徐志峰 孫江輝 張兆龍

摘 要：文章在論述電子電氣架構(gòu)開發(fā)內(nèi)容及開發(fā)原則的基礎(chǔ)上，以駐車控制系統(tǒng)為例，進(jìn)行了其電子電氣架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在進(jìn)行不同架構(gòu)方案的成本評估時，應(yīng)用了一種增量成本計算模型，對不同方案中控制器和線束裝車的增量成本以及供應(yīng)商開發(fā)成本進(jìn)行了綜合評估。評估結(jié)果表明，冗余電子駐車制動控制架構(gòu)方案具備可靠性高、配置簡單、成本低的優(yōu)勢，適用于經(jīng)濟(jì)型轎車。文章應(yīng)用搭載了冗余電子駐車制動系統(tǒng)的樣車，驗證了車輛在發(fā)生一側(cè)駐車故障時，仍能夠平穩(wěn)停駐在坡道上。

關(guān)鍵詞：電子電氣架構(gòu);駐車系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計

Abstract： Process and principle of electric/ electronic architecture design were described， electric/ electronic architecture of park system has been designed. A cost equation has been adopted during evaluation of different schemes to calculate the cost of harness and ECUs. Results show the scheme of redundancy electric park brake system with advantages like high reliable， few limitation， low cost is suitable for economic cars park system. A car equipped with redundancy electric park brake system has been used in tests， results show that the car could park on the ramp steadily with controller fault.

引言

某一車型的電子電氣架構(gòu)，包括了車上電控制部件的種類、數(shù)量、功能、布置以及相互之間的供電、通信、控制交互等內(nèi)容[1]。

整車電子電氣架構(gòu)開發(fā)工程師需要依次開展以下幾個環(huán)節(jié)的工作[2]，但不限于：配置需求與功能邏輯架構(gòu)設(shè)計，簡稱功能架構(gòu)設(shè)計;電控部件架構(gòu)概念與功能映射，簡稱部件架構(gòu)設(shè)計;電控部件間的供電、通信、控制架構(gòu)設(shè)計，簡稱供電、通信、控制架構(gòu)設(shè)計;整車級電子電氣架構(gòu)測試驗證。上述幾個環(huán)節(jié)的工作在汽車V模型開發(fā)流程中的相對位置，如圖1所示。

功能架構(gòu)設(shè)計包括需求設(shè)計與功能邏輯架構(gòu)設(shè)計，其設(shè)計內(nèi)容主要對整車電控功能使用體驗和整車安全、能效等性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。而接下來的部件架構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，則能夠直接決定整車成本。供電、通信、控制架構(gòu)設(shè)計以及測試驗證分別是部件架構(gòu)設(shè)計的實現(xiàn)及電子電氣系統(tǒng)質(zhì)量保證。當(dāng)前，部件架構(gòu)設(shè)計主要以對標(biāo)標(biāo)桿車型或借鑒工程經(jīng)驗為主，尤其在選擇不同架構(gòu)方案時，缺乏細(xì)致的成本計算，最終可能導(dǎo)致采用的架構(gòu)方案成本較高。

本文將重點研究一種基于成本模型的部件架構(gòu)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)設(shè)計方法，應(yīng)用于駐車控制系統(tǒng)的電控架構(gòu)方案評估。最終，選擇可靠性高、配置簡單、成本低的冗余電子駐車制動控制架構(gòu)方案，并基于實車進(jìn)行了實驗驗證。

1 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程與原則

1.1 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程

在功能架構(gòu)設(shè)計中，首先需要明確功能需求。以目標(biāo)研發(fā)車型的定位及具體功能配置為輸入，逐一分析車型基礎(chǔ)功能及配置中各功能來自于用戶、法規(guī)、功能安全、信息安全等的需求，最終輸出電控功能邊界、內(nèi)容、響應(yīng)的約束規(guī)范。功能邏輯架構(gòu)設(shè)計以此規(guī)范為輸入，設(shè)計每一項功能的傳感、信息處理、執(zhí)行等元素，包括各元素之間所需要傳遞的能量、信息、控制量等。

