隨著智能網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛以及電動(dòng)汽車的發(fā)展，未來智能電氣架構(gòu)必定是基于“先進(jìn)技術(shù)、穩(wěn)定可靠、靈活擴(kuò)展、產(chǎn)品成本低、提供更豐富服務(wù)”的方向向前發(fā)展。本文以商用車傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，從電子電氣架構(gòu)涉及的各個(gè)主要環(huán)節(jié)出發(fā)，討論智能電氣架構(gòu)如何在商用車上行之有效地應(yīng)用落地，以及其給商用車帶來的諸多價(jià)值。

| 1 商用車電氣架構(gòu)現(xiàn)狀和特點(diǎn)

商用車的傳統(tǒng)電氣架構(gòu)整車基本為單網(wǎng)段，只有儀表、ABS等寥寥無(wú)幾的CAN總線節(jié)點(diǎn)，主體仍然是配電盒（熔斷絲+繼電器），更多體現(xiàn)是電氣拓?fù)?，其特點(diǎn)是配電盒功能固定、不可升級(jí)、線束設(shè)計(jì)裕量大、設(shè)計(jì)驗(yàn)證復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、更新迭代速度慢，為保證不同車型及配置的兼容性，需要做大量預(yù)留設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加、設(shè)計(jì)成本高、使用靈活性差。

近幾年，隨著技術(shù)發(fā)展，大部分商用車企也已經(jīng)普及分布式電氣架構(gòu)，整車ECU元件逐漸增多，部分基于繼電器、熔斷絲的功能也被HSD/LSD和MOSFET替代，融合了更多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)?，整車由電氣化向電子化不斷邁進(jìn)。

| 2 智能電氣架構(gòu)在商用車應(yīng)用落地的突破點(diǎn)

未來智能駕駛的電氣架構(gòu)需要的是區(qū)域架構(gòu)，甚至是中央集中式架構(gòu)的模式，雖然智能化、網(wǎng)聯(lián)化的基礎(chǔ)都是電子化，但智能化的本質(zhì)是可感知、可控制、可診斷、可編程配置、可聯(lián)網(wǎng)、可進(jìn)化，那么，在商用車上實(shí)現(xiàn)智能化電氣架構(gòu)就需要從以下方面進(jìn)行突破。

2.1 配電

傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的整車配電基本是依托于熔斷絲+繼電器，眾所周知，這種配電需要易接近性的設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜冗余，依賴于熔斷絲和繼電器自身的電氣特性，導(dǎo)致電氣壽命低、線路保護(hù)及維修性差、后期維護(hù)成本高，并且無(wú)法做到每條線路都能獨(dú)立受控。傳統(tǒng)電氣架構(gòu)的整車配電盒如圖1所示。

相較于傳統(tǒng)配電盒，基于半導(dǎo)體器件的配電盒，芯片的單個(gè)HSD管腳或者芯片與MOSFET的組合即可取代1個(gè)熔斷絲加1個(gè)繼電器的方式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全、可靠的配電，并且上下電時(shí)序和不同的電源屬性也可以完全做到編程可控，特別是對(duì)二級(jí)配電架構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有利，同時(shí)，線束選型、電平衡、能量管理都可以做到更精確的設(shè)計(jì)?；诎雽?dǎo)體器件的配電盒如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于半導(dǎo)體器件的配電方案根據(jù)不同使用場(chǎng)景分2種。

方案1：驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFET分立方案。這種方案的復(fù)雜度高，突出表現(xiàn)在電流檢測(cè)難度大、電路保護(hù)復(fù)雜、診斷功能復(fù)雜、保護(hù)功能少、保護(hù)策略復(fù)雜。該方案的綜合成本較高，通常適用于大電流場(chǎng)合。目前，車載應(yīng)用較少，車載大電流還是以熔斷絲+繼電器為主。

方案2：HSD智能高邊開關(guān)集成方案。單芯片集成了驅(qū)動(dòng)+MOSFET+電流檢測(cè)+電壓保護(hù)+熱保護(hù)+各類診斷，HSD的電流檢測(cè)精度能達(dá)到5%，甚至更高。此方案在商用車中已經(jīng)普及應(yīng)用，但基本限于低于25A的小電流負(fù)載應(yīng)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 （低導(dǎo)通阻抗，大電流） 的MOSFET用于電源分配，總數(shù)在50顆以上，小電流采用了英飛凌的HSD芯片，而作為二級(jí)配電的LBCM中則只用了20顆左右的MOSFET?？梢?，特斯拉是大電流采用方案1，小電流采用方案2，這對(duì)于商用車的智能配電盒架構(gòu)設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。

