重型商用车电子电气架构的规划

张文斌，王 涛，丁万兴，韩庆福，徐成竹

（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101400）

随着汽车电子控制技术的发展和人们对车辆安全性、舒适性及经济性要求的不断提高，中国重型商用车装用的电子器件越来越多，整车电气系统变得越来越复杂，日趋庞杂的电气系统对整车的功能扩展、安装空间分配、成本控制及开发周期等方面都带来了较大的挑战，非系统性设计的整车电气系统已不能满足企业多车型车辆的使用要求，对车辆整车电气系统优化的要求日益迫切。为了处理当前或未来系统中不断增加的数据处理要求，各厂商正在进行整车电子电气架构的开发与规划，合理的整车电子电气架构规划是实现共享信息可用可靠的前提。

同时，为了满足现在不断增长的辅助驾驶和预见性驾驶等数据处理需求，以及满足未来数据交互更加庞杂的自动驾驶规划要求，实现共享数据信息的可用、可信以及可靠，由此，以顶层设计理念，进行系统性的整车电子电气架构的研发与规划，已是大势所趋。

1 详细的技术内容

1.1 总体思路

以顶层设计的理念构建福田戴姆勒企业自身特色的重型商用车电子电气架构，包括整车电子电气功能规划、电源管理系统的设计、功能模块化设计与分配、整车电气连接的设计。通过整车系统需求定义、原子逻辑单元的搭建实现整车功能逻辑的配置，然后利用模块化的设计方法，将功能需求分配到各电控单元，建立多维度架构模型，最后进行架构设计的评估选择，完成可拓展型的整车电子电气架构平台设计及应用。本项目将打造企业标准化硬件平台，制定整车电气系统优化解决方案，能够实现企业重型商用车系列车型的功能拓展，电子电气架构平台较易实现整车电气系统的扩大或缩小，可以满足企业产品线上各类重型车型对功能分配、成本控制等的不同要求，以满足客户的各种需求。基于搭建的整车电子电气架构，在实现预见性驾驶和辅助驾驶基础上，为将来车辆的网络化发展和智能化功能扩展，甚至自动驾驶，提供可靠的整车电子电气环境。

1.2 技术方案

1.2.1 整车电子电气功能规划

整车电子电气功能的需求及定义是整车电子电气架构设计的输入和目标，它的优劣直接关系到整个架构设计的平台化、可扩展性、坚固性及成本性等。根据汽车智能化方向发展所涉及的汽车电器系统、汽车电子控制系统、汽车电子信息系统、智能交通系统及车辆通信网络系统等为前提，结合整车电子电气系统的结构，依据功能模块化的设计理念，展开发动机及排放相关控制、变速器控制、缓速器控制、制动系统控制、智能驾驶员辅助系统控制、车身控制、车辆数据传递与交互、仪表显示等功能的开发。如图1所示。

1.2.2 电源管理系统设计

电源管理系统的设计是整车电子电气架构中关键的一个环节，基于整车电气系统的配置情况，保证电能平衡的基础上，按安全与节能的原则，展开电源匹配设计。电源管理系统设计主要包括起动机匹配设计、发电机匹配设计、蓄电池匹配设计、中央电气接线盒设计及导线的匹配与设计等。

1） 起动机匹配设计 根据发动机特性及起动机的起动参数，结合起动机的起动效率及车辆运行环境等要求，对起动机进行匹配设计。

图1 汽车电子控制系统分类

2） 发电机匹配设计 逐一统计车辆电器负载的额定功率及单车数量，并根据各负载的工作特点，计算出各负载折算后的总功率P折，然后按“发电机功率=28÷24×P折×a”（其中a为发电机容量系数），计算车辆所需发电机功率，并根据发动机怠速值、皮带传动比及发电机特性曲线等，对发电机进行匹配设计。

3） 蓄电池匹配设计 根据起动机起动参数，计算蓄电池容量，并根据车辆运行环境要求及蓄电池放电曲线等，对蓄电池进行匹配设计。

4） 中央电气接线盒设计 将电源熔断器按功能进行了协调分配，并通过不同的电源继电器实现车辆电控单元与车辆普通器件用KL15电源的隔离，从源头着手，降低了电源串扰对各控制器的影响。汽车中央电气接线盒是汽车整车电源分配及信号传输的中枢单元，其通过集合继电器、熔断器、二极管及一些电子模块，实现整车用电设备电源及控制信号的分配，并对各用电设备及电线束进行过载或短路保护。

