作者 | 張文斌、王濤、丁萬(wàn)興、韓慶福、徐成竹
來(lái)源 | 北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司
隨著汽車(chē)電子控制技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)車(chē)輛安全性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，中國(guó)重型商用車(chē)裝用的電子器件越來(lái)越多，整車(chē)電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，日趨龐雜的電氣系統(tǒng)對(duì)整車(chē)的功能擴(kuò)展、安裝空間分配、成本控制及開(kāi)發(fā)周期等方面都帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)，非系統(tǒng)性設(shè)計(jì)的整車(chē)電氣系統(tǒng)已不能滿足企業(yè)多車(chē)型車(chē)輛的使用要求，對(duì)車(chē)輛整車(chē)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(lái)系統(tǒng)中不斷增加的數(shù)據(jù)處理要求，各廠商正在進(jìn)行整車(chē)電子電氣架構(gòu)的開(kāi)發(fā)與規(guī)劃，合理的整車(chē)電子電氣架構(gòu)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)共享信息可用可靠的前提。
同時(shí)，為了滿足現(xiàn)在不斷增長(zhǎng)的輔助駕駛和預(yù)見(jiàn)性駕駛等數(shù)據(jù)處理需求，以及滿足未來(lái)數(shù)據(jù)交互更加龐雜的自動(dòng)駕駛規(guī)劃要求，實(shí)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(jì)理念，進(jìn)行系統(tǒng)性的整車(chē)電子電氣架構(gòu)的研發(fā)與規(guī)劃，已是大勢(shì)所趨。
以頂層設(shè)計(jì)的理念構(gòu)建福田戴姆勒企業(yè)自身特色的重型商用車(chē)電子電氣架構(gòu)，包括整車(chē)電子電氣功能規(guī)劃、電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能模塊化設(shè)計(jì)與分配、整車(chē)電氣連接的設(shè)計(jì)。通過(guò)整車(chē)系統(tǒng)需求定義、原子邏輯單元的搭建實(shí)現(xiàn)整車(chē)功能邏輯的配置，然后利用模塊化的設(shè)計(jì)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(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)估選擇，完成可拓展型的整車(chē)電子電氣架構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。本項(xiàng)目將打造企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)，制定整車(chē)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(chē)系列車(chē)型的功能拓展，電子電氣架構(gòu)平臺(tái)較易實(shí)現(xiàn)整車(chē)電氣系統(tǒng)的擴(kuò)大或縮小，可以滿足企業(yè)產(chǎn)品線上各類(lèi)重型車(chē)型對(duì)功能分配、成本控制等的不同要求，以滿足客戶的各種需求。基于搭建的整車(chē)電子電氣架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)性駕駛和輔助駕駛基礎(chǔ)上，為將來(lái)車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和智能化功能擴(kuò)展，甚至自動(dòng)駕駛，提供可靠的整車(chē)電子電氣環(huán)境。
1.2.1 整車(chē)電子電氣功能規(guī)劃
整車(chē)電子電氣功能的需求及定義是整車(chē)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入和目標(biāo)，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)的平臺(tái)化、可擴(kuò)展性、堅(jiān)固性及成本性等。根據(jù)汽車(chē)智能化方向發(fā)展所涉及的汽車(chē)電器系統(tǒng)、汽車(chē)電子控制系統(tǒng)、汽車(chē)電子信息系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)及車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等為前提，結(jié)合整車(chē)電子電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能模塊化的設(shè)計(jì)理念，展開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)及排放相關(guān)控制、變速器控制、緩速器控制、制動(dòng)系統(tǒng)控制、智能駕駛員輔助系統(tǒng)控制、車(chē)身控制、車(chē)輛數(shù)據(jù)傳遞與交互、儀表顯示等功能的開(kāi)發(fā)。如圖1所示。
圖1汽車(chē)電子控制系統(tǒng)分類(lèi)
1.2.2 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整車(chē)電子電氣架構(gòu)中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，基于整車(chē)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(kāi)電源匹配設(shè)計(jì)。電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括起動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)、發(fā)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)、蓄電池匹配設(shè)計(jì)、中央電氣接線盒設(shè)計(jì)及導(dǎo)線的匹配與設(shè)計(jì)等。
