張倩 王遠波 武美航 袁思浩

【摘? 要】本文通過對智能電氣架構在商用車上的應用進行分析研究，從配電、控制、保護、診斷、網(wǎng)絡管理、ECM等多個方面來詳細闡述智能電氣架構在商用車落地的突破點和解決方案。

【關鍵詞】智能電氣架構;配電;控制;保護;診斷;網(wǎng)絡管理;ECM

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：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

作者簡介

張倩（1987—），主要從事整車電器系統(tǒng)設計、網(wǎng)絡架構開發(fā)、整車電氣原理設計工作。

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

1? 商用車電氣架構現(xiàn)狀和特點

商用車的傳統(tǒng)電氣架構整車基本為單網(wǎng)段，只有儀表、ABS等寥寥無幾的CAN總線節(jié)點，主體仍然是配電盒（熔斷絲+繼電器），更多體現(xiàn)是電氣拓撲，其特點是配電盒功能固定、不可升級、線束設計裕量大、設計驗證復雜、試驗周期長、更新迭代速度慢，為保證不同車型及配置的兼容性，需要做大量預留設計，從而導致設計復雜度增加、設計成本高、使用靈活性差。

近幾年，隨著技術發(fā)展，大部分商用車企也已經(jīng)普及分布式電氣架構，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)絡拓撲和邏輯拓撲，整車由電氣化向電子化不斷邁進。

2? 智能電氣架構在商用車應用落地的突破點

未來智能駕駛的電氣架構需要的是區(qū)域架構，甚至是中央集中式架構的模式，雖然智能化、網(wǎng)聯(lián)化的基礎都是電子化，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)、可進化，那么，在商用車上實現(xiàn)智能化電氣架構就需要從以下方面進行突破。

2.1? 配電

傳統(tǒng)電氣架構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計，并且設計復雜冗余，依賴于熔斷絲和繼電器自身的電氣特性，導致電氣壽命低、線路保護及維修性差、后期維護成本高，并且無法做到每條線路都能獨立受控。傳統(tǒng)電氣架構的整車配電盒如圖1所示。

相較于傳統(tǒng)配電盒，基于半導體器件的配電盒，芯片的單個HSD管腳或者芯片與MOSFET的組合即可取代1個熔斷絲加1個繼電器的方式，實現(xiàn)精準、安全、可靠的配電，并且上下電時序和不同的電源屬性也可以完全做到編程可控，特別是對二級配電架構的設計非常有利，同時，線束選型、電平衡、能量管理都可以做到更精確的設計?；诎雽w器件的配電盒如圖2所示。

在實際應用過程中，基于半導體器件的配電方案根據(jù)不同使用場景分2種。

方案1：驅(qū)動芯片+MOSFET分立方案。這種方案的復雜度高，突出表現(xiàn)在電流檢測難度大、電路保護復雜、診斷功能復雜、保護功能少、保護策略復雜。該方案的綜合成本較高，通常適用于大電流場合。目前，車載應用較少，車載大電流還是以熔斷絲+繼電器為主。

方案2：HSD智能高邊開關集成方案。單芯片集成了驅(qū)動+MOSFET+電流檢測+電壓保護+熱保護+各類診斷，HSD的電流檢測精度能達到5%，甚至更高。此方案在商用車中已經(jīng)普及應用，但基本限于低于25A的小電流負載應用，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，而作為二級配電的LBCM中則只用了20顆左右的MOSFET?？梢?，特斯拉是大電流采用方案1，小電流采用方案2，這對于商用車的智能配電盒架構設計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，隨著技術的進步及成本的下降，應用范圍會逐步擴大到車輛的整個電氣系統(tǒng)。

