魏曉翰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

前言

隨著氫燃料電池、鋰空氣電池等關(guān)鍵技術(shù)的突破，加氫、充電配套設(shè)施的完善，混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車將會(huì)大規(guī)模生產(chǎn)并成為市場主流；為了使駕駛更加安全便捷，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、智能車聯(lián)網(wǎng)（V2X）、無人駕駛等技術(shù)也在逐步普及。一方面是不斷增加的電子電器設(shè)備，一方面又是車輛平臺(tái)化、輕量化的發(fā)展要求，整車電源信號(hào)分配系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化考慮就顯得尤為重要。

1 前艙區(qū)域

在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型上，一般設(shè)計(jì)有單獨(dú)的動(dòng)力總成低壓線束零件，以便于發(fā)動(dòng)機(jī)附件、變速箱的預(yù)先分裝。對于混合動(dòng)力車型或純電動(dòng)車型，分裝過程增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件或者發(fā)動(dòng)機(jī)直接被驅(qū)動(dòng)電機(jī)所取代，動(dòng)力總成線束也因此而不同或取消。

除了動(dòng)力總成上的傳感器、執(zhí)行器外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECU）或混合動(dòng)力整車控制模塊（HCU）、變速箱控制模塊（TCU）一般也會(huì)由動(dòng)力總成線束進(jìn)行連接。通常情況下，模塊會(huì)發(fā)出信號(hào)經(jīng)由動(dòng)力總成線束、車身前部線束對位于前艙主配電盒內(nèi)的相關(guān)繼電器進(jìn)行操縱，以實(shí)現(xiàn)主控供電及一些諸如起動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、燃油泵、冷卻風(fēng)扇等的外圍功能控制。由于整車功能的不斷增加，前艙主配電盒的體積也在不斷變大，這對布置工作、零部件通用性、車型平臺(tái)化都是非常不利的。所以考慮設(shè)計(jì)獨(dú)立的動(dòng)力分配電盒與動(dòng)力總成線束直接連接，可以更加靈活地適配不同配置/動(dòng)力車型。

圖1 所示為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型或混合動(dòng)力車型的動(dòng)力分配電盒功能示意。在純電動(dòng)車型上，雖然已經(jīng)沒有了動(dòng)力總成線束，但“動(dòng)力分配電盒”可以得到保留，在功能增減后由整車控制模塊（VCU）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而前艙主配電盒則會(huì)朝著通用化、智能化的方向發(fā)展，兼具前端控制模塊功能（CAN網(wǎng)絡(luò)通信）：一方面作為整車的主要配電中心，一方面可以實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的接受和車輛前部燈光、雨刮、喇叭、行人警示裝置等功能的可靠執(zhí)行控制。

圖1 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型動(dòng)力分配電盒示意

2 乘員倉艙區(qū)域

未來車輛儀表臺(tái)中部區(qū)域?qū)?huì)布置一塊大尺寸觸摸屏[1]，除了作為多媒體系統(tǒng)的顯示界面，其也將成為用戶與車輛交互的主要接口，實(shí)現(xiàn)V2X 會(huì)話、駕駛輔助顯示、舒適相關(guān)控制等功能。這背后其實(shí)包含了多個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)的融合。

2.1 V2X

V2X 技術(shù)是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)分支，X 可以是任何可能的人或物。具備GPS 模塊、4G/ 5G 通信模塊、Wi-Fi 模塊的車載終端是V2X 技術(shù)的基礎(chǔ)之一。車載終端一般還應(yīng)具備CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊功能[2]，來讀取一些車輛運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，或者接收遠(yuǎn)程指令執(zhí)行一些操作。然而考慮到車輛用戶對移動(dòng)互聯(lián)功能的要求，及ADAS（或自動(dòng)駕駛）系統(tǒng)需要通過車載終端收發(fā)高清地圖等大量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析或反饋的客觀實(shí)際情況，HS-CAN 網(wǎng)絡(luò)最高1Mbps 的傳輸速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，也意味著更高速率車載通信網(wǎng)絡(luò)接入的需要。

目前多媒體系統(tǒng)常用的MOST 總線傳輸速率一般在25Mbps 左右（MOST 25），未來最高可以達(dá)到150Mbps 左右（MOST 150）[3]。但MOST 系統(tǒng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，帶寬是多個(gè)設(shè)備所共享的。隨著汽車用Ethernet 技術(shù)的發(fā)展，在滿足EMC 要求的前提下，使用單對非屏蔽雙絞線電纜和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY 組件組建100Mbps 高速率互連網(wǎng)絡(luò)[4]將會(huì)成為可能。通過以太網(wǎng)交換機(jī)，每個(gè)接入模塊的傳輸速率最高都可以達(dá)到100Mbps 而互不影響。

圖2 為一種采用Ethernet 技術(shù)的V2X 網(wǎng)絡(luò)示意。車載終端、交互系統(tǒng)、ADAS（或自動(dòng)駕駛）運(yùn)算控制器都分別通過兩根非屏蔽雙絞線與以太網(wǎng)交換機(jī)相連。ADAS（或自動(dòng)駕駛）運(yùn)算控制器與車載終端之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)交換；用戶也可以在交互界面（HMI）上了解ADAS（或自動(dòng)駕駛）系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，或者進(jìn)行一些個(gè)性化的移動(dòng)互聯(lián)操作。