未來配電盒的方向肯定是基于單芯片方案的智能HSD，隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的下降，應(yīng)用范圍會(huì)逐步擴(kuò)大到車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。

2.2 控制及保護(hù)

2.2.1 控制

在傳統(tǒng)電氣架構(gòu)下，電氣系統(tǒng)的控制大都是基于繼電器的控制方案，由于繼電器為被動(dòng)元件，沒有狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷，導(dǎo)致所有控制均是開環(huán)，一定程度上帶來了設(shè)計(jì)的粗放性，使得控制的精確性和可靠性無(wú)法得到保障。

智能電氣架構(gòu)依托于電子化的電氣件，控制單元采用驅(qū)動(dòng)芯片（HSD/LSD）或者芯片+半導(dǎo)體元件（MOS/三極管）的方案（圖2），無(wú)論是從開關(guān)壽命、速度、應(yīng)用范圍，還是保護(hù)等級(jí)等方面，其性能均全面碾壓傳統(tǒng)控制元器件。傳統(tǒng)電氣架構(gòu)控制元器件與智能電氣架構(gòu)控制元器件對(duì)比情況詳見表1。在軟硬件架構(gòu)、控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)通信、診斷等各個(gè)環(huán)節(jié)的匹配設(shè)計(jì)下，每路負(fù)載單獨(dú)可控、可診斷、可信息聯(lián)網(wǎng)，最大限度地實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

基于電子元件的控制方案為智能電氣架構(gòu)帶來顛覆性技術(shù)和價(jià)值創(chuàng)新的同時(shí)，也帶來了成本增加的挑戰(zhàn)，特別是主機(jī)廠需要從系統(tǒng)層面綜合評(píng)估線束、研發(fā)、售后等方面的成本。因此，基于目前階段，智能電氣架構(gòu)在商用車落地的一個(gè)突破點(diǎn)就是“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”這種模式。

把硬件成本作為價(jià)值預(yù)埋的一部分，硬件的成本后期可以通過軟件付費(fèi)模式進(jìn)行回收，以特斯拉為首的部分乘用車已經(jīng)在這方面得到了成功的嘗試，值得商用車借鑒。

對(duì)于“軟件付費(fèi)”模式而言，OTA的支持對(duì)“軟件定義汽車（圖3）”起了決定性的作用。基于不同客戶訂單的需求，通過軟件升級(jí)便可簡(jiǎn)單、快速地完成電氣設(shè)計(jì)的變更，設(shè)計(jì)更改成本相較于傳統(tǒng)電氣架構(gòu)批量更改線束和控制器這種牽一發(fā)而動(dòng)全身的方式來說，優(yōu)勢(shì)更顯著，特別是針對(duì)商用車車型多、小批量、開發(fā)周期短的特點(diǎn)來講，價(jià)值更大。此外，駕駛員還可以通過手機(jī)APP或者人機(jī)交互終端進(jìn)行車輛的遠(yuǎn)程控制，比如遠(yuǎn)程電源管理、遠(yuǎn)程起動(dòng)/熄火、遠(yuǎn)程油門/制動(dòng)/燈光/空調(diào)/門窗等系統(tǒng)的控制，這也為無(wú)人駕駛和線控底盤技術(shù)的落地提供了有利支持。

OTA的整車解決方案主要包括：①車端技術(shù)方案（適配整車EE架構(gòu)類型、主控設(shè)備升級(jí)方案、顯示設(shè)備升級(jí)方案、車端動(dòng)態(tài)添加ECU升級(jí)方案等）；②診斷刷寫流程，盡量做到腳本化；③云端技術(shù)方案（云端服務(wù)架構(gòu)、云端管理方案、云端服務(wù)項(xiàng)目）。

2.2.2 保護(hù)

傳統(tǒng)電氣架構(gòu)控制元器件與智能電氣架構(gòu)控制元器件保護(hù)機(jī)制對(duì)比情況詳見表2。相較于傳統(tǒng)電氣架構(gòu)僅通過熔斷絲短路的保護(hù)方法，電子元器件可以對(duì)負(fù)載回路的過壓、過載、短路等故障均進(jìn)行有效保護(hù)，保護(hù)范圍和保護(hù)能力有了質(zhì)的提升，特別是針對(duì)商用車線束長(zhǎng)度普遍過長(zhǎng)的特點(diǎn)，有效規(guī)避了“長(zhǎng)導(dǎo)線效應(yīng)”導(dǎo)致的熔斷絲失效情況以及線束持續(xù)發(fā)熱引起車輛火災(zāi)事故的問題。

