浅谈某种车型全景天窗的设计缺陷

董少君

浅谈某种车型全景天窗的设计缺陷

董少君

（华东交通大学，江西 南昌 330000）

近年来随着人们生活水平的不断提高，汽车逐渐成为人们出行的主要交通工具。而天窗作为汽车车身中的一个重要部件，也随之得到广泛应用。由于天窗不影响整车的行驶功能，一般汽车生产制造商不会定义功能安全等级，因而具有潜在危险性。文章以某车型的全景天窗为研究对象，结合市场和试验问题的反馈，运用质量工具，对全景天窗功能安全的常见设计缺陷进行分析和研究，并结合实例提出优化方案，以提高全景天窗的功能安全。

全景天窗；功能安全；设计缺陷

引言

随着家用轿车越来越普及，轿车的功能和配置逐渐提高，全景天窗车顶玻璃尺寸大，能提供更充足的光线，可使驾乘人员视野更开阔，消除车厢内的压抑感。因此，全景天窗已逐步成为一种汽车必备配置。全景天窗是一个典型的嵌入式系统应用的产品，包含嵌入式系统软件、硬件、执行机构、功能组件等，存在系统性失效和硬件随机性失效的可能性。而功能安全是指当检测到潜在的危险情况，启动保护和纠正装置，防止发生危险事件或提供缓解措施以减少危险事件的后果。因此，全景天窗的功能安全尤为重要。

目前，全景天窗仅依据GB11552—2009《乘用车内部凸出物》对天窗功能进行设计开发[1]。下面针对某车型全景天窗功能安全常见设计问题进行分析和研究。

1 软件逻辑设计缺陷

1.1 全景天窗玻璃与遮阳帘运行不同步

全景天窗玻璃与遮阳帘运行不同步会导致遮阳帘关闭而天窗玻璃打开的现象，也就是天窗玻璃和遮阳帘各自运行，没有联动功能。这种情况会让驾驶员认为天窗和遮阳帘都关闭了，而实际天窗玻璃是打开状态。这种设计的问题就是典型的逻辑设计不合理，解决这种缺陷的方法为：增加硬线信号获取位置信息，使天窗玻璃和遮阳帘各自通过控制器的硬线探测对方的位置，实时计算和对方的距离（如图1），同时优化软件逻辑，通过判断遮阳帘与天窗玻璃的相对位置来执行相应的动作（如图2）。

图1 全景天窗电气原理图

图2 功能逻辑

1.2 软件缺少过热保护

由于全景天窗电机本身不带过热保护装置，因此，天窗电机过热保护需要从软件实现，如果未考虑，天窗频繁操作会导致电机过热失效，甚至导致电机烧蚀。天窗电机的热保护主要是控制绕组的温度在绝缘等级的容限温度以下，以防止绝缘材料的热击穿或老化使其寿命降低。为了防止电机过热，直流电机的温度能在模型中预估出来。电枢临界温度的检测根据热保护功能块来决定中断正在进行的行为或阻止新的启动。当天窗在短时间内过于频繁的打开与关闭，ECU 将进入电机热保护模式，达到热保护触发点时，停止执行开窗指令。电机热保护功能由热保护侦测模块及热保护动作模块两部分组成。热保护侦测模块用于收集侦测热保护达到的条件，热保护动作模块则是向天窗控制系统输出一系列动作条件：（1）只允许天窗关闭（响应关窗按键）；（2）不允许天窗打开（不响应开窗按键）；（3）到达全关闭点后，天窗不能打开（开、关窗按键都不响应）。因此，增加软件保护是很有必要的（如图3和图4）。

图3 主程序

图4 电机保护算法流程

1.3 软件缺少启动保护

电子产品开发需要与整车匹配，必须考虑整车的使用环境以及其他零部件的匹配。如整车在启动瞬间，需要使一般电子电器件停止工作，主要目的是让蓄电池供电集中用于起动机启动，如果未考虑有可能会导致整车电压在启动瞬间电压过低而无法启动。因此，全景天窗设计时需要考虑此种情况。

具体逻辑为：全景天窗需接收点火状态信号，当点火状态信号（IGN信号）为启动状态（Cranking信号），天窗玻璃和遮阳帘立即停止动作，当点火状态信号切换为非启动状态，天窗玻璃和遮阳帘恢复之前动作。

2 硬件设计缺陷

EMC测试不合格。EMC性能是控制器必备的性能之一，相关电子电器产品必须要检测达标，全景天窗控制模块属于AX类零部件，需满足EMC性能要求[2]。在PCB板设计完成后，需制样进行EMC测试，单件测试通过后仍需要进行整车测试。如果EMC测试不合格，需要对PCB板进行重新设计，影响开发进度，所以在进行电气原理图设计时就应该要考虑EMC问题。下面通过某车型的全景天窗的案例进行分析。

图5 MCU原理图

图6 PCB板

案例：某车型在试验场进行可靠性试验时，驾驶员在未进行任何操作的情况下，天窗自动运行，且功能安全失效。通过对整车进行EMC试验测试，在外部信号干扰的情况下，同样出现天窗自动运行，因此，整车EMC测试不合格。通过进一步排查和测试，天窗控制器自由场抗扰能力不足和控制器抗大电流注入能力不足。