在部件架構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，需要先初步明確本車型主要電控部件概念架構(gòu)，比如主要部件的可支持的功能、通信接口、可選布置位置等。接下來，將所需搭載的每一項電控功能的邏輯架構(gòu)元素，向電控部件進(jìn)行映射分配，并最終確定部件架構(gòu)，包括部件種類、數(shù)量及各自承擔(dān)的功能。

映射分配完畢后，各部件之間所需要交互的狀態(tài)信號、控制信號等也就隨之確定了。此時，根據(jù)部件之間通信的信號量、周期要求及部件支持的通信總線類型，設(shè)計總線拓?fù)洳⒕幹仆ㄐ艆f(xié)議;根據(jù)部件之間直接交互的模擬量，設(shè)計硬線網(wǎng)絡(luò)。為滿足控制部件根據(jù)需求及時進(jìn)入或退出工作狀態(tài)，還需要設(shè)計低壓供電、喚醒及休眠控制機(jī)制，為各電控部件正常工作提供支持。上述這一部分工作即為低壓供電、通信、控制架構(gòu)設(shè)計。

明確了供電、通信、控制等連接形式，需要進(jìn)行部件布置，并開發(fā)出低壓線束。在完成最終的測試驗證后，整車電子電氣架構(gòu)開發(fā)完成。

1.2 電子電氣架構(gòu)開發(fā)原則

1.2.1 功能架構(gòu)設(shè)計業(yè)務(wù)原則概述

功能架構(gòu)設(shè)計包括需求設(shè)計與功能邏輯架構(gòu)設(shè)計，其結(jié)果將直接影響整車電控功能使用體驗和整車安全、能效等性能指標(biāo)。

需求開發(fā)工程師進(jìn)行功能配置設(shè)計，也需要考慮支撐用戶需求的其它車輛基礎(chǔ)功能，如整車模式識別、高壓上下電引導(dǎo)等;此外，還需要考慮法律法規(guī)要求的功能、車輛售后相關(guān)功能等，如運行數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程車輛診斷等。功能開發(fā)工程師根據(jù)本車型功能配置需求，場景分析需要足夠完備，以使功能應(yīng)對各種可能的應(yīng)用場景。功能邏輯是需求的實現(xiàn)，需要結(jié)合被控對象原理盡量降低邏輯復(fù)雜程度。

1.2.2 部件架構(gòu)設(shè)計業(yè)務(wù)原則概述

選擇行業(yè)內(nèi)主流的集成控制部件及通信網(wǎng)絡(luò)形式，能夠保證硬件成本處于較低范圍。功能邏輯架構(gòu)元素向部件的合理映射，能夠確保整車控制線束總成本最低。部件架構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)能夠直接影響整車成本。

面向降本增效，應(yīng)在充分調(diào)查現(xiàn)有供應(yīng)商水平前提下，應(yīng)用電控單元集成或集中控制方案，最大限度減少傳感、控制資源冗余，降低整車硬件成本。在通信方面，以太網(wǎng)已被廣泛用于視頻、圖像數(shù)據(jù)的傳輸，以替代同軸電纜等成本較高的通信形式;CANFD總線取代傳統(tǒng)CAN總線開始成為實時控制類信號傳輸主流網(wǎng)絡(luò)，以在成本相近情況下提高通信效率;此外，LIN總線的成本優(yōu)勢，使其仍然被廣泛應(yīng)用于實時性要求較低的車身附件控制中。

1.2.3 供電、通信、控制架構(gòu)設(shè)計業(yè)務(wù)原則概述

在總線通信開發(fā)時，需要充分利用控制器多個總線通信接口，進(jìn)行跨網(wǎng)段連接，以減少信號轉(zhuǎn)發(fā)、維持各網(wǎng)段負(fù)載率在較低水平，同時跨網(wǎng)段連接也能夠為通信冗余創(chuàng)造前提。在低壓原理設(shè)計中，整車低壓供電、喚醒及休眠機(jī)制需要考慮低壓節(jié)能及防蓄電池虧電設(shè)計。比如，在設(shè)計喚醒機(jī)制時，應(yīng)包含根據(jù)應(yīng)用場景需求進(jìn)行部件喚醒的考慮，以防止喚醒不必要控制器以使低壓功耗過大。在設(shè)計休眠機(jī)制時，應(yīng)同步設(shè)計休眠狀態(tài)上報、異常休眠處理等機(jī)制，以使休眠故障部件對整車的影響降到最低。

