驻车系统电子电气架构优化设计

徐志峰 孙江辉 张兆龙

摘 要：文章在论述电子电气架构开发内容及开发原则的基础上，以驻车控制系统为例，进行了其电子电气架构优化设计。在进行不同架构方案的成本评估时，应用了一种增量成本计算模型，对不同方案中控制器和线束装车的增量成本以及供应商开发成本进行了综合评估。评估结果表明，冗余电子驻车制动控制架构方案具备可靠性高、配置简单、成本低的优势，适用于经济型轿车。文章应用搭载了冗余电子驻车制动系统的样车，验证了车辆在发生一侧驻车故障时，仍能够平稳停驻在坡道上。

关键词：电子电气架构;驻车系统;优化设计

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

某一車型的电子电气架构，包括了车上电控制部件的种类、数量、功能、布置以及相互之间的供电、通信、控制交互等内容[1]。

整车电子电气架构开发工程师需要依次开展以下几个环节的工作[2]，但不限于：配置需求与功能逻辑架构设计，简称功能架构设计;电控部件架构概念与功能映射，简称部件架构设计;电控部件间的供电、通信、控制架构设计，简称供电、通信、控制架构设计;整车级电子电气架构测试验证。上述几个环节的工作在汽车V模型开发流程中的相对位置，如图1所示。

功能架构设计包括需求设计与功能逻辑架构设计，其设计内容主要对整车电控功能使用体验和整车安全、能效等性能指标产生影响。而接下来的部件架构设计环节，则能够直接决定整车成本。供电、通信、控制架构设计以及测试验证分别是部件架构设计的实现及电子电气系统质量保证。当前，部件架构设计主要以对标标杆车型或借鉴工程经验为主，尤其在选择不同架构方案时，缺乏细致的成本计算，最终可能导致采用的架构方案成本较高。

本文将重点研究一种基于成本模型的部件架构经济性最优设计方法，应用于驻车控制系统的电控架构方案评估。最终，选择可靠性高、配置简单、成本低的冗余电子驻车制动控制架构方案，并基于实车进行了实验验证。

1 电子电气架构开发流程与原则

1.1 电子电气架构开发流程

在功能架构设计中，首先需要明确功能需求。以目标研发车型的定位及具体功能配置为输入，逐一分析车型基础功能及配置中各功能来自于用户、法规、功能安全、信息安全等的需求，最终输出电控功能边界、内容、响应的约束规范。功能逻辑架构设计以此规范为输入，设计每一项功能的传感、信息处理、执行等元素，包括各元素之间所需要传递的能量、信息、控制量等。

在部件架构设计环节，需要先初步明确本车型主要电控部件概念架构，比如主要部件的可支持的功能、通信接口、可选布置位置等。接下来，将所需搭载的每一项电控功能的逻辑架构元素，向电控部件进行映射分配，并最终确定部件架构，包括部件种类、数量及各自承担的功能。

映射分配完毕后，各部件之间所需要交互的状态信号、控制信号等也就随之确定了。此时，根据部件之间通信的信号量、周期要求及部件支持的通信总线类型，设计总线拓扑并编制通信协议;根据部件之间直接交互的模拟量，设计硬线网络。为满足控制部件根据需求及时进入或退出工作状态，还需要设计低压供电、唤醒及休眠控制机制，为各电控部件正常工作提供支持。上述这一部分工作即为低压供电、通信、控制架构设计。

明确了供电、通信、控制等连接形式，需要进行部件布置，并开发出低压线束。在完成最终的测试验证后，整车电子电气架构开发完成。

1.2 电子电气架构开发原则

1.2.1 功能架构设计业务原则概述

功能架构设计包括需求设计与功能逻辑架构设计，其结果将直接影响整车电控功能使用体验和整车安全、能效等性能指标。

需求开发工程师进行功能配置设计，也需要考虑支撑用户需求的其它车辆基础功能，如整车模式识别、高压上下电引导等;此外，还需要考虑法律法规要求的功能、车辆售后相关功能等，如运行数据上传、远程车辆诊断等。功能开发工程师根据本车型功能配置需求，场景分析需要足够完备，以使功能应对各种可能的应用场景。功能逻辑是需求的实现，需要结合被控对象原理尽量降低逻辑复杂程度。

