智能电气架构在商用车上的应用研究

张倩 王远波 武美航 袁思浩

【摘  要】本文通过对智能电气架构在商用车上的应用进行分析研究，从配电、控制、保护、诊断、网络管理、ECM等多个方面来详细阐述智能电气架构在商用车落地的突破点和解决方案。

【关键词】智能电气架构;配电;控制;保护;诊断;网络管理;ECM

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：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

作者简介

张倩（1987—），主要从事整车电器系统设计、网络架构开发、整车电气原理设计工作。

随着智能网联、自动驾驶以及电动汽车的发展，未来智能电气架构必定是基于“先进技术、稳定可靠、灵活扩展、产品成本低、提供更丰富服务”的方向向前发展。本文以商用车传统电气架构的现状为切入点，从电子电气架构涉及的各个主要环节出发，讨论智能电气架构如何在商用车上行之有效地应用落地，以及其给商用车带来的诸多价值。

1  商用车电气架构现状和特点

商用车的传统电气架构整车基本为单网段，只有仪表、ABS等寥寥无几的CAN总线节点，主体仍然是配电盒（熔断丝+继电器），更多体现是电气拓扑，其特点是配电盒功能固定、不可升级、线束设计裕量大、设计验证复杂、试验周期长、更新迭代速度慢，为保证不同车型及配置的兼容性，需要做大量预留设计，从而导致设计复杂度增加、设计成本高、使用灵活性差。

近几年，随着技术发展，大部分商用车企也已经普及分布式电气架构，整车ECU元件逐渐增多，部分基于继电器、熔断丝的功能也被HSD/LSD和MOSFET替代，融合了更多的网络拓扑和逻辑拓扑，整车由电气化向电子化不断迈进。

2  智能电气架构在商用车应用落地的突破点

未来智能驾驶的电气架构需要的是区域架构，甚至是中央集中式架构的模式，虽然智能化、网联化的基础都是电子化，但智能化的本质是可感知、可控制、可诊断、可编程配置、可联网、可进化，那么，在商用车上实现智能化电气架构就需要从以下方面进行突破。

2.1  配电

传统电气架构的整车配电基本是依托于熔断丝+继电器，众所周知，这种配电需要易接近性的设计，并且设计复杂冗余，依赖于熔断丝和继电器自身的电气特性，导致电气寿命低、线路保护及维修性差、后期维护成本高，并且无法做到每条线路都能独立受控。传统电气架构的整车配电盒如图1所示。

相较于传统配电盒，基于半导体器件的配电盒，芯片的单个HSD管脚或者芯片与MOSFET的组合即可取代1个熔断丝加1个继电器的方式，实现精准、安全、可靠的配电，并且上下电时序和不同的电源属性也可以完全做到编程可控，特别是对二级配电架构的设计非常有利，同时，线束选型、电平衡、能量管理都可以做到更精确的设计。基于半导体器件的配电盒如图2所示。

在实际应用过程中，基于半导体器件的配电方案根据不同使用场景分2种。

方案1：驱动芯片+MOSFET分立方案。这种方案的复杂度高，突出表现在电流检测难度大、电路保护复杂、诊断功能复杂、保护功能少、保护策略复杂。该方案的综合成本较高，通常适用于大电流场合。目前，车载应用较少，车载大电流还是以熔断丝+继电器为主。

方案2：HSD智能高边开关集成方案。单芯片集成了驱动+MOSFET+电流检测+电压保护+热保护+各类诊断，HSD的电流检测精度能达到5%，甚至更高。此方案在商用车中已经普及应用，但基本限于低于25A的小电流负载应用，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（低导通阻抗，大电流）的MOSFET用于电源分配，总数在50顆以上，小电流采用了英飞凌的HSD芯片，而作为二级配电的LBCM中则只用了20颗左右的MOSFET。可见，特斯拉是大电流采用方案1，小电流采用方案2，这对于商用车的智能配电盒架构设计也具有一定的借鉴意义。

未来配电盒的方向肯定是基于单芯片方案的智能HSD，随着技术的进步及成本的下降，应用范围会逐步扩大到车辆的整个电气系统。

2.2  控制及保护

2.2.1  控制

在传统电气架构下，电气系统的控制大都是基于继电器的控制方案，由于继电器为被动元件，没有状态监控及故障诊断，导致所有控制均是开环，一定程度上带来了设计的粗放性，使得控制的精确性和可靠性无法得到保障。