圖2 V2X 網(wǎng)絡(luò)示意

2.2 自動(dòng)駕駛

為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)駕駛，除了高清地圖外，一般還需要借助慣性測量單元（IMU）、激光雷達(dá)傳感器（LIDAR）、高清攝像頭、毫米波雷達(dá)等裝置[5]。慣性測量單元作為GPS 模塊的互補(bǔ)，可以提高預(yù)判定位精度；激光雷達(dá)每秒都會(huì)產(chǎn)生大量車輛行駛周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)三維信息數(shù)據(jù)；高清攝像頭數(shù)據(jù)用于識(shí)別車道線、交通標(biāo)志，并協(xié)助進(jìn)行障礙物的檢測歸類；毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)則可以實(shí)現(xiàn)惡劣天氣下對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的有益補(bǔ)充。自動(dòng)駕駛運(yùn)算控制器基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)并繪制三維地圖，通過與獲取的高清地圖比較，將定位誤差降低至厘米級(jí)別以進(jìn)行高可靠性的駕駛操作、路徑規(guī)劃控制。

圖3 自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)示意（純電動(dòng)車）

因IMU 體積很小，可以考慮將其集成至自動(dòng)駕駛運(yùn)算控制器內(nèi)；激光雷達(dá)傳感器、高清攝像頭、毫米波雷達(dá)控制器都必須符合汽車用Ethernet 網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量快速傳輸及實(shí)時(shí)處理（圖3）。自動(dòng)駕駛執(zhí)行是在圖3 所示的CAN 網(wǎng)絡(luò)或速率更快、可靠性更高的Flex Ray 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的。該網(wǎng)絡(luò)一般僅包含駕駛操作的核心部件，如整車控制器（VCU）、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)（ESP）等，通過網(wǎng)關(guān)（GW）與其它網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

2.3 舒適相關(guān)控制

交互系統(tǒng)HMI 的舒適相關(guān)控制功能，使一些像空調(diào)控制開關(guān)、室內(nèi)燈開關(guān)、天窗開關(guān)等的開關(guān)組件得以取消，駕乘體驗(yàn)進(jìn)一步得到提升。比如空調(diào)系統(tǒng)、四門車窗、車頂天窗等功能均可以通過聲控的方式打開或調(diào)整；交互系統(tǒng)的舒適相關(guān)設(shè)置功能，可以方便駕駛員進(jìn)行各種個(gè)性化設(shè)置。比如記憶模塊保存的不同座椅姿態(tài)、后視鏡鏡片角度調(diào)節(jié)偏好，均可以在觸摸屏上進(jìn)行恢復(fù)或重新設(shè)置。

交互系統(tǒng)通過類似圖4 所示的CAN 網(wǎng)絡(luò)同相關(guān)控制模塊來進(jìn)行信息交流，以實(shí)現(xiàn)具體功能的控制，這其中很多都要借助于車身控制模塊（BCM）。受益于這種模塊化網(wǎng)絡(luò)通信布局，乘員倉布置工作也會(huì)變得更加簡單、線路系統(tǒng)的導(dǎo)線用量也會(huì)減少。

圖4 交互CAN 網(wǎng)絡(luò)示意

2.4 車身控制模塊

BCM 是車輛防盜、中控、燈光、雨刮等功能的集成控制中心[6]。它接收來自開關(guān)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文信號(hào)的輸入，進(jìn)而做出執(zhí)行或狀態(tài)輸出。比如BCM 會(huì)對CAN 網(wǎng)絡(luò)上的車速信號(hào)進(jìn)行分析，當(dāng)車速高于設(shè)置值時(shí)驅(qū)動(dòng)門鎖電機(jī)閉鎖（行車自動(dòng)落鎖功能）；再比如BCM 接收燈光組合開關(guān)信號(hào)后，會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送相關(guān)狀態(tài)報(bào)文，可以用于組合儀表燈光指示燈的顯示控制。圖5 是一種BCM 的網(wǎng)絡(luò)示意。一個(gè)LIN 網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)光雨量傳感器信號(hào)及天窗控制，BCM 作為主節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)CAN 網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)接入交互CAN 網(wǎng)絡(luò)，另外一個(gè)接入車身控制CAN 網(wǎng)絡(luò)。

圖5 BCM 網(wǎng)絡(luò)示意

區(qū)域控制模塊的提出主要考慮的是將BCM 的一些驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行剝離，使BCM 向著信息處理中心的方向發(fā)展，體積變小、平臺(tái)化程度變高。另一方面區(qū)域控制模塊可以作為各自區(qū)域的配電、控制、信息中心，避免了以往凌亂的或完全以BCM 為中心向整車發(fā)散的導(dǎo)線接入布置。這樣線路系統(tǒng)的導(dǎo)線用量同樣可以減少，也使得區(qū)域模塊化的布置思路變?yōu)榭赡?。以門控制模塊為例（圖6），它的輸入非常簡單，僅為電源線、接地線、CAN 線及少量信號(hào)線（如玻璃升降器開關(guān)、門鎖狀態(tài)開關(guān)等），通過接收CAN 網(wǎng)絡(luò)上的指令信息或者直接執(zhí)行對燈光、玻璃升降、門鎖等的控制操作，并完成相關(guān)反饋。

圖6 門控制模塊示意

3 結(jié)語

通過建立平臺(tái)化設(shè)計(jì)思維，應(yīng)用最新的汽車用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采取模塊化網(wǎng)絡(luò)通訊布局策略，整車電源信號(hào)分配系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以得到充分優(yōu)化，通用性、擴(kuò)展性變得更強(qiáng)，滿足了未來汽車電動(dòng)化、互聯(lián)化、智能化的發(fā)展需要。