2.2? 控制及保護

2.2.1? 控制

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

智能電氣架構依托于電子化的電氣件，控制單元采用驅(qū)動芯片（HSD/LSD）或者芯片+半導體元件（MOS/三極管）的方案（圖2），無論是從開關壽命、速度、應用范圍，還是保護等級等方面，其性能均全面碾壓傳統(tǒng)控制元器件。傳統(tǒng)電氣架構控制元器件與智能電氣架構控制元器件對比情況詳見表1。在軟硬件架構、控制邏輯、網(wǎng)絡通信、診斷等各個環(huán)節(jié)的匹配設計下，每路負載單獨可控、可診斷、可信息聯(lián)網(wǎng)，最大限度地實現(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帶來顛覆性技術和價值創(chuàng)新的同時，也帶來了成本增加的挑戰(zhàn)，特別是主機廠需要從系統(tǒng)層面綜合評估線束、研發(fā)、售后等方面的成本。因此，基于目前階段，智能電氣架構在商用車落地的一個突破點就是“硬件預埋+軟件付費”這種模式。把硬件成本作為價值預埋的一部分，硬件的成本后期可以通過軟件付費模式進行回收，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。

對于“軟件付費”模式而言，OTA的支持對“軟件定義汽車（圖3）”起了決定性的作用?；诓煌蛻粲唵蔚男枨?，通過軟件升級便可簡單、快速地完成電氣設計的變更，設計更改成本相較于傳統(tǒng)電氣架構批量更改線束和控制器這種牽一發(fā)而動全身的方式來說，優(yōu)勢更顯著，特別是針對商用車車型多、小批量、開發(fā)周期短的特點來講，價值更大。此外，駕駛員還可以通過手機APP或者人機交互終端進行車輛的遠程控制，比如遠程電源管理、遠程起動/熄火、遠程油門/制動/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車端技術方案（適配整車EE架構類型、主控設備升級方案、顯示設備升級方案、車端動態(tài)添加ECU升級方案等）;②診斷刷寫流程，盡量做到腳本化;③云端技術方案（云端服務架構、云端管理方案、云端服務項目）。

2.2.2? 保護

傳統(tǒng)電氣架構控制元器件與智能電氣架構控制元器件保護機制對比情況詳見表2。相較于傳統(tǒng)電氣架構僅通過熔斷絲短路的保護方法，電子元器件可以對負載回路的過壓、過載、短路等故障均進行有效保護，保護范圍和保護能力有了質(zhì)的提升，特別是針對商用車線束長度普遍過長的特點，有效規(guī)避了“長導線效應”導致的熔斷絲失效情況以及線束持續(xù)發(fā)熱引起車輛火災事故的問題。

電子元器件帶來的另一個重大優(yōu)勢就是實現(xiàn)了控制與保護的融合，控制即保護，保護即控制。但這同時對設計環(huán)節(jié)提出了更高的要求，因為需要對負載特性和半導體器件的特性有足夠的研究和掌握才能做到精準匹配。在設計過程中普遍考慮的基礎元素有：①HSD/LSD芯片的額定電流、限制電流參數(shù)、溫度特性;②負載應用工況及條件;③負載性質(zhì)（容性/感性），如果是電機類的負載，還需要考慮是否需要過載保護及堵轉(zhuǎn)保護等問題;④負載沖擊電流及其波形、峰值、持續(xù)時間。

2.3? 診斷

智能化的電氣架構對整車的可靠性提出了更高的要求，而強大的診斷功能則是可靠性的基礎。汽車診斷技術是憑借儀器設備對汽車進行性能測試和故障檢查的一種方法和手段，它能夠測試出汽車各項工作性能指標，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。隨著智能電氣架構下整車功能復雜度的大幅提升，基于以太網(wǎng)和CAN總線的ECU節(jié)點數(shù)量激增，數(shù)據(jù)和信號的吞吐量翻倍增長，隨之而來的就是故障識別和維修保養(yǎng)的難度提升，對于整車故障診斷的方法、工具和可靠性也提出了更嚴苛的要求。目前常用的方法有以下2種。

2.3.1? DM1故障碼

對于商用車，因其使用特點導致車輛維修頻率較高，每一次故障都意味著運營成本的增高，所以依托于半導體器件的開路檢測、短路檢測、過壓檢測、過流檢測等特性，ECU可實時地監(jiān)控負載當前故障狀態(tài)，并將故障報文發(fā)送至總線上，既可以通過儀表、中控屏等人機交互界面對駕駛員進行故障提醒和預警，還可以將故障信息存儲至后臺。