制定措施如下：

（1）控制器自由场抗扰能力不足：MCU电源端口增加两个磁珠（L4和L5），通过磁珠消除高频信号对MCU的干扰。

（2）控制器抗大电流注入能力不足：优化端口电路及软件滤波时间。

1）端口电路优化

①调整开关输入端口电路对地旁路滤波电容，降低输入低通频率截止点及降低输入高频阻抗，使干扰信号进入旁路至地线，达到抗扰的目的。

②优化MCU供电电源滤波退耦电容，降低电源供电纹波，提高电源瞬态响应，提高电源线差模瞬态抗干扰能力。

③调整LIN总线物理接口输入串联磁珠元件参数，优化高频输入抑制阻抗和频率，提高LIN总线物理接口对高频大电流干扰信号的抗扰性能。

图7 开关输入端口电路

图8 MCU电源电路

图9 LIN总线接口电路

2）PCB布线优化

① 共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器同相、反相输入端的相同信号。共模信号的特点：大小相等，相位相同。PCB板层分布参数设计对共模干扰信号抑制至关重要。优化PCB板层设计，对于分布参数进行了重点设计调整，进一步完善了布线完整性，提高高频屏蔽性能，对板层回路同时进行了优化。

② 增加软件中抗干扰滤波的时间至2 s，用于抑制继电器的粘连。

3 软硬件不匹配

产品的硬件更改或者软件更新没有相互匹配，从而导致产品功能性问题。案例分析：硬件更改未切换导致静态电流超标；某车型遮阳帘控制器硬件更改后，硬件由HW:1.4（如图10）升级为HW:1.5（如图11），而软件未变化，而软件内部设置的检测IGN的端口号:P27，在HW:1.4硬件版本的情况，IGN端口为P31，软件未能正确监测到IGN信号变化，认为IGN端口一直为打开状态，造成控制器不能正常休眠，导致静态电流超出标准。

图10 HW：1.4

图11 HW：1.5

4 标定不规范

对于功能件产品在开发完成后要进行功能标定，尤其针对活动结构的功能件。全景天窗需要做整车静态标定和动态标定，只有全部标定完成无问题后软硬件才能冻结。此环节是在产品开发的末端，如果没有规范的操作流程，将失去标定的实际意义。如我们在标定车窗噪音时，按照标准要求：开口风噪≤70 dB（天窗全开，车速80 km/h），如果只标定这一项合格，不考虑其他工况，将会导致标定数据不全。在编制标定用例的时候需要考虑多种工况，在不同速度和不同开度的情况下进行测试，通过标定最终确认，全景天窗自动打开后不是直接开到机械位置最大（图12），而是根据标定数据选择了一个最佳的最大开度，这个位置使驾驶员和乘客能感受最小的噪音，增加了乘车体验感（图13）。因此，标定尤为重要，编制标定规范文件更为重要。

图12 标定前（天窗全开状态）

图13 标定后（天窗全开状态）

5 预防措施

5.1 建立问题档案库

设计开发过程中，要对开发过程中的问题进行分析，确定根本原因，并建立问题档案库，软件更改要形成软件版本变更履历表，这样为以后的产品开发提供依据，提高开发效率。

5.2 设计FEMA优化

不断更新设计FEMA，增加电路保护及软件保护相关内容。

5.3 结构与控制设计区分

针对全景天窗这种机电控制装置，要将结构部分和控制单元分开设计。

5.4 建立软件功能需求库

对保护功能提出明确要求。

5.5 建立硬件接口电路选型库

为后续控制器开发电路提供指导。

6 结论

作为一名设计工程师，在不断学习专业知识的基础上，一定要总结经验，形成组织记忆力，另外要加强团队学习，了解相关执行机构以及最终实现的效果。要开发产品的复盘，举一反三，除了全景天窗以外，还有整车控制器、电动尾门控制器、防夹控制器、门模块控制等，需要对所有控制器电源电路、接口电路进行复盘，结合产品开发过程中形成的各种问题库，确保EMC、静态电流等基础特性满足开发需求。

[1] 全国汽车标准化技术委员会.乘用车内部凸出物:GB 11552—2009 [S].北京:中国标准出版社,2010.

[2] 江淮汽车集团股份有限公司.零部件电磁兼容技术条件总则:Q/JQ 3627.1—2015[S].合肥:江淮汽车集团股份有限公司,2015.

Talking about the Design Defects of the Panoramic Sunroof of Certain Vehicles

DONG Shaojun

（East China Jiaotong University, Jiangxi Nanchang 330000）

With the continuous improvement of people's living standards, the car gradually become the main tool for people to travel in recent years. The sunroof is one of the important parts in the car body, which is widely used in the automobile in recent years.Since the sunroof does not affect the driving function of the vehicle, the general automobile manufacturer will not define the functional safety level, which may cause potential danger to people.This article takes the panoramic sunroof of a certain car model as the research object, combines the feedback of market and test problems, uses quality tools,analyze and research common design flaws in the functional safety of panoramic sunroofs,and combined with examples to propose an optimization plan,in order to improve the functional safety of the panoramic sunroof.

Panoramic sunroof; Functional safety; Design defect

U463.8

A

1671-7988(2021)24-73-04

U463.8

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1671-7988(2021)24-73-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.016

董少君（1985—），男，就读于华东交通大学机电与车辆工程学院，载运工具运用工程专业，研究方向：车辆现代设计技术。