智能電氣架構(gòu)在商用車上的應(yīng)用研究

張倩 王遠(yuǎn)波 武美航 袁思浩

【摘? 要】本文通過對(duì)智能電氣架構(gòu)在商用車上的應(yīng)用進(jìn)行分析研究，從配電、控制、保護(hù)、診斷、網(wǎng)絡(luò)管理、ECM等多個(gè)方面來詳細(xì)闡述智能電氣架構(gòu)在商用車落地的突破點(diǎn)和解決方案。

【關(guān)鍵詞】智能電氣架構(gòu);配電;控制;保護(hù);診斷;網(wǎng)絡(luò)管理;ECM

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）05-0030-04

【Abstract】This paper analyzes and studies the application of intelligent electrical architecture in commercial vehicles，and elaborates the breakthrough points and solutions of intelligent electrical architecture in commercial vehicles from power distribution，control，protection，diagnosis，network management，ECM and other aspects.

【Key words】intelligent electrical architecture;power distribution;control;protection;diagnosis;network management;ECM

作者簡(jiǎn)介

張倩（1987—），主要從事整車電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)、整車電氣原理設(shè)計(jì)工作。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛以及電動(dòng)汽車的發(fā)展，未來智能電氣架構(gòu)必定是基于“先進(jìn)技術(shù)、穩(wěn)定可靠、靈活擴(kuò)展、產(chǎn)品成本低、提供更豐富服務(wù)”的方向向前發(fā)展。本文以商用車傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，從電子電氣架構(gòu)涉及的各個(gè)主要環(huán)節(jié)出發(fā)，討論智能電氣架構(gòu)如何在商用車上行之有效地應(yīng)用落地，以及其給商用車帶來的諸多價(jià)值。

1? 商用車電氣架構(gòu)現(xiàn)狀和特點(diǎn)

商用車的傳統(tǒng)電氣架構(gòu)整車基本為單網(wǎng)段，只有儀表、ABS等寥寥無幾的CAN總線節(jié)點(diǎn)，主體仍然是配電盒（熔斷絲+繼電器），更多體現(xiàn)是電氣拓?fù)?，其特點(diǎn)是配電盒功能固定、不可升級(jí)、線束設(shè)計(jì)裕量大、設(shè)計(jì)驗(yàn)證復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、更新迭代速度慢，為保證不同車型及配置的兼容性，需要做大量預(yù)留設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加、設(shè)計(jì)成本高、使用靈活性差。

近幾年，隨著技術(shù)發(fā)展，大部分商用車企也已經(jīng)普及分布式電氣架構(gòu)，整車ECU元件逐漸增多，部分基于繼電器、熔斷絲的功能也被HSD/LSD和MOSFET替代，融合了更多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?，整車由電氣化向電子化不斷邁進(jìn)。

2? 智能電氣架構(gòu)在商用車應(yīng)用落地的突破點(diǎn)

未來智能駕駛的電氣架構(gòu)需要的是區(qū)域架構(gòu)，甚至是中央集中式架構(gòu)的模式，雖然智能化、網(wǎng)聯(lián)化的基礎(chǔ)都是電子化，但智能化的本質(zhì)是可感知、可控制、可診斷、可編程配置、可聯(lián)網(wǎng)、可進(jìn)化，那么，在商用車上實(shí)現(xiàn)智能化電氣架構(gòu)就需要從以下方面進(jìn)行突破。

2.1? 配電

傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的整車配電基本是依托于熔斷絲+繼電器，眾所周知，這種配電需要易接近性的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜冗余，依賴于熔斷絲和繼電器自身的電氣特性，導(dǎo)致電氣壽命低、線路保護(hù)及維修性差、后期維護(hù)成本高，并且無法做到每條線路都能獨(dú)立受控。傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的整車配電盒如圖1所示。

