汽车智能化电气与电子设备系统的设计与研究

摘 要：本论文提出了一种新型的汽车电气系统—IEED系统（intelligent electrical & electronic device）。该电气系统是一个完全分布式的系统，其中包含有智能化电子和电气设备。首先阐述了该系统的特点，并介绍了系统中的关键器件。初步开发了系统原型，说明IEED系统是具有一定可行性的，具有较大的经济效益。

关键词：电气系统;分布式系统;电子电气设备

1引言

在早期的汽车电气系统中，各种电气设备之间采用开关线装置结构进行连接，称为点对点或接线合成系统。如今，汽车内部电子设备的数量变得越来越多[1]。并且底盘和悬架一体化是未来汽车发展的一大趋势，这意味着越来越多的电气电子设备将加入到汽车电气系统中。为了更好地节约燃料并提升汽车的驾驶舒适度，现在许多由发动机直接驱动的机械装置都改由电力驱动[2]。越来越多的马达被用于驾驶车窗、方向盘和调整椅子，以此获得更好的舒适度。车载计算机系统也被引入到汽车控制系统中，改善了舒适性，减少了尾气污染物和燃料消耗，并提高了安全性。集中控制系统也因此应运而生。

车载通信方式由“点对点”向车载网络转变，电气系统由集中控制系统向分布式系统转变的趋势已被广泛接受。总的来说，趋势是ECU体积越来越小，与设备的距离越来越短[3]。现代汽车电气系统体系的线束结构也将由电力总线和通信总线组成。本文提出了一种基于智能化电子设备的新型汽车电气系统，该系统是一个完全分布式的系统。简要概述了系统的主要概念，如完全分布式系统、智能装置等。

2 IEED系统概述

2.1完全分布式系统

现代汽车电气控制系统的布置方式可以分为四种：点对点系统、中央控制系统、部分分布式系统以及完全分布式系统，从现阶段来看，现代汽车普遍采用的系统主要是中央控制系统或部分分布式系统。ECU是独立于设备的，所需导线数量大而且线路布局非常复杂[4]。在IEED系统中，ECU的位置是由系统局部控制要求决定的，而不是由功能或其他因素决定的。在这种情况下，ECU集成在设备中，而不是单独独立设置安装。IEED系统是一个完全分布式的系统，因为每个ECU都位于或集成在相应的设备中。

IEED系统给出了一个全新的体系结构。每个设备都是智能设备，具有自我控制、自我诊断和数字通信功能。设备的接口可以标准化。系统内所有电线均按信号传输用途或供电用途分类。该系统可实现信息共享、传感器数据融合、多模式操作和诊断。

2.2智能化电气电子设备

本文将集成ECU和网络接口的电气设备视为智能设备，被称为智能电气电子设备（intelligent electric & Electronic device，简称IEED）。数字信号处理能力和网络接口是IEED的主要特点。智能传感器可以作为IEED的一个很好的范例。该智能传感器不仅集成了预处理电路，而且还集成了处理器。模拟信号经过预处理，转换成数字信号，通过I2C、SPI等网络接口传输出去。本文采用LIN和CAN两种方法。在未来，随着IEED的智能化程度的提高，可能还会实现自校准、自配对、自诊断、自测试等智能功能。有些IEED包含一个负载，有些则包含多个負载和传感器。例如智能雨刷包含一个雨水传感器和一个双速电机，而智能前照灯只有一个负载。但是无论是简单的还是复杂的IEED都是完全相同的。

2.3系统核心设备

本论文提出的新型汽车电气系统的核心组件主要有四个部分，分别为：中央协调器、电力管理子系统、车载电脑、通信网关。下面简要概述这四个核心组件的基本概念和作用。

（1）中央协调器

中央协调器是IEED系统中一个独特的设备。在传统的部分分布式系统中，每个ECU只执行控制回路的一部分。电气系统的整体可靠性较低。由于每个ECU都依赖于其他ECU的输出，如果其中一个ECU出现故障，整个系统就会出现故障。在IEED系统中，中央协调器主要负责车辆区域控制回路。在中央协调器保持控制回路的同时，IEED提供传感器数据或接收执行器命令。由于协调器独立于单个IEED，系统冗余度大大增强，当相应的IEED失效时，会给出默认控制值。

