隨著(zhù)智能網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛以及電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，未來(lái)智能電氣架構必定是基于“先進(jìn)技術(shù)、穩定可靠、靈活擴展、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(chē)傳統電氣架構的現狀為切入點(diǎn)，從電子電氣架構涉及的各個(gè)主要環(huán)節出發(fā)，討論智能電氣架構如何在商用車(chē)上行之有效地應用落地，以及其給商用車(chē)帶來(lái)的諸多價(jià)值。

| 1 商用車(chē)電氣架構現狀和特點(diǎn)

商用車(chē)的傳統電氣架構整車(chē)基本為單網(wǎng)段，只有儀表、ABS等寥寥無(wú)幾的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)，主體仍然是配電盒（熔斷絲+繼電器），更多體現是電氣拓撲，其特點(diǎn)是配電盒功能固定、不可升級、線(xiàn)束設計裕量大、設計驗證復雜、試驗周期長(cháng)、更新迭代速度慢，為保證不同車(chē)型及配置的兼容性，需要做大量預留設計，從而導致設計復雜度增加、設計成本高、使用靈活性差。

近幾年，隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，大部分商用車(chē)企也已經(jīng)普及分布式電氣架構，整車(chē)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 )拓撲和邏輯拓撲，整車(chē)由電氣化向電子化不斷邁進(jìn)。

| 2 智能電氣架構在商用車(chē)應用落地的突破點(diǎn)

未來(lái)智能駕駛的電氣架構需要的是區域架構，甚至是中央集中式架構的模式，雖然智能化、網(wǎng)聯(lián)化的基礎都是電子化，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(chē)上實(shí)現智能化電氣架構就需要從以下方面進(jìn)行突破。

2.1 配電

傳統電氣架構的整車(chē)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計，并且設計復雜冗余，依賴(lài)于熔斷絲和繼電器自身的電氣特性，導致電氣壽命低、線(xiàn)路保護及維修性差、后期維護成本高，并且無(wú)法做到每條線(xiàn)路都能獨立受控。傳統電氣架構的整車(chē)配電盒如圖1所示。

相較于傳統配電盒，基于半導體器件的配電盒，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)現精準、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，特別是對二級配電架構的設計非常有利，同時(shí)，線(xiàn)束選型、電平衡、能量管理都可以做到更精確的設計?；诎雽w器件的配電盒如圖2所示。

在實(shí)際應用過(guò)程中，基于半導體器件的配電方案根據不同使用場(chǎng)景分2種。

方案1：驅動(dòng)芯片+MOSFET分立方案。這種方案的復雜度高，突出表現在電流檢測難度大、電路保護復雜、診斷功能復雜、保護功能少、保護策略復雜。該方案的綜合成本較高，通常適用于大電流場(chǎng)合。目前，車(chē)載應用較少，車(chē)載大電流還是以熔斷絲+繼電器為主。

方案2：HSD智能高邊開(kāi)關(guān)集成方案。單芯片集成了驅動(dòng)+MOSFET+電流檢測+電壓保護+熱保護+各類(lèi)診斷，HSD的電流檢測精度能達到5%，甚至更高。此方案在商用車(chē)中已經(jīng)普及應用，但基本限于低于25A的小電流負載應用，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 （低導通阻抗，大電流） 的MOSFET用于電源分配，總數在50顆以上，小電流采用了英飛凌的HSD芯片，而作為二級配電的LBCM中則只用了20顆左右的MOSFET?？梢?jiàn)，特斯拉是大電流采用方案1，小電流采用方案2，這對于商用車(chē)的智能配電盒架構設計也具有一定的借鑒意義。

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

2.2 控制及保護

2.2.1 控制

在傳統電氣架構下，電氣系統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(méi)有狀態(tài)監控及故障診斷，導致所有控制均是開(kāi)環(huán)，一定程度上帶來(lái)了設計的粗放性，使得控制的精確性和可靠性無(wú)法得到保障。

智能電氣架構依托于電子化的電氣件，控制單元采用驅動(dòng)芯片（HSD/LSD）或者芯片+半導體元件（MOS/三極管）的方案（圖2），無(wú)論是從開(kāi)關(guān)壽命、速度、應用范圍，還是保護等級等方面，其性能均全面碾壓傳統控制元器件。傳統電氣架構控制元器件與智能電氣架構控制元器件對比情況詳見(jiàn)表1。在軟硬件架構、控制邏輯、網(wǎng)絡(luò )通信、診斷等各個(gè)環(huán)節的匹配設計下，每路負載單獨可控、可診斷、可信息聯(lián)網(wǎng)，最大限度地實(shí)現了閉環(huán)控制。

基于電子元件的控制方案為智能電氣架構帶來(lái)顛覆性技術(shù)和價(jià)值創(chuàng )新的同時(shí)，也帶來(lái)了成本增加的挑戰，特別是主機廠(chǎng)需要從系統層面綜合評估線(xiàn)束、研發(fā)、售后等方面的成本。因此，基于目前階段，智能電氣架構在商用車(chē)落地的一個(gè)突破點(diǎn)就是“硬件預埋+軟件付費”這種模式。

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

對于“軟件付費”模式而言，OTA的支持對“軟件定義汽車(chē)（圖3）”起了決定性的作用?；诓煌蛻?hù)訂單的需求，通過(guò)軟件升級便可簡(jiǎn)單、快速地完成電氣設計的變更，設計更改成本相較于傳統電氣架構批量更改線(xiàn)束和控制器這種牽一發(fā)而動(dòng)全身的方式來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢更顯著(zhù)，特別是針對商用車(chē)車(chē)型多、小批量、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)來(lái)講，價(jià)值更大。此外，駕駛員還可以通過(guò)手機APP或者人機交互終端進(jìn)行車(chē)輛的遠程控制，比如遠程電源管理、遠程起動(dòng)/熄火、遠程油門(mén)/制動(dòng)/燈光/空調/門(mén)窗等系統的控制，這也為無(wú)人駕駛和線(xiàn)控底盤(pán)技術(shù)的落地提供了有利支持。