智能电气架构依托于电子化的电气件，控制单元采用驱动芯片（HSD/LSD）或者芯片+半导体元件（MOS/三极管）的方案（图2），无论是从开关寿命、速度、应用范围，还是保护等级等方面，其性能均全面碾压传统控制元器件。传统电气架构控制元器件与智能电气架构控制元器件对比情况详见表1。在软硬件架构、控制逻辑、网络通信、诊断等各个环节的匹配设计下，每路负载单独可控、可诊断、可信息联网，最大限度地实现了闭环控制。

基于电子元件的控制方案为智能电气架构带来颠覆性技术和价值创新的同时，也带来了成本增加的挑战，特别是主机厂需要从系统层面综合评估线束、研发、售后等方面的成本。因此，基于目前阶段，智能电气架构在商用车落地的一个突破点就是“硬件预埋+软件付费”这种模式。把硬件成本作为价值预埋的一部分，硬件的成本后期可以通过软件付费模式进行回收，以特斯拉为首的部分乘用车已经在这方面得到了成功的尝试，值得商用车借鉴。

对于“软件付费”模式而言，OTA的支持对“软件定义汽车（图3）”起了决定性的作用。基于不同客户订单的需求，通过软件升级便可简单、快速地完成电气设计的变更，设计更改成本相较于传统电气架构批量更改线束和控制器这种牵一发而动全身的方式来说，优势更显著，特别是针对商用车车型多、小批量、开发周期短的特点来讲，价值更大。此外，驾驶员还可以通过手机APP或者人机交互终端进行车辆的远程控制，比如远程电源管理、远程起动/熄火、远程油门/制动/灯光/空调/门窗等系统的控制，这也为无人驾驶和线控底盘技术的落地提供了有利支持。

OTA的整车解决方案主要包括：①车端技术方案（适配整车EE架构类型、主控设备升级方案、显示设备升级方案、车端动态添加ECU升级方案等）;②诊断刷写流程，尽量做到脚本化;③云端技术方案（云端服务架构、云端管理方案、云端服务项目）。

2.2.2  保护

传统电气架构控制元器件与智能电气架构控制元器件保护机制对比情况详见表2。相较于传统电气架构仅通过熔断丝短路的保护方法，电子元器件可以对负载回路的过压、过载、短路等故障均进行有效保护，保护范围和保护能力有了质的提升，特别是针对商用车线束长度普遍过长的特点，有效规避了“长导线效应”导致的熔断丝失效情况以及线束持续发热引起车辆火灾事故的问题。

电子元器件带来的另一个重大优势就是实现了控制与保护的融合，控制即保护，保护即控制。但这同时对设计环节提出了更高的要求，因为需要对负载特性和半导体器件的特性有足够的研究和掌握才能做到精准匹配。在设计过程中普遍考虑的基础元素有：①HSD/LSD芯片的额定电流、限制电流参数、温度特性;②负载应用工况及条件;③负载性质（容性/感性），如果是电机类的负载，还需要考虑是否需要过载保护及堵转保护等问题;④负载冲击电流及其波形、峰值、持续时间。

2.3  诊断

智能化的电气架构对整车的可靠性提出了更高的要求，而强大的诊断功能则是可靠性的基础。汽车诊断技术是凭借仪器设备对汽车进行性能测试和故障检查的一种方法和手段，它能够测试出汽车各项工作性能指标，并可在汽车总成和部件不解体的情况下发现故障及其产生的原因。随着智能电气架构下整车功能复杂度的大幅提升，基于以太网和CAN总线的ECU节点数量激增，数据和信号的吞吐量翻倍增长，随之而来的就是故障识别和维修保养的难度提升，对于整车故障诊断的方法、工具和可靠性也提出了更严苛的要求。目前常用的方法有以下2种。

2.3.1  DM1故障码

对于商用车，因其使用特点导致车辆维修频率较高，每一次故障都意味着运营成本的增高，所以依托于半导体器件的开路检测、短路检测、过压检测、过流检测等特性，ECU可实时地监控负载当前故障状态，并将故障报文发送至总线上，既可以通过仪表、中控屏等人机交互界面对驾驶员进行故障提醒和预警，还可以将故障信息存储至后台。

对于高级辅助驾驶系统，还可以将车辆历史状态和维修数据发送至云端，给每辆车建立基于大数据的数字维修车间，通过APP或人机交互终端为驾驶员提供超前的维保提醒和故障预警，防止车辆运行过程中出现故障，为用户提供更智能化、人性化的检修解决方案。同时，可以结合驾驶员的行为习惯和车辆使用工况的采集分析进行高级复杂运算，为当前车辆用户提供专属的驾驶行为指导意见，让车辆处于经济、性能、动力最佳的运行状态，为载重汽车驾驶员带来更高的经济利益，当然，该部分与前文所述的“硬件预埋+软件付费”相得益彰。