（2）电力管理子系统

在不久的将来，在汽车上会引入混合电压供电系统，并且与12V/24V/36V系统共存。电力管理子系统在电力系统与负载之间起着重要的作用。在IEED系统中，可能需要额外的稳定低压电源（5V或12V）。为了在恶劣的电气环境中保持电气系统工作稳定，必须仔细设计集成配套电路（ICC）。一种可行的方法是增加一个稳定的电源用于ICC的使用。

电池的荷电状态（SOC）应进行实时监测，并保持在一定水平上，以确保每一次电气系统的成功启动。同时过电流保护应进行精心设计。智能电力电子技术可应用于ICC，但在对地情况下，电力线只能由电力管理子系统保护。在考虑过电流保护的性能时，可以考虑以下几个方面：选择性、快速性、灵敏度和可靠性。

（3）车载电脑

现在，司机需要的信息越来越多。导航、娱乐、远程信息、远程诊断、移动和紧急服务将整合到一个系统中。车载计算机在集群有限的情况下不可或缺。现在国内外汽车生产企业都开发了具有独立知识产权的车载电脑操作系统，显著提升了驾驶员的驾驶安全性和娱乐性。

（4）通信网关

在许多分布式系统中，一个ECU既是控制器又是网关。在IEED系统中，网关仅用于消息路由。它具有到两个网络的标准接口。所以它可以是特定于应用程序的产品。IEED系统中CAN/LIN、CAN/CAN和FlexRay/CAN的网关应采用可配置设计。也就是说，CAN/LIN网关可以用于LIN网络和CAN网络需要连接的任何地方。

3集成配套电路模块设计

从广义上来说，车辆电气电子设备是指车辆中所有需要电线的高压或低压元件和仪器，如：电气负载、电子控制单元、传感器、开关等。为了使設备智能化，增加了一个特殊的电路。该专用电路包括微控制器、通信收发器等电路，称为集成配套电路（ICC）。模块化设计方法是一种进行智能化设计的有效方法。ICC可以分为几个模块，这些模块可以扩展使用。因此我们可以将需求仔细分类，通用模块被抽象出来。然后设计可重复使用的电路模块。

所有的需求被分为五种类型，通常具有相同的ICC。1.开关电气装置：是电机和其它电阻负载最简化的执行机构。将在ICC中增加一个高侧MOSFET或桥式驱动电路。2.开关：一种两种状态传感器，在汽车中广泛使用。按钮是基本形式，旋钮、电磁开关或气动开关等是广泛的形式。3.传感器：一般模拟传感器在汽车中可分为电压输出传感器和频率输出传感器。电压输出传感器可在汽车中找到，如电阻传感器、磁电传感器、霍尔传感器等。在AD转换之前，这类信号最常用的是运算电路、低通滤波器和惠斯通电桥。同时利用单片机的输入捕获模块对频率输出信号进行计数。4.电子控制系统：发动机管理系统（EMS）、防抱死制动系统（ABS）、自动变速器（AT）、电子稳定程序（ESP）、主动悬架等。5.电池和发电机：系统的动力源。我们采用了电力管理系统，使其智能化。接口标准化是一项非常重要的工作，因为它使系统具有成本效益。IEED系统试图标准化设备接口，使其成为标准产品，连接器中的插脚也被定义为特定用途。

4结论

本文提出了一种完全分布式的系统—IEED系统，我们认为这是未来汽车电气系统的结构。为了提高系统的成本效益，采用模块化设计方法。该系统需要电力管理系统，并采用过电流保护方法。随着车载计算机系统的日益复杂，可靠性可能成为一个问题。软件和硬件复杂度较高所带来的技术风险增加了。IEED系统在设计过程中也需要解决这些问题。

参考文献

[1]杨艳茹.新能源汽车电气设备的检修研究[J].内燃机与配件，2021（22）： 133-134.

[2]党红玲.汽车电气设备技术的应用研究[J].时代汽车，2020（17）：31-32.

[3]罗灵娟，贾文静.新能源汽车电气设备及线路检修研究[J].中国设备工程，2020（20）：38-40.

[4]马汶锴，胡月.汽车48V系统电气要求及试验方法[J].汽车工程师，2021（11）：38-41.

作者简介：

姓名：罗煌，性别：男，民族：汉，籍贯：湖南长沙，学历：硕士研究生，出生年月：1989年11月，工作单位：湖南中车智行科技有限公司，职称：助理工程师、主要研究方向或从事工作：车辆电气设计，邮编地址：410006