5） 电源线与搭铁线的匹配与设计 整车电源熔断器采用串联分级设计，既保证了起动机等大功率器件的可用与可控，又对车辆其它用电器件进行了合理保护。

设计了数字搭铁与模拟搭铁，将各电控单元的数字信号回路与模拟信号回路进行了隔离，提高了各数字信号可靠性。采用双线制，通过各搭铁线压线点将搭铁线汇集并引回蓄电池负极，降低了车辆能耗，提高了车辆运行安全性。

1.2.3 功能模块化设计与分配

整车功能的实现是多种多样的，为了确定最优方案，我们从子系统的角度出发，使用基于模块化的设计方法，通过对各子系统方案进行详细分析，实现功能的合理整合或重新分配。按符合法规性、适用性、前瞻性及扩展性要求，定义电子电气架构系统中物理架构和逻辑架构的需求，并将整车电子控制系统按功能域进行划分，主要分为车身电子控制域、底盘电子控制域及发动机电子控制域，具体功能分布情况如下。

1） 车身电子控制域，涵盖驾驶室内部车身控制的各电控单元，功能涉及行驶信息记录、自动空调、音响系统、电动玻璃升降、电动后视镜/加热、遥控钥匙/中控门锁、灯光控制、雨刮控制、差速锁控制、显示等。基于模块化的设计理念，将功能分配到各模块单元，如车身模块，可规划灯光控制、雨刮控制、喇叭控制等功能；门控模块，可规划电动玻璃升降、电动后视镜/加热、遥控钥匙/中控门锁等功能；仪表，可规划自定义的显示等功能。

2） 底盘电子控制域，涵盖底盘各电控单元，功能涉及自动换挡、坡道辅助起步、车辆辅助制动控制、摩擦片磨损控制、制动力分配、主挂车协调控制、驾驶员辅助驾驶系统控制等。基于模块化的设计理念，将功能分配到各电控单元，如AMT，可规划实现自动换挡、换挡提醒等功能；如EBS，可规划实现制动力分配、主挂车协调控制等功能；驾驶员辅助驾驶系统，可规划自适应巡航、车道偏离预警、自动紧急制动、前碰撞预警、坡道辅助控制等功能。

3） 发动机电子控制域，涵盖发动机及排放相关控制单元，功能涉及发动机转速调整、发动机起动/停机、扭矩控制、排气制动、最大车速限制、定速巡航、最高车速限定、怠速调节、废气再循环控制、进气节流阀控制、增压器压力控制、再生控制、SCR系统控制等。基于模块化的设计理念，将功能分配到各电控单元，如ECU，可规划实现扭矩控制、发动机转速调整、发动机起动/停机、怠速调节等功能；如SCR，可规划实现排放相关控制等功能。

整车电子电气架构规划的模块功能规划实现情况，见表1。

表1 功能模块化分配情况

表1 （续）

表1 （续）

1.2.4 整车电气连接的设计

设计的车辆通信网络架构实现整个系统的功能逻辑，结合车辆各模块的控制功能要求等因素，将整车电子电气通信网络架构主要划分为3个功能域：车身电子控制域、底盘电子控制域、发动机电子控制域，各功能域的信息交互是由网关实现的，网关控制器是整车电子电气架构中的核心部件，其作为整车网络的数据交互枢纽，可将CAN、LIN、MOST等网络数据在不同网络中进行路由。

采用分布式网关控制系统，即将网关功能集成在某些个控制器中，除具备车辆控制的相关功能外，还兼具不同网络间信息的传递与交互。由于集成网关功能的控制器软件均由主机厂自主完成，因此，整车电子电气架构的设计可以根据需求优化调整，整车厂可以通过它来提高整车拓扑结构的可扩展性、整车的安全性以及整车网络数据的保密性等。规划的整车电子电气架构的网络拓扑图如图2所示。