DM1故障报文一般采用多包形式，其定义通常应包含：SPN、FMI、故障描述、DCT产生条件、DTC清除条件、维修指导意见、故障等级。其中，“故障描述”要详细到故障排查时使用的工具、故障排查步骤、判定故障具体原因的思路，才能对故障维修起到有效的指导作用。

2.3.2  UDS诊断

UDS（Unified Diagnostic Services，统一诊断服务）是基于ISO 14229协议的一种面向整车所有ECU单元的规范化、标准化的诊断服务。UDS既可以在CAN总线上实现，也能在Ethernet上实现DoIP（Diagnostic over Internet Protocol），同时由于其增强型的服务特点，主机厂和零部件厂商可以根据实际情况开发私有化自定义的诊断服务，更加方便于生产线检测（诊断）设备的开发，也更加方便售后维修保养和车联网的功能实现，因此对于智能电气架构来说，UDS是一种非常友好的诊断方法。

UDS在具体应用过程中针对的是每一个ECU单元，须对整车每一个有诊断需求的ECU编制详细的诊断规范，除了基本的数据链路层、网络层、应用层的定义，还应包括诊断功能、诊断服务、故障诊断需求、数据标识符、标定参数、配置更新策略、诊断服务说明的详细概述。其中，诊断服务常用的类型有：诊断会话控制（10H）、安全访问（27H）、诊断设备在线（3EH）、电控单元复位（11H）、通信控制（28H）、控制DCT设置（85H）、读取数据（22H）、写入数据（2E）、读取DCT信息（19H）、清除診断信息（14H）、例程控制（31H）、输入输出控制（2FH）、请求下载（34H）、数据传输（36H）、请求退出传输（37H）。

2.4  网路管理

随着车载以太网技术在智能网联车辆中的推广应用，“以太网+CAN+LIN总线”的复合形式将成为智能电气架构的常见形态，智能电气架构在解决多项智能网联功能合理分配的同时，也面临因车内网段和ECU数量激增，各节点无法同步休眠引起的静态功耗问题。解决该问题可使用网络管理机制，使网络上的控制器稳定、有序地运行，在用户无用车需求时，全车ECU可同步进入休眠状态，减少整车的电能消耗，使车辆具有足够的能量保证再次起动。汽车基础的网络管理时序如图4所示。

目前业内通用的网络管理机制有OSEK和AutosarNM，都是直接网络管理方法，通过专用的报文来报告网络当前的状态。在OSEK机制中，网络内的所有ECU使用网络管理报文建立令牌环来传递网络状态、休眠请求和休眠命令，从而达到同步休眠的目的。AutosarNM是一种自主休眠机制，每个ECU报告自己的状态，当自己满足休眠条件时停发自身的网络管理报文，对于整车而言，当总线上无任何的网络管理报文后，全车ECU统一进入休眠状态。

2.5  ECM

商用车由于车身长、负载类型复杂、整车电气环境恶劣等因素的影响，其自身对EMC有着较高的要求，再加上电动车高压系统带来的影响，使得ECM性能的优劣程度对整车的安全性、可靠性、稳定性起着至关重要的作用。

智能电气架构因为实现了电子化，因此解决ECM问题的切入点可以落脚在底盘配电盒上：①电器盒电源输入端加入电压抑制设计;②每个电源输出通道也可以增加电压抑制设计，将长导线上杂散电感产生的高压脉冲以及基于U=L×di/dt快速变化的大电流产生的电感消耗;③利用芯片本身的开关特性，将干扰脉冲吸收，防止其在ECU和负载之间乱窜，避免用电设备之间的相互干扰。

3  结论

综上所述，智能电气架构为商用车带来挑战突破的同时也为商用车提供了更多的价值，所以，不管是支撑未来新能源载重汽车及高阶无人驾驶技术，还是为主机厂从车辆生产商到服务商的转型，商用车推行智能电气架构，势在必行。

参考文献：

[1] 王栋梁，汤利顺，陈博，等. 智能网联汽车整车OTA功能设计研究[J]. 汽车技术，2018（10）：29-33.

[2] 王馨，郁淑聪，李亚楠. 浅析软件定义下汽车行业结构的变化与影响[J]. 时代汽车，2022（3）：10-12.

[3] 陈姿霖，王远波，陈佩. 基于OSEK标准的汽车网络管理设计和验证浅析[J]. 汽车电器，2022（3）：51-52，54.

（編辑  凌  波）