此，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，當(dāng)前EEA 的設(shè)計(jì)有必要將“智能化”作為一個(gè)標(biāo)桿或要求，為用戶提供緊跟時(shí)代發(fā)展的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)可以合理有效使用數(shù)據(jù)技術(shù)，讓汽車電子系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)反映各種運(yùn)行情況，讓智能化汽車系統(tǒng)為用戶提供更好的體驗(yàn)感。設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的流程中，要全方位考慮人們常有的行為習(xí)慣，并錄入一些道路分析參數(shù)，增強(qiáng)汽車應(yīng)用各種突發(fā)情況的處理能力。數(shù)據(jù)分析在當(dāng)代社會(huì)各行各業(yè)中都發(fā)揮著不可替代的作用，尤其是智能化的分析人們的習(xí)慣和使用需求，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化工作能在很大程度上讓設(shè)計(jì)工作更加高效、便捷，還能推動(dòng)企業(yè)制造與設(shè)計(jì)智能化發(fā)展。

4.2 對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)

能夠合理選擇設(shè)計(jì)工具將在很大程度上影響整個(gè)EEA 設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。使用具有一定成熟性的技術(shù)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，借助用戶接口和數(shù)據(jù)支持來(lái)充分利用所得設(shè)計(jì)結(jié)果，并靈活的調(diào)整EEA。由于EEA 有著十分凸顯的精細(xì)化特征，所以對(duì)設(shè)計(jì)工作的精細(xì)度要求很高，尤其是EEA 設(shè)計(jì)圖紙的工作難度是最大的，為了有效避免后期返工、失誤等問(wèn)題出現(xiàn)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員一定要仔細(xì)檢查圖紙內(nèi)容，嚴(yán)格按照工作標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)進(jìn)行檢查[6]。首先，細(xì)致全面地檢查設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容，為后期EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作的質(zhì)量提供有力保障，并為EEA 設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐減少不必要的環(huán)節(jié)，提升效率。如若在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不妥之處，在未修改之前切記不可投入使用，只有通過(guò)了初級(jí)檢查的圖紙才能投入下一階段工作。其次，對(duì)設(shè)計(jì)樣品進(jìn)行全面檢查，完成EEA 設(shè)計(jì)優(yōu)化后的初步成果就是一個(gè)樣品，再通過(guò)樣品對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行1∶1 還原，全面檢查樣品的目的在于保證投入使用效果，發(fā)現(xiàn)有任何影響實(shí)際使用功能的問(wèn)題，都表示設(shè)計(jì)上還存在著有待完善的地方。

4.3 合理選擇通信網(wǎng)絡(luò)

汽車每一個(gè)環(huán)節(jié)的通信效果都與EEA 水平息息相關(guān)，當(dāng)通信質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，整車性能發(fā)揮有限，用戶的汽車使用感就會(huì)下降。在EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中，有必要高度重視通信網(wǎng)絡(luò)的合理選擇，要為汽車性能匹配一個(gè)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性均符合要求的通信網(wǎng)絡(luò)。EEA 未來(lái)一段時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)為智能化，所以在EEA設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作中要將各板塊之間建立緊密的聯(lián)系，杜絕出現(xiàn)卡頓、延遲等因通信不佳導(dǎo)致的問(wèn)題，盡量保證運(yùn)行效果和用戶體驗(yàn)感。比如內(nèi)置導(dǎo)航提供的信息存在卡頓延遲現(xiàn)象，對(duì)汽車行駛路線的選擇影響巨大，甚至可能造成嚴(yán)重社會(huì)后果，所以設(shè)計(jì)人員要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)做到反復(fù)測(cè)試與合理選擇，為EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化做好輔助工作。

4.4 持續(xù)完善電氣故障檢測(cè)措施

操作人員在處理電氣故障問(wèn)題中，往往是通過(guò)啟動(dòng)和停止電氣運(yùn)行來(lái)判斷電流消耗情況。關(guān)于電氣功率的檢查，通常以汽車輸出電流判斷標(biāo)準(zhǔn)，若電流值與標(biāo)準(zhǔn)相符，則代表可以按照常規(guī)操作關(guān)閉或開(kāi)啟電氣。由于電氣在開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中存在瞬間電流，所以有必要延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間，以時(shí)間長(zhǎng)度為準(zhǔn)，進(jìn)行輸出電流判斷，以此得出電氣運(yùn)行所消耗的電流量，值得注意的是，要結(jié)合電流平均值進(jìn)行電力消耗判斷，這樣才能得出更加精準(zhǔn)的電氣功率。在檢測(cè)車輛電子故障環(huán)節(jié)中，必然要對(duì)車輛電子控制部分故障進(jìn)行排查，上述工作均通過(guò)汽車診斷口完成，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)常規(guī)檢測(cè)方式進(jìn)行故障診斷，憑借執(zhí)行器和傳感器在數(shù)據(jù)傳輸上的精準(zhǔn)、高效優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合ECU 將故障診斷計(jì)劃落到實(shí)處，有不合理數(shù)據(jù)出現(xiàn)則表示ECU 發(fā)生了故障。

5 結(jié)語(yǔ)

諸多國(guó)外汽車生產(chǎn)廠商都有屬于自己的汽車電子電氣架構(gòu)平臺(tái)，還有配套的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，每種車型的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)都經(jīng)過(guò)了這一流程。近幾年，我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究已經(jīng)有了些許成果，但還有很大的提升空間，當(dāng)下需要進(jìn)一步加速研發(fā)并構(gòu)建屬于自己的EEA 平臺(tái)和規(guī)范化設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，尤其是目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈的情況下，汽車企業(yè)需要妥善應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)成本過(guò)高、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)、品質(zhì)與性能與市場(chǎng)需求不符等難題。所以我國(guó)汽車生產(chǎn)廠商要圍繞EEA 設(shè)計(jì)與優(yōu)化強(qiáng)化研發(fā)力度，提升我國(guó)汽車制造的影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。