1.2.2 部件架构设计业务原则概述

选择行业内主流的集成控制部件及通信网络形式，能够保证硬件成本处于较低范围。功能逻辑架构元素向部件的合理映射，能够确保整车控制线束总成本最低。部件架构设计环节能够直接影响整车成本。

面向降本增效，应在充分调查现有供应商水平前提下，应用电控单元集成或集中控制方案，最大限度减少传感、控制资源冗余，降低整车硬件成本。在通信方面，以太网已被广泛用于视频、图像数据的传输，以替代同轴电缆等成本较高的通信形式;CANFD总线取代传统CAN总线开始成为实时控制类信号传输主流网络，以在成本相近情况下提高通信效率;此外，LIN总线的成本优势，使其仍然被广泛应用于实时性要求较低的车身附件控制中。

1.2.3 供电、通信、控制架构设计业务原则概述

在总线通信开发时，需要充分利用控制器多个总线通信接口，进行跨网段连接，以减少信号转发、维持各网段负载率在较低水平，同时跨网段连接也能够为通信冗余创造前提。在低压原理设计中，整车低压供电、唤醒及休眠机制需要考虑低压节能及防蓄电池亏电设计。比如，在设计唤醒机制时，应包含根据应用场景需求进行部件唤醒的考虑，以防止唤醒不必要控制器以使低压功耗过大。在设计休眠机制时，应同步设计休眠状态上报、异常休眠处理等机制，以使休眠故障部件对整车的影响降到最低。

2 用于部件架构设计的成本模型

根据本车型所需要搭载的功能，能够初步划定某一功能域的主要部件;根据当前行业内各类车载控制器及通信总线技术现状，能够进一步确定功能域内具体部件及通信形式，在此，需要明确某一功能域是否有更加先进的集成控制器，所集成的功能有哪些，成本高低等;竞品或标杆车型部件方案，则是部件架构设计的重要参考。

在了解了本车型主要部件的可選方案后，开始进行方案对比及部件架构的确立。为了评价不同部件架构及功能映射方案的装车成本，本文提出了一种部件架构方案装车成本评价模型，其计算方法如式（1）。

式中，J为某一方案的装车成本; 为线束相比与未配置此方案时的增量成本，Hi=dipi，di为第i段线束长度，pi为第i段所用线束单价; 为此方案的部件增量成本; 为此方案带来的开发费用平均到单车的成本，及对其它系统影响所带来的成本。

3 电动汽车驻车控制系统降本设计

3.1 几种驻车控制系统方案对比

《GB21670-2008-乘用车制动系统技术要求及试验方法》规定，对于电子驻车制动控制功能，当有控制部件失效时，驻车控制系统应仍能保持车辆平稳停驻在坡度为8%及以下的坡道上。这就要求车上配置冗余驻车控制系统，以在某一电控部件发生失效时，驻车功能不至于完全丧失。当前，常用的驻车控制方案有以下表1所示的几种，本节选取成本较低的冗余驻车制动控制方案，进行部件架构设计。

3.2 冗余电子驻车制动控制方案设计与对比

根据国内供应商当前资源，冗余驻车制动控制方案有两种：第一种为采用双控制回路的电子驻车制动控制器方案，简称功能独立型驻车控制方案;第二种为电子稳定性控制器与电制动助力控制器互为驻车冗余方案，简称集成型驻车控制方案。本文接下来将分别论述上述方案，最终明确不同方案适用性。

3.2.1 功能独立型驻车控制方案设计与成本计算

功能独立型驻车控制方案的功能架构如图2所示，其中，左侧电子驻车制动控制器为主控单元，负责接收IG电源、电子驻车制动开关、挡位、车门状态等信息，进行驻车制动盘夹紧与释放的决策，并将结果发送至右侧电子驻车制动控制器。左、右侧控制器分别负责左右驻车卡钳电机的驱动。当主控单元发生失效时，右侧控制器仍能够根据车辆挂入驻车挡或者驾驶员侧车门打开的CAN信号进行右侧驻车卡钳夹紧控制。

功能独立型驻车控制系统有CAN通信线、由IG继电器连接到左侧驻车制动控制单元线、电子驻车制动开关连接到左侧驻车制动控制单元线、左右控制单元连接到驻车卡钳电机线束以及供电线，部件位置及线束走向标注如图3所示。