图2 整车电子电气网络拓扑规划图

2 与国际同类产品的比较

汽车产业中长期发展规划已落地，新能源汽车和智能网联汽车成为未来汽车的两大重点发展方向，这意味着智能网联汽车将和新能源汽车技术一起成为中国汽车赶超世界汽车先进技术的两大突破口。福田戴姆勒敏锐地洞察到行业动态，并前瞻性地进行重型商用车电子电气架构的规划，为当前车辆辅助驾驶以及将来的自动驾驶提供良好的整车电子电气环境，为车辆的智能化与网络化发展铺平了道路。

国内大多数重型汽车生产厂家并没有系统地进行整车电气系统电子电气架构的研究，其主机厂一般通过采购关键零部件，以标定的方式实现与整车电气系统的匹配和集成，因此，关于车辆的很多逻辑功能控制则需要依靠零部件生产商来完成，这限制了新车型整车电气系统开发的灵活性。

MAN-TGX车型、奔驰的ACTROS车型［2］及规划的整车电子电气架构平台电气网络进行对比，见表2。

MAN-TGX车型整车电气系统电子电气架构平台将网关功能分布到车辆管理控制器VCU、车身控制器BCU、仪表及上装控制器BBM中，由上述控制器实现相关信息的传递及交互。

奔驰的ACTROS车型整车电气网络架构既有集成式网关Gateway，又有具备网关功能的车辆管理控制器、仪表及BBM，上述控制器协同实现信息的传递及交互。

为保障通信信息可用可靠，总线负率一般设计在30%～50%之间，当然如果物理连接能保证如屏蔽线等措施，理论上通信负载率可达到85%～90%。因此，要对各网段的控制器进行合理分配，以保证网络的通畅。为了处理当前或未来重型商用车不断增加的数据处理要求，福田戴姆勒一直进行着整车电子电气架构的研发与应用。基于开发的整车电子电气架构平台进行新车型电气系统的开发，将有效地缩短开发周期、降低开发成本、提高产品性能与品质，为企业的发展提高市场竞争力。

3 架构规划的意义

1） 对车辆通信网络的系统分析与规划，以匹配协调现有发动机电子控制系统、自动变速器电子控制系统、电子制动及车身稳定系统等的信息交互，实现汽车动力综合管理，提高汽车操纵响应能力和对车辆进行持续控制，另可满足近期车辆预见性驾驶和辅助驾驶的需求，又为车辆实现自动驾驶等做了远景规划设计，为车辆的智能化发展和功能扩展提供良好的信息共享网络基础。

2） 可与智能信息平台进行信息交互，实现车辆所有者对车辆位置的实时监控，实时获取当前车速、行驶方向、运行轨迹及驾驶时长等信息，并可对车辆运行轨迹进行电子围栏设置，便于车辆所有者对车辆运行进行实时、合理、有效的管理，提高车辆的运行安全性。

3） 可与福田戴姆勒车联网大数据库进行无缝对接，实现车辆运行数据的实时采集与汇总，将车辆数据智能融入到福田的大数据库中，依托大数据运算，实现对驾驶员驾驶习惯的评估及反馈，优化驾驶员驾驶习惯，以减少车辆燃油消耗。

表2 MAN、ACTROS与规划电气网络架构拓扑分布比较

4） 可与移动网络进行互联互通，以基于电子地图及GPS等对车辆前方地理信息进行预判，结合车辆载荷状况，智能实现车辆的空气压力管理及加减速控制等，智能应对各种行驶工况，有效降低车辆燃油消耗率。

4 总结

本项目打造了一个标准化硬件平台，制定优化了整车电气系统的解决方案，规划的整车电子电气架构较易实现扩大或缩小，可以满足企业产品线上各类产品对功能与成本等的不同要求，可以推广到企业重型商用汽车系列车型，因此产业化前景十分广阔。作为国内拥有完备功能的高端重型汽车整车电子电气架构，具有完全的自主知识产权。该项目极大地提高了产品开发效率和整车电子技术的应用水平，填补了国内同行业空白，对推动国内汽车电子行业的发展具有较好的示范作用，对未来车辆的智能辅助驾驶甚至自动驾驶的发展具有巨大的促进意义。