電子元器件帶來的另一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)了控制與保護(hù)的融合，控制即保護(hù)，保護(hù)即控制。但這同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提出了更高的要求，因?yàn)樾枰獙?duì)負(fù)載特性和半導(dǎo)體器件的特性有足夠的研究和掌握才能做到精準(zhǔn)匹配。在設(shè)計(jì)過程中普遍考慮的基礎(chǔ)元素有：①HSD/LSD芯片的額定電流、限制電流參數(shù)、溫度特性；②負(fù)載應(yīng)用工況及條件；③負(fù)載性質(zhì)（容性/感性），如果是電機(jī)類的負(fù)載，還需要考慮是否需要過載保護(hù)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)等問題；④負(fù)載沖擊電流及其波形、峰值、持續(xù)時(shí)間。

2.3 診斷

智能化的電氣架構(gòu)對(duì)整車的可靠性提出了更高的要求，而強(qiáng)大的診斷功能則是可靠性的基礎(chǔ)。汽車診斷技術(shù)是憑借儀器設(shè)備對(duì)汽車進(jìn)行性能測(cè)試和故障檢查的一種方法和手段，它能夠測(cè)試出汽車各項(xiàng)工作性能指標(biāo)，并可在汽車總成和部件不解體的情況下發(fā)現(xiàn)故障及其產(chǎn)生的原因。隨著智能電氣架構(gòu)下整車功能復(fù)雜度的大幅提升，基于以太網(wǎng)和CAN總線的ECU節(jié)點(diǎn)數(shù)量激增，數(shù)據(jù)和信號(hào)的吞吐量翻倍增長(zhǎng)，隨之而來的就是故障識(shí)別和維修保養(yǎng)的難度提升，對(duì)于整車故障診斷的方法、工具和可靠性也提出了更嚴(yán)苛的要求。目前常用的方法有以下2種。

2.3.1 DM1故障碼

對(duì)于商用車，因其使用特點(diǎn)導(dǎo)致車輛維修頻率較高，每一次故障都意味著運(yùn)營(yíng)成本的增高，所以依托于半導(dǎo)體器件的開路檢測(cè)、短路檢測(cè)、過壓檢測(cè)、過流檢測(cè)等特性，ECU可實(shí)時(shí)地監(jiān)控負(fù)載當(dāng)前故障狀態(tài)，并將故障報(bào)文發(fā)送至總線上，既可以通過儀表、中控屏等人機(jī)交互界面對(duì)駕駛員進(jìn)行故障提醒和預(yù)警，還可以將故障信息存儲(chǔ)至后臺(tái)。

對(duì)于高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)，還可以將車輛歷史狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，給每輛車建立基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字維修車間，通過APP或人機(jī)交互終端為駕駛員提供超前的維保提醒和故障預(yù)警，防止車輛運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，為用戶提供更智能化、人性化的檢修解決方案。同時(shí)，可以結(jié)合駕駛員的行為習(xí)慣和車輛使用工況的采集分析進(jìn)行高級(jí)復(fù)雜運(yùn)算，為當(dāng)前車輛用戶提供專屬的駕駛行為指導(dǎo)意見，讓車輛處于經(jīng)濟(jì)、性能、動(dòng)力最佳的運(yùn)行狀態(tài)，為載重汽車駕駛員帶來更高的經(jīng)濟(jì)利益，當(dāng)然，該部分與前文所述的“硬件預(yù)埋+軟件付費(fèi)”相得益彰。

DM1故障報(bào)文一般采用多包形式，其定義通常應(yīng)包含：SPN、FMI、故障描述、DCT產(chǎn)生條件、DTC清除條件、維修指導(dǎo)意見、故障等級(jí)。其中，“故障描述”要詳細(xì)到故障排查時(shí)使用的工具、故障排查步驟、判定故障具體原因的思路，才能對(duì)故障維修起到有效的指導(dǎo)作用。