2 用于部件架構(gòu)設(shè)計的成本模型

根據(jù)本車型所需要搭載的功能，能夠初步劃定某一功能域的主要部件;根據(jù)當(dāng)前行業(yè)內(nèi)各類車載控制器及通信總線技術(shù)現(xiàn)狀，能夠進(jìn)一步確定功能域內(nèi)具體部件及通信形式，在此，需要明確某一功能域是否有更加先進(jìn)的集成控制器，所集成的功能有哪些，成本高低等;競品或標(biāo)桿車型部件方案，則是部件架構(gòu)設(shè)計的重要參考。

在了解了本車型主要部件的可選方案后，開始進(jìn)行方案對比及部件架構(gòu)的確立。為了評價不同部件架構(gòu)及功能映射方案的裝車成本，本文提出了一種部件架構(gòu)方案裝車成本評價模型，其計算方法如式（1）。

式中，J為某一方案的裝車成本; 為線束相比與未配置此方案時的增量成本，Hi=dipi，di為第i段線束長度，pi為第i段所用線束單價; 為此方案的部件增量成本; 為此方案帶來的開發(fā)費用平均到單車的成本，及對其它系統(tǒng)影響所帶來的成本。

3 電動汽車駐車控制系統(tǒng)降本設(shè)計

3.1 幾種駐車控制系統(tǒng)方案對比

《GB21670-2008-乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》規(guī)定，對于電子駐車制動控制功能，當(dāng)有控制部件失效時，駐車控制系統(tǒng)應(yīng)仍能保持車輛平穩(wěn)停駐在坡度為8%及以下的坡道上。這就要求車上配置冗余駐車控制系統(tǒng)，以在某一電控部件發(fā)生失效時，駐車功能不至于完全喪失。當(dāng)前，常用的駐車控制方案有以下表1所示的幾種，本節(jié)選取成本較低的冗余駐車制動控制方案，進(jìn)行部件架構(gòu)設(shè)計。

3.2 冗余電子駐車制動控制方案設(shè)計與對比

根據(jù)國內(nèi)供應(yīng)商當(dāng)前資源，冗余駐車制動控制方案有兩種：第一種為采用雙控制回路的電子駐車制動控制器方案，簡稱功能獨立型駐車控制方案;第二種為電子穩(wěn)定性控制器與電制動助力控制器互為駐車冗余方案，簡稱集成型駐車控制方案。本文接下來將分別論述上述方案，最終明確不同方案適用性。

3.2.1 功能獨立型駐車控制方案設(shè)計與成本計算

功能獨立型駐車控制方案的功能架構(gòu)如圖2所示，其中，左側(cè)電子駐車制動控制器為主控單元，負(fù)責(zé)接收IG電源、電子駐車制動開關(guān)、擋位、車門狀態(tài)等信息，進(jìn)行駐車制動盤夾緊與釋放的決策，并將結(jié)果發(fā)送至右側(cè)電子駐車制動控制器。左、右側(cè)控制器分別負(fù)責(zé)左右駐車卡鉗電機(jī)的驅(qū)動。當(dāng)主控單元發(fā)生失效時，右側(cè)控制器仍能夠根據(jù)車輛掛入駐車擋或者駕駛員側(cè)車門打開的CAN信號進(jìn)行右側(cè)駐車卡鉗夾緊控制。

功能獨立型駐車控制系統(tǒng)有CAN通信線、由IG繼電器連接到左側(cè)駐車制動控制單元線、電子駐車制動開關(guān)連接到左側(cè)駐車制動控制單元線、左右控制單元連接到駐車卡鉗電機(jī)線束以及供電線，部件位置及線束走向標(biāo)注如圖3所示。