1）起動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性及起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)參數(shù)，結(jié)合起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)效率及車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境等要求，對(duì)起動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。
2）發(fā)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)
逐一統(tǒng)計(jì)車(chē)輛電器負(fù)載的額定功率及單車(chē)數(shù)量，并根據(jù)各負(fù)載的工作特點(diǎn)，計(jì)算出各負(fù)載折算后的總功率P折，然后按“發(fā)電機(jī)功率=28÷24×P折xa"（其中為發(fā)電機(jī)容量系數(shù)），計(jì)算車(chē)輛所需發(fā)電機(jī)功率，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速值、皮帶傳動(dòng)比及發(fā)電機(jī)特性曲線等，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。
3）蓄電池匹配設(shè)計(jì)根據(jù)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)參數(shù)，計(jì)算蓄電池，并根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境要求及蓄電池放電曲線等，對(duì)蓄電池進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。
4）中央電氣接線盒設(shè)計(jì)將電源熔斷器按功能進(jìn)行了協(xié)調(diào)分配，并通過(guò)不同的電源繼電器實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電控單元與車(chē)輛音通器件用KL15電源的隔離，從源頭省手，降低了電源串?dāng)_對(duì)各控制的影響。汽車(chē)中央電氣接線盒是汽車(chē)整車(chē)電源分配及信號(hào)傳輸?shù)闹袠袉卧渫ㄟ^(guò)集合繼電器、熔斷器、一極管及一些電子模塊，實(shí)現(xiàn)整車(chē)用電設(shè)備電源及控制信號(hào)的分配，并對(duì)各用電設(shè)備及電線束進(jìn)行過(guò)載或短路保護(hù)。
5）電源線與搭鐵線的匹配與設(shè)計(jì)整車(chē)電源熔斷器采用串聯(lián)分級(jí)設(shè)計(jì)，既保證了起動(dòng)機(jī)等大功率器件的可用與可控，又對(duì)車(chē)輛其它用電器件進(jìn)行了合理保護(hù)。
設(shè)計(jì)了數(shù)字搭鐵與模擬搭鐵，將各電控單元的數(shù)字信號(hào)回路與模擬信號(hào)回路進(jìn)行了隔離，提高了各數(shù)字信號(hào)可靠性。采用雙線制，通過(guò)各搭鐵線壓線點(diǎn)將搭鐵線匯集并引回蓄電池負(fù)極，降低了車(chē)輛能耗，提高了車(chē)輛運(yùn)行安全性。
1.2.3 功能模塊化設(shè)計(jì)與分配
整車(chē)功能的實(shí)現(xiàn)是多種多樣的，為了確定最優(yōu)方索，我們從子系統(tǒng)的角度出發(fā)，使用基于模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)方索進(jìn)行詳細(xì)分析，實(shí)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(kuò)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(chē)電子控制系統(tǒng)按功能域進(jìn)行劃，主要分為車(chē)身電子控制域、底盤(pán)電子控制域及發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制域，具體功能分布情況如下。
１）車(chē)身電子控制域。涵蓋駕駛室內(nèi)部車(chē)身控制的各電控單元，功能涉及行駛信息記錄、自動(dòng)空調(diào)、音響系統(tǒng)、電動(dòng)玻璃升降、電動(dòng)后視鏡加熱遙控鑰匙中控門(mén)鎖、燈光控制、雨刮控制、差速鎖控制、顯示等。基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，將功能分配到各模塊單元，如車(chē)身模塊，可規(guī)劃燈光控制、雨刮控制、喇叭控制等功能：門(mén)控模塊，可規(guī)劃電動(dòng)玻璃升降、電動(dòng)后視鏡加熱遙控鑰匙中控門(mén)鎖等功能；儀表，可規(guī)劃自定義的顯示等功能。
2）底盤(pán)電子控制域，涵蓋底盤(pán)各電控單元，功能涉及自動(dòng)換擋、坡道輔助起步、車(chē)輛輔助制動(dòng)控制、摩擦片磨損控制、制動(dòng)力分配、主掛車(chē)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(jì)理念，將功能分配到各電控單元，如AMT，可規(guī)劃實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋、換擋提醒等功能; 如 EBS，可規(guī)劃實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配、主掛車(chē)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(chē)道偏離預(yù)警、自動(dòng)緊急制動(dòng)、前碰撞預(yù)警、坡道輔助控制等功能。