相較于傳統(tǒng)配電盒，基于半導(dǎo)體器件的配電盒，芯片的單個(gè)HSD管腳或者芯片與MOSFET的組合即可取代1個(gè)熔斷絲加1個(gè)繼電器的方式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全、可靠的配電，并且上下電時(shí)序和不同的電源屬性也可以完全做到編程可控，特別是對(duì)二級(jí)配電架構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有利，同時(shí)，線束選型、電平衡、能量管理都可以做到更精確的設(shè)計(jì)?；诎雽?dǎo)體器件的配電盒如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于半導(dǎo)體器件的配電方案根據(jù)不同使用場(chǎng)景分2種。

方案1：驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFET分立方案。這種方案的復(fù)雜度高，突出表現(xiàn)在電流檢測(cè)難度大、電路保護(hù)復(fù)雜、診斷功能復(fù)雜、保護(hù)功能少、保護(hù)策略復(fù)雜。該方案的綜合成本較高，通常適用于大電流場(chǎng)合。目前，車載應(yīng)用較少，車載大電流還是以熔斷絲+繼電器為主。

方案2：HSD智能高邊開關(guān)集成方案。單芯片集成了驅(qū)動(dòng)+MOSFET+電流檢測(cè)+電壓保護(hù)+熱保護(hù)+各類診斷，HSD的電流檢測(cè)精度能達(dá)到5%，甚至更高。此方案在商用車中已經(jīng)普及應(yīng)用，但基本限于低于25A的小電流負(fù)載應(yīng)用，而且成本低、可靠性高。

值得一提的是，特斯拉Model 3的FBCM中大量使用低RDS_ON（低導(dǎo)通阻抗，大電流）的MOSFET用于電源分配，總數(shù)在50顆以上，小電流采用了英飛凌的HSD芯片，而作為二級(jí)配電的LBCM中則只用了20顆左右的MOSFET?？梢姡厮估谴箅娏鞑捎梅桨?，小電流采用方案2，這對(duì)于商用車的智能配電盒架構(gòu)設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。

未來配電盒的方向肯定是基于單芯片方案的智能HSD，隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的下降，應(yīng)用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大到車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。

2.2? 控制及保護(hù)

2.2.1? 控制

在傳統(tǒng)電氣架構(gòu)下，電氣系統(tǒng)的控制大都是基于繼電器的控制方案，由于繼電器為被動(dòng)元件，沒有狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷，導(dǎo)致所有控制均是開環(huán)，一定程度上帶來了設(shè)計(jì)的粗放性，使得控制的精確性和可靠性無法得到保障。

智能電氣架構(gòu)依托于電子化的電氣件，控制單元采用驅(qū)動(dòng)芯片（HSD/LSD）或者芯片+半導(dǎo)體元件（MOS/三極管）的方案（圖2），無論是從開關(guān)壽命、速度、應(yīng)用范圍，還是保護(hù)等級(jí)等方面，其性能均全面碾壓傳統(tǒng)控制元器件。傳統(tǒng)電氣架構(gòu)控制元器件與智能電氣架構(gòu)控制元器件對(duì)比情況詳見表1。在軟硬件架構(gòu)、控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)通信、診斷等各個(gè)環(huán)節(jié)的匹配設(shè)計(jì)下，每路負(fù)載單獨(dú)可控、可診斷、可信息聯(lián)網(wǎng)，最大限度地實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

基于電子元件的控制方案為智能電氣架構(gòu)帶來顛覆性技術(shù)和價(jià)值創(chuàng)新的同時(shí)，也帶來了成本增加的挑戰(zhàn)，特別是主機(jī)廠需要從系統(tǒng)層面綜合評(píng)估線束、研發(fā)、售后等方面的成本。因此，基于目前階段，智能電氣架構(gòu)在商用車落地的一個(gè)突破點(diǎn)就是“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”這種模式。把硬件成本作為價(jià)值預(yù)埋的一部分，硬件的成本后期可以通過軟件付費(fèi)模式進(jìn)行回收，以特斯拉為首的部分乘用車已經(jīng)在這方面得到了成功的嘗試，值得商用車借鑒。