2.3.2 UDS診斷

UDS （Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)） 是基于ISO 14229協(xié)議的一種面向整車所有ECU單元的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的診斷服務(wù)。UDS既可以在CAN總線上實(shí)現(xiàn)，也能在Ethernet上實(shí)現(xiàn)DoIP （Diagnostic over Internet Protocol），同時(shí)由于其增強(qiáng)型的服務(wù)特點(diǎn)，主機(jī)廠和零部件廠商可以根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)私有化自定義的診斷服務(wù)，更加方便于生產(chǎn)線檢測(cè)（診斷） 設(shè)備的開發(fā)，也更加方便售后維修保養(yǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于智能電氣架構(gòu)來說，UDS是一種非常友好的診斷方法。

UDS在具體應(yīng)用過程中針對(duì)的是每一個(gè)ECU單元，須對(duì)整車每一個(gè)有診斷需求的ECU編制詳細(xì)的診斷規(guī)范，除了基本的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的定義，還應(yīng)包括診斷功能、診斷服務(wù)、故障診斷需求、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符、標(biāo)定參數(shù)、配置更新策略、診斷服務(wù)說明的詳細(xì)概述。其中，診斷服務(wù)常用的類型有：診斷會(huì)話控制（10H）、安全訪問（27H）、診斷設(shè)備在線（3EH）、電控單元復(fù)位（11H）、通信控制（28H）、控制DCT設(shè)置（85H）、讀取數(shù)據(jù)（22H）、寫入數(shù)據(jù)（2E）、讀取DCT信息（19H）、清除診斷信息（14H）、例程控制（31H）、輸入輸出控制（2FH）、請(qǐng)求下載（34H）、數(shù)據(jù)傳輸（36H）、請(qǐng)求退出傳輸（37H）。

2.4 網(wǎng)路管理

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)車輛中的推廣應(yīng)用，“以太網(wǎng)+CAN+LIN總線”的復(fù)合形式將成為智能電氣架構(gòu)的常見形態(tài)，智能電氣架構(gòu)在解決多項(xiàng)智能網(wǎng)聯(lián)功能合理分配的同時(shí)，也面臨因車內(nèi)網(wǎng)段和ECU數(shù)量激增，各節(jié)點(diǎn)無(wú)法同步休眠引起的靜態(tài)功耗問題。解決該問題可使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)上的控制器穩(wěn)定、有序地運(yùn)行，在用戶無(wú)用車需求時(shí)，全車ECU可同步進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少整車的電能消耗，使車輛具有足夠的能量保證再次起動(dòng)。汽車基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)序如圖4所示。

目前業(yè)內(nèi)通用的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制有OSEK和AutosarNM，都是直接網(wǎng)絡(luò)管理方法，通過專用的報(bào)文來報(bào)告網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)。在OSEK機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有ECU使用網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文建立令牌環(huán)來傳遞網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、休眠請(qǐng)求和休眠命令，從而達(dá)到同步休眠的目的。AutosarNM是一種自主休眠機(jī)制，每個(gè)ECU報(bào)告自己的狀態(tài)，當(dāng)自己滿足休眠條件時(shí)停發(fā)自身的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，對(duì)于整車而言，當(dāng)總線上無(wú)任何的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文后，全車ECU統(tǒng)一進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.5 ECM

商用車由于車身長(zhǎng)、負(fù)載類型復(fù)雜、整車電氣環(huán)境惡劣等因素的影響，其自身對(duì)EMC有著較高的要求，再加上電動(dòng)車高壓系統(tǒng)帶來的影響，使得ECM性能的優(yōu)劣程度對(duì)整車的安全性、可靠性、穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。智能電氣架構(gòu)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了電子化，因此解決ECM問題的切入點(diǎn)可以落腳在底盤配電盒上：①電器盒電源輸入端加入電壓抑制設(shè)計(jì)；②每個(gè)電源輸出通道也可以增加電壓抑制設(shè)計(jì)，將長(zhǎng)導(dǎo)線上雜散電感產(chǎn)生的高壓脈沖以及基于U=L×di/dt快速變化的大電流產(chǎn)生的電感消耗；③利用芯片本身的開關(guān)特性，將干擾脈沖吸收，防止其在ECU和負(fù)載之間亂竄，避免用電設(shè)備之間的相互干擾。

| 3 結(jié)論

綜上所述，智能電氣架構(gòu)為商用車帶來挑戰(zhàn)突破的同時(shí)也為商用車提供了更多的價(jià)值，所以，不管是支撐未來新能源載重汽車及高階無(wú)人駕駛技術(shù)，還是為主機(jī)廠從車輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉(zhuǎn)型，商用車推行智能電氣架構(gòu)，勢(shì)在必行。