對于高級輔助駕駛系統(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或人機交互終端為駕駛員提供超前的維保提醒和故障預警，防止車輛運行過程中出現(xiàn)故障，為用戶提供更智能化、人性化的檢修解決方案。同時，可以結合駕駛員的行為習慣和車輛使用工況的采集分析進行高級復雜運算，為當前車輛用戶提供專屬的駕駛行為指導意見，讓車輛處于經(jīng)濟、性能、動力最佳的運行狀態(tài)，為載重汽車駕駛員帶來更高的經(jīng)濟利益，當然，該部分與前文所述的“硬件預埋+軟件付費”相得益彰。

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

2.3.2? UDS診斷

UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務）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、標準化的診斷服務。UDS既可以在CAN總線上實現(xiàn)，也能在Ethernet上實現(xiàn)DoIP（Diagnostic over Internet Protocol），同時由于其增強型的服務特點，主機廠和零部件廠商可以根據(jù)實際情況開發(fā)私有化自定義的診斷服務，更加方便于生產(chǎn)線檢測（診斷）設備的開發(fā)，也更加方便售后維修保養(yǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的功能實現(xiàn)，因此對于智能電氣架構來說，UDS是一種非常友好的診斷方法。

UDS在具體應用過程中針對的是每一個ECU單元，須對整車每一個有診斷需求的ECU編制詳細的診斷規(guī)范，除了基本的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用層的定義，還應包括診斷功能、診斷服務、故障診斷需求、數(shù)據(jù)標識符、標定參數(shù)、配置更新策略、診斷服務說明的詳細概述。其中，診斷服務常用的類型有：診斷會話控制（10H）、安全訪問（27H）、診斷設備在線（3EH）、電控單元復位（11H）、通信控制（28H）、控制DCT設置（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）、請求下載（34H）、數(shù)據(jù)傳輸（36H）、請求退出傳輸（37H）。

2.4? 網(wǎng)路管理

隨著車載以太網(wǎng)技術在智能網(wǎng)聯(lián)車輛中的推廣應用，“以太網(wǎng)+CAN+LIN總線”的復合形式將成為智能電氣架構的常見形態(tài)，智能電氣架構在解決多項智能網(wǎng)聯(lián)功能合理分配的同時，也面臨因車內(nèi)網(wǎng)段和ECU數(shù)量激增，各節(jié)點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)絡管理機制，使網(wǎng)絡上的控制器穩(wěn)定、有序地運行，在用戶無用車需求時，全車ECU可同步進入休眠狀態(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。汽車基礎的網(wǎng)絡管理時序如圖4所示。

目前業(yè)內(nèi)通用的網(wǎng)絡管理機制有OSEK和AutosarNM，都是直接網(wǎng)絡管理方法，通過專用的報文來報告網(wǎng)絡當前的狀態(tài)。在OSEK機制中，網(wǎng)絡內(nèi)的所有ECU使用網(wǎng)絡管理報文建立令牌環(huán)來傳遞網(wǎng)絡狀態(tài)、休眠請求和休眠命令，從而達到同步休眠的目的。AutosarNM是一種自主休眠機制，每個ECU報告自己的狀態(tài)，當自己滿足休眠條件時停發(fā)自身的網(wǎng)絡管理報文，對于整車而言，當總線上無任何的網(wǎng)絡管理報文后，全車ECU統(tǒng)一進入休眠狀態(tài)。

2.5? ECM

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

智能電氣架構因為實現(xiàn)了電子化，因此解決ECM問題的切入點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計;②每個電源輸出通道也可以增加電壓抑制設計，將長導線上雜散電感產(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特性，將干擾脈沖吸收，防止其在ECU和負載之間亂竄，避免用電設備之間的相互干擾。

3? 結論

綜上所述，智能電氣架構為商用車帶來挑戰(zhàn)突破的同時也為商用車提供了更多的價值，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，還是為主機廠從車輛生產(chǎn)商到服務商的轉(zhuǎn)型，商用車推行智能電氣架構，勢在必行。

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（編輯? 凌? 波）