對(duì)于“軟件付費(fèi)”模式而言，OTA的支持對(duì)“軟件定義汽車（圖3）”起了決定性的作用?；诓煌蛻粲唵蔚男枨螅ㄟ^軟件升級(jí)便可簡(jiǎn)單、快速地完成電氣設(shè)計(jì)的變更，設(shè)計(jì)更改成本相較于傳統(tǒng)電氣架構(gòu)批量更改線束和控制器這種牽一發(fā)而動(dòng)全身的方式來說，優(yōu)勢(shì)更顯著，特別是針對(duì)商用車車型多、小批量、開發(fā)周期短的特點(diǎn)來講，價(jià)值更大。此外，駕駛員還可以通過手機(jī)APP或者人機(jī)交互終端進(jìn)行車輛的遠(yuǎn)程控制，比如遠(yuǎn)程電源管理、遠(yuǎn)程起動(dòng)/熄火、遠(yuǎn)程油門/制動(dòng)/燈光/空調(diào)/門窗等系統(tǒng)的控制，這也為無人駕駛和線控底盤技術(shù)的落地提供了有利支持。

OTA的整車解決方案主要包括：①車端技術(shù)方案（適配整車EE架構(gòu)類型、主控設(shè)備升級(jí)方案、顯示設(shè)備升級(jí)方案、車端動(dòng)態(tài)添加ECU升級(jí)方案等）;②診斷刷寫流程，盡量做到腳本化;③云端技術(shù)方案（云端服務(wù)架構(gòu)、云端管理方案、云端服務(wù)項(xiàng)目）。

2.2.2? 保護(hù)

傳統(tǒng)電氣架構(gòu)控制元器件與智能電氣架構(gòu)控制元器件保護(hù)機(jī)制對(duì)比情況詳見表2。相較于傳統(tǒng)電氣架構(gòu)僅通過熔斷絲短路的保護(hù)方法，電子元器件可以對(duì)負(fù)載回路的過壓、過載、短路等故障均進(jìn)行有效保護(hù)，保護(hù)范圍和保護(hù)能力有了質(zhì)的提升，特別是針對(duì)商用車線束長(zhǎng)度普遍過長(zhǎng)的特點(diǎn)，有效規(guī)避了“長(zhǎng)導(dǎo)線效應(yīng)”導(dǎo)致的熔斷絲失效情況以及線束持續(xù)發(fā)熱引起車輛火災(zāi)事故的問題。

電子元器件帶來的另一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)了控制與保護(hù)的融合，控制即保護(hù)，保護(hù)即控制。但這同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提出了更高的要求，因?yàn)樾枰獙?duì)負(fù)載特性和半導(dǎo)體器件的特性有足夠的研究和掌握才能做到精準(zhǔn)匹配。在設(shè)計(jì)過程中普遍考慮的基礎(chǔ)元素有：①HSD/LSD芯片的額定電流、限制電流參數(shù)、溫度特性;②負(fù)載應(yīng)用工況及條件;③負(fù)載性質(zhì)（容性/感性），如果是電機(jī)類的負(fù)載，還需要考慮是否需要過載保護(hù)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等問題;④負(fù)載沖擊電流及其波形、峰值、持續(xù)時(shí)間。