3）發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制域，涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)及排放相關(guān)控制單元，功能涉及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)、扭矩控制、排氣制動(dòng)、最大車(chē)速限制、定速巡航、最高車(chē)速限定、怠速調(diào)節(jié)、廢氣再循環(huán)控制、進(jìn)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。基干模塊化的設(shè)計(jì)理念，將功能分配到各電控單元，如ECU，可規(guī)劃實(shí)現(xiàn)扭矩控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停機(jī)、怠速調(diào)節(jié)等功能;如SCR，可規(guī)劃實(shí)現(xiàn)排放相關(guān)控制等功能。
整車(chē)電子電氣架構(gòu)規(guī)劃的模塊功能規(guī)劃實(shí)現(xiàn)情況，見(jiàn)表1。
表1功能模塊化分配情況
1.2.4 整車(chē)電氣連接的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能邏輯，結(jié)合車(chē)輛各模塊的控制功能要求等因素，將整車(chē)電子電氣通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)功能域∶車(chē)身電子控制域、底盤(pán)電子控制域、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制域，各功能域的信息交互是由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)關(guān)控制器是整車(chē)電子電氣架構(gòu)中的核心部件，其作為整車(chē)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(jìn)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(gè)控制器中，除具備車(chē)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(jī)廠自主完成，因此，整車(chē)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)需求優(yōu)化調(diào)整，整車(chē)廠可以通過(guò)它來(lái)提高整車(chē)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性、整車(chē)的安全性以及整車(chē)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的保密性等。規(guī)劃的整車(chē)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(chē)電子電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃圖
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃已落地，新能源汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)的兩大重點(diǎn)發(fā)展方向，這意味著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)將和新能源汽車(chē)技術(shù)－起成為中國(guó)汽車(chē)趕超世界汽車(chē)先進(jìn)技術(shù)的兩大突破口。
國(guó)內(nèi)大多數(shù)重型汽車(chē)生產(chǎn)廠家并沒(méi)有系統(tǒng)地進(jìn)行整車(chē)電氣系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)的研究，其主機(jī)廠-般通過(guò)采購(gòu)關(guān)鍵零部件，以標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)與整車(chē)電氣系統(tǒng)的匹配和集成，因此，關(guān)于車(chē)輛的很多邏輯功能控制則需要依靠零部件生產(chǎn)商來(lái)完成，這限制了新車(chē)型整車(chē)電氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性。
MAN-TGX車(chē)型、奔馳的ACTROS車(chē)型及規(guī)劃的整車(chē)電子電氣架構(gòu)平臺(tái)電氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表２。
表2 MAN、ACTROS與規(guī)劃電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)浞植急容^
MAN-TGX車(chē)型整車(chē)電氣系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)平臺(tái)將網(wǎng)關(guān)功能分布到車(chē)輛管理控制器VCU、車(chē)身控制器BCU、儀表及上裝控制器BBM中，由上述控制器實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的傳遞及交互。
奔馳的ACTROS車(chē)型整車(chē)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(chē)輛管理控制器、儀表及BBM，上述控制器協(xié)同實(shí)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(jì)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(dá)到85%-90%。因此，要對(duì)各網(wǎng)段的控制器進(jìn)行合理分配，以保證網(wǎng)絡(luò)的通暢。