為縮短線束長度，含有左側(cè)、右側(cè)控制單元的冗余電子駐車制動集成控制器應(yīng)位于車內(nèi)保險絲盒至中控處駐車開關(guān)之間某一位置[5];考慮到冗余電子駐車制動集成控制器含有慣性測量模塊，為保證測量精度需要將其水平安裝在車身上;此外，避免與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾，最終決定將電子駐車制動控制器安裝在駕駛員一側(cè)的座椅下方地板上。

根據(jù)表2，功能獨立型駐車控制方案帶來的線束增量成本為21元。當(dāng)前，具備冗余控制功能的雙控制回路電子駐車制動控制器價格約為295元，本架構(gòu)方案不涉及專門的其它部件及開發(fā)費，此時可計算出功能獨立型駐車控制方案成本需求為316元，其中不含駐車卡鉗及卡鉗電機(jī)成本。且系統(tǒng)相對獨立，配置條件少，適用于經(jīng)濟(jì)型車型開發(fā)項目。

3.2.2 集成型駐車控制方案設(shè)計與成本計算

集成型駐車控制方案功能架構(gòu)與功能獨立型駐車控制方案相同，功能獨立型駐車控制方案控制器及部分線路方向如下圖4所示。其中，電子穩(wěn)定性控制器及電制動助力控制器均集成了駐車制動控制外的功能，且布置位置已由其它功能確定[6]。

根據(jù)表3，集成型駐車控制方案帶來的線束增量成本為28元。具備冗余駐車制動的電子穩(wěn)定性控制器及電制動控制器相比于不具備此功能的價格增加260元。此外，根據(jù)車型預(yù)期銷量，此方案所需要的開發(fā)費為每輛車平均40元，計算出本方案的單車裝車成本為328元。且考慮到此方案需要車輛配置電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)及電制動助力系統(tǒng)，適用于中、高配車型。

4 冗余駐車制動控制系統(tǒng)實驗驗證

結(jié)合車型定位，在某項目中最終選定功能獨立型駐車控制方案。本節(jié)應(yīng)用項目開發(fā)的樣車，進(jìn)行了冗余功能實驗驗證。實驗前，通過駐車卡鉗釋放狀態(tài)下，拔出電子駐車卡鉗電機(jī)供電保險，使某側(cè)駐車控制失效。實驗開始后，駕駛員駕駛車輛在坡度為11%的坡道下開始起步、上坡行駛。在坡上行駛5m左右距離后，駕駛員操作至車輛低壓電源模式為IG OFF后下車。

根據(jù)采集的實驗數(shù)據(jù)圖，車輛上電后，電子駐車制動控制器已經(jīng)報出右側(cè)駐車卡鉗控制故障，已經(jīng)處于解除駐車狀態(tài);而左側(cè)駐車卡鉗處于“1”，即夾緊狀態(tài)。隨后，駕駛員在第7s時將擋位切換至驅(qū)動擋，在第8s時操作電子駐車制動按鍵解除駐車，隨后左側(cè)駐車卡鉗經(jīng)過“2”狀態(tài)，即響應(yīng)用戶解除狀態(tài)，進(jìn)入“0”即釋放狀態(tài)。在11.8s左右駕駛員開始踩下加速踏板，車輛加速行駛至23.3s停止。在約28s時，駕駛員不換擋，直接操作下低壓電，擋位控制器接收到下電信號后引導(dǎo)車輛進(jìn)入駐車擋位;左側(cè)駐車電機(jī)控制卡鉗夾緊，進(jìn)入“1”狀態(tài)。駕駛員下車后，車輛未發(fā)生溜破。

5 結(jié)論

（1）在整車電子電氣架構(gòu)開發(fā)中，功能需求與邏輯架構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)主要考慮法規(guī)約束、功能使用體驗及功能可靠性，而部件架構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)綜合行業(yè)技術(shù)進(jìn)展、標(biāo)桿車型信息等，重點考慮電子電氣系統(tǒng)裝車成本;

（2）在進(jìn)行控制器布置時，應(yīng)在滿足電磁兼容性、控制器中傳感器放置要求、布置空間合適的前提下，選擇線束增量成本最低的布置位置;

（3）在滿足駐車法規(guī)要求下，功能獨立型電子駐車制動控制適用于經(jīng)濟(jì)型車型。

參考文獻(xiàn)

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