2.3? 診斷

智能化的電氣架構(gòu)對(duì)整車的可靠性提出了更高的要求，而強(qiáng)大的診斷功能則是可靠性的基礎(chǔ)。汽車診斷技術(shù)是憑借儀器設(shè)備對(duì)汽車進(jìn)行性能測(cè)試和故障檢查的一種方法和手段，它能夠測(cè)試出汽車各項(xiàng)工作性能指標(biāo)，并可在汽車總成和部件不解體的情況下發(fā)現(xiàn)故障及其產(chǎn)生的原因。隨著智能電氣架構(gòu)下整車功能復(fù)雜度的大幅提升，基于以太網(wǎng)和CAN總線的ECU節(jié)點(diǎn)數(shù)量激增，數(shù)據(jù)和信號(hào)的吞吐量翻倍增長(zhǎng)，隨之而來的就是故障識(shí)別和維修保養(yǎng)的難度提升，對(duì)于整車故障診斷的方法、工具和可靠性也提出了更嚴(yán)苛的要求。目前常用的方法有以下2種。

2.3.1? DM1故障碼

對(duì)于商用車，因其使用特點(diǎn)導(dǎo)致車輛維修頻率較高，每一次故障都意味著運(yùn)營(yíng)成本的增高，所以依托于半導(dǎo)體器件的開路檢測(cè)、短路檢測(cè)、過壓檢測(cè)、過流檢測(cè)等特性，ECU可實(shí)時(shí)地監(jiān)控負(fù)載當(dāng)前故障狀態(tài)，并將故障報(bào)文發(fā)送至總線上，既可以通過儀表、中控屏等人機(jī)交互界面對(duì)駕駛員進(jìn)行故障提醒和預(yù)警，還可以將故障信息存儲(chǔ)至后臺(tái)。

對(duì)于高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)，還可以將車輛歷史狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，給每輛車建立基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字維修車間，通過APP或人機(jī)交互終端為駕駛員提供超前的維保提醒和故障預(yù)警，防止車輛運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，為用戶提供更智能化、人性化的檢修解決方案。同時(shí)，可以結(jié)合駕駛員的行為習(xí)慣和車輛使用工況的采集分析進(jìn)行高級(jí)復(fù)雜運(yùn)算，為當(dāng)前車輛用戶提供專屬的駕駛行為指導(dǎo)意見，讓車輛處于經(jīng)濟(jì)、性能、動(dòng)力最佳的運(yùn)行狀態(tài)，為載重汽車駕駛員帶來更高的經(jīng)濟(jì)利益，當(dāng)然，該部分與前文所述的“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”相得益彰。

DM1故障報(bào)文一般采用多包形式，其定義通常應(yīng)包含：SPN、FMI、故障描述、DCT產(chǎn)生條件、DTC清除條件、維修指導(dǎo)意見、故障等級(jí)。其中，“故障描述”要詳細(xì)到故障排查時(shí)使用的工具、故障排查步驟、判定故障具體原因的思路，才能對(duì)故障維修起到有效的指導(dǎo)作用。

2.3.2? UDS診斷

UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）是基于ISO 14229協(xié)議的一種面向整車所有ECU單元的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的診斷服務(wù)。UDS既可以在CAN總線上實(shí)現(xiàn)，也能在Ethernet上實(shí)現(xiàn)DoIP（Diagnostic over Internet Protocol），同時(shí)由于其增強(qiáng)型的服務(wù)特點(diǎn)，主機(jī)廠和零部件廠商可以根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)私有化自定義的診斷服務(wù)，更加方便于生產(chǎn)線檢測(cè)（診斷）設(shè)備的開發(fā)，也更加方便售后維修保養(yǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于智能電氣架構(gòu)來說，UDS是一種非常友好的診斷方法。

UDS在具體應(yīng)用過程中針對(duì)的是每一個(gè)ECU單元，須對(duì)整車每一個(gè)有診斷需求的ECU編制詳細(xì)的診斷規(guī)范，除了基本的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的定義，還應(yīng)包括診斷功能、診斷服務(wù)、故障診斷需求、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符、標(biāo)定參數(shù)、配置更新策略、診斷服務(wù)說明的詳細(xì)概述。其中，診斷服務(wù)常用的類型有：診斷會(huì)話控制（10H）、安全訪問（27H）、診斷設(shè)備在線（3EH）、電控單元復(fù)位（11H）、通信控制（28H）、控制DCT設(shè)置（85H）、讀取數(shù)據(jù)（22H）、寫入數(shù)據(jù)（2E）、讀取DCT信息（19H）、清除診斷信息（14H）、例程控制（31H）、輸入輸出控制（2FH）、請(qǐng)求下載（34H）、數(shù)據(jù)傳輸（36H）、請(qǐng)求退出傳輸（37H）。