为缩短线束长度，含有左侧、右侧控制单元的冗余电子驻车制动集成控制器应位于车内保险丝盒至中控处驻车开关之间某一位置[5];考虑到冗余电子驻车制动集成控制器含有惯性测量模块，为保证测量精度需要将其水平安装在车身上;此外，避免与电动助力转向系统发生电磁干扰，最终决定将电子驻车制动控制器安装在驾驶员一侧的座椅下方地板上。

根据表2，功能独立型驻车控制方案带来的线束增量成本为21元。当前，具备冗余控制功能的双控制回路电子驻车制动控制器价格约为295元，本架构方案不涉及专门的其它部件及开发费，此时可计算出功能独立型驻车控制方案成本需求为316元，其中不含驻车卡钳及卡钳电机成本。且系统相对独立，配置条件少，适用于经济型车型开发项目。

3.2.2 集成型驻车控制方案设计与成本计算

集成型驻车控制方案功能架构与功能独立型驻车控制方案相同，功能独立型驻车控制方案控制器及部分线路方向如下图4所示。其中，电子稳定性控制器及电制动助力控制器均集成了驻车制动控制外的功能，且布置位置已由其它功能确定[6]。

根据表3，集成型驻车控制方案带来的线束增量成本为28元。具备冗余驻车制动的电子稳定性控制器及电制动控制器相比于不具备此功能的价格增加260元。此外，根据车型预期销量，此方案所需要的开发费为每辆车平均40元，计算出本方案的单车装车成本为328元。且考虑到此方案需要车辆配置电子稳定性控制系统及电制动助力系统，适用于中、高配车型。

4 冗余驻车制动控制系统实验验证

结合车型定位，在某项目中最终选定功能独立型驻车控制方案。本节应用项目开发的样车，进行了冗余功能实验验证。实验前，通过驻车卡钳释放状态下，拔出电子驻车卡钳电机供电保险，使某侧驻车控制失效。实验开始后，驾驶员驾驶车辆在坡度为11%的坡道下开始起步、上坡行驶。在坡上行驶5m左右距离后，驾驶员操作至车辆低压电源模式为IG OFF后下车。

根据采集的实验数据图，车辆上电后，电子驻车制动控制器已经报出右侧驻车卡钳控制故障，已经处于解除驻车状态;而左侧驻车卡钳处于“1”，即夹紧状态。随后，驾驶员在第7s时将挡位切换至驱动挡，在第8s时操作电子驻车制动按键解除驻车，随后左侧驻车卡钳经过“2”状态，即响应用户解除状态，进入“0”即释放状态。在11.8s左右驾驶员开始踩下加速踏板，车辆加速行驶至23.3s停止。在约28s时，驾驶员不换挡，直接操作下低压电，挡位控制器接收到下电信号后引导车辆进入驻车挡位;左侧驻车电机控制卡钳夹紧，进入“1”状态。驾驶员下车后，车辆未发生溜破。

5 结论

（1）在整车电子电气架构开发中，功能需求与逻辑架构设计环节主要考虑法规约束、功能使用体验及功能可靠性，而部件架构设计环节应综合行业技术进展、标杆车型信息等，重点考虑电子电气系统装车成本;

（2）在进行控制器布置时，应在满足电磁兼容性、控制器中传感器放置要求、布置空间合适的前提下，选择线束增量成本最低的布置位置;

（3）在满足驻车法规要求下，功能独立型电子驻车制动控制适用于经济型车型。

参考文献

[1] Dr.-Ing， Helmut，Kellermann，et al. Electrical and Electronic System Architecture[J]. Atzextra Worldwide，2008.

[2] 李纯洁.基于PREEvision的汽车电子电气架构设计与研究[D].上海交通大学，2011.

[3] 包蕾.汽车智能电子控制系统设计开发与研究[J].汽车实用技术， 2019（13）：124-128.

[4] Vehicle System Design Process for a Series-Parallel Plug-in Hybrid Electric Vehicle[J]. SAE International Journal of Alternative Power -trains，2012，1（2）.

[5] 高印寒，王天皓，杨开宇，张俊东，樊宽刚，朱宇.汽车线束的动态串扰特性预测[J].吉林大学学报（工学版）， 2014， 44（05）： 1258- 1263.

[6] 李立志.汽车制动系统设计[J].汽车实用技术，2016（08）：72-77.