2.4? 網(wǎng)路管理

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)車輛中的推廣應(yīng)用，“以太網(wǎng)+CAN+LIN總線”的復(fù)合形式將成為智能電氣架構(gòu)的常見形態(tài)，智能電氣架構(gòu)在解決多項(xiàng)智能網(wǎng)聯(lián)功能合理分配的同時(shí)，也面臨因車內(nèi)網(wǎng)段和ECU數(shù)量激增，各節(jié)點(diǎn)無法同步休眠引起的靜態(tài)功耗問題。解決該問題可使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)上的控制器穩(wěn)定、有序地運(yùn)行，在用戶無用車需求時(shí)，全車ECU可同步進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少整車的電能消耗，使車輛具有足夠的能量保證再次起動(dòng)。汽車基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)序如圖4所示。

目前業(yè)內(nèi)通用的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制有OSEK和AutosarNM，都是直接網(wǎng)絡(luò)管理方法，通過專用的報(bào)文來報(bào)告網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)。在OSEK機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有ECU使用網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文建立令牌環(huán)來傳遞網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、休眠請(qǐng)求和休眠命令，從而達(dá)到同步休眠的目的。AutosarNM是一種自主休眠機(jī)制，每個(gè)ECU報(bào)告自己的狀態(tài)，當(dāng)自己滿足休眠條件時(shí)停發(fā)自身的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，對(duì)于整車而言，當(dāng)總線上無任何的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文后，全車ECU統(tǒng)一進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.5? ECM

商用車由于車身長(zhǎng)、負(fù)載類型復(fù)雜、整車電氣環(huán)境惡劣等因素的影響，其自身對(duì)EMC有著較高的要求，再加上電動(dòng)車高壓系統(tǒng)帶來的影響，使得ECM性能的優(yōu)劣程度對(duì)整車的安全性、可靠性、穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

智能電氣架構(gòu)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了電子化，因此解決ECM問題的切入點(diǎn)可以落腳在底盤配電盒上：①電器盒電源輸入端加入電壓抑制設(shè)計(jì);②每個(gè)電源輸出通道也可以增加電壓抑制設(shè)計(jì)，將長(zhǎng)導(dǎo)線上雜散電感產(chǎn)生的高壓脈沖以及基于U=L×di/dt快速變化的大電流產(chǎn)生的電感消耗;③利用芯片本身的開關(guān)特性，將干擾脈沖吸收，防止其在ECU和負(fù)載之間亂竄，避免用電設(shè)備之間的相互干擾。

3? 結(jié)論

綜上所述，智能電氣架構(gòu)為商用車帶來挑戰(zhàn)突破的同時(shí)也為商用車提供了更多的價(jià)值，所以，不管是支撐未來新能源載重汽車及高階無人駕駛技術(shù)，還是為主機(jī)廠從車輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉(zhuǎn)型，商用車推行智能電氣架構(gòu)，勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王棟梁，湯利順，陳博，等. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車整車OTA功能設(shè)計(jì)研究[J]. 汽車技術(shù)，2018（10）：29-33.

[2] 王馨，郁淑聰，李亞楠. 淺析軟件定義下汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)的變化與影響[J]. 時(shí)代汽車，2022（3）：10-12.

[3] 陳姿霖，王遠(yuǎn)波，陳佩. 基于OSEK標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證淺析[J]. 汽車電器，2022（3）：51-52，54.

（編輯? 凌? 波）