OTA的整車(chē)解決方案主要包括：①車(chē)端技術(shù)方案（適配整車(chē)EE架構類(lèi)型、主控設備升級方案、顯示設備升級方案、車(chē)端動(dòng)態(tài)添加ECU升級方案等）；②診斷刷寫(xiě)流程，盡量做到腳本化；③云端技術(shù)方案（云端服務(wù)架構、云端管理方案、云端服務(wù)項目）。

2.2.2 保護

傳統電氣架構控制元器件與智能電氣架構控制元器件保護機制對比情況詳見(jiàn)表2。相較于傳統電氣架構僅通過(guò)熔斷絲短路的保護方法，電子元器件可以對負載回路的過(guò)壓、過(guò)載、短路等故障均進(jìn)行有效保護，保護范圍和保護能力有了質(zhì)的提升，特別是針對商用車(chē)線(xiàn)束長(cháng)度普遍過(guò)長(cháng)的特點(diǎn)，有效規避了“長(cháng)導線(xiàn)效應”導致的熔斷絲失效情況以及線(xiàn)束持續發(fā)熱引起車(chē)輛火災事故的問(wèn)題。

電子元器件帶來(lái)的另一個(gè)重大優(yōu)勢就是實(shí)現了控制與保護的融合，控制即保護，保護即控制。但這同時(shí)對設計環(huán)節提出了更高的要求，因為需要對負載特性和半導體器件的特性有足夠的研究和掌握才能做到精準匹配。在設計過(guò)程中普遍考慮的基礎元素有：①HSD/LSD芯片的額定電流、限制電流參數、溫度特性；②負載應用工況及條件；③負載性質(zhì)（容性/感性），如果是電機類(lèi)的負載，還需要考慮是否需要過(guò)載保護及堵轉保護等問(wèn)題；④負載沖擊電流及其波形、峰值、持續時(shí)間。

2.3 診斷

智能化的電氣架構對整車(chē)的可靠性提出了更高的要求，而強大的診斷功能則是可靠性的基礎。汽車(chē)診斷技術(shù)是憑借儀器設備對汽車(chē)進(jìn)行性能測試和故障檢查的一種方法和手段，它能夠測試出汽車(chē)各項工作性能指標，并可在汽車(chē)總成和部件不解體的情況下發(fā)現故障及其產(chǎn)生的原因。隨著(zhù)智能電氣架構下整車(chē)功能復雜度的大幅提升，基于以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的ECU節點(diǎn)數量激增，數據和信號的吞吐量翻倍增長(cháng)，隨之而來(lái)的就是故障識別和維修保養的難度提升，對于整車(chē)故障診斷的方法、工具和可靠性也提出了更嚴苛的要求。目前常用的方法有以下2種。

2.3.1 DM1故障碼

對于商用車(chē)，因其使用特點(diǎn)導致車(chē)輛維修頻率較高，每一次故障都意味著(zhù)運營(yíng)成本的增高，所以依托于半導體器件的開(kāi)路檢測、短路檢測、過(guò)壓檢測、過(guò)流檢測等特性，ECU可實(shí)時(shí)地監控負載當前故障狀態(tài)，并將故障報文發(fā)送至總線(xiàn)上，既可以通過(guò)儀表、中控屏等人機交互界面對駕駛員進(jìn)行故障提醒和預警，還可以將故障信息存儲至后臺。

對于高級輔助駕駛系統，還可以將車(chē)輛歷史狀態(tài)和維修數據發(fā)送至云端，給每輛車(chē)建立基于大數據的數字維修車(chē)間，通過(guò)APP或人機交互終端為駕駛員提供超前的維保提醒和故障預警，防止車(chē)輛運行過(guò)程中出現故障，為用戶(hù)提供更智能化、人性化的檢修解決方案。同時(shí)，可以結合駕駛員的行為習慣和車(chē)輛使用工況的采集分析進(jìn)行高級復雜運算，為當前車(chē)輛用戶(hù)提供專(zhuān)屬的駕駛行為指導意見(jiàn)，讓車(chē)輛處于經(jīng)濟、性能、動(dòng)力最佳的運行狀態(tài)，為載重汽車(chē)駕駛員帶來(lái)更高的經(jīng)濟利益，當然，該部分與前文所述的“硬件預埋+軟件付費”相得益彰。

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

2.3.2 UDS診斷

UDS （Unified Diagnostic Services，統一診斷服務(wù)） 是基于ISO 14229協(xié)議的一種面向整車(chē)所有ECU單元的規范化、標準化的診斷服務(wù)。UDS既可以在CAN總線(xiàn)上實(shí)現，也能在Ethernet上實(shí)現DoIP （Diagnostic over Internet Protocol），同時(shí)由于其增強型的服務(wù)特點(diǎn)，主機廠(chǎng)和零部件廠(chǎng)商可以根據實(shí)際情況開(kāi)發(fā)私有化自定義的診斷服務(wù)，更加方便于生產(chǎn)線(xiàn)檢測（診斷） 設備的開(kāi)發(fā)，也更加方便售后維修保養和車(chē)聯(lián)網(wǎng)的功能實(shí)現，因此對于智能電氣架構來(lái)說(shuō)，UDS是一種非常友好的診斷方法。

UDS在具體應用過(guò)程中針對的是每一個(gè)ECU單元，須對整車(chē)每一個(gè)有診斷需求的ECU編制詳細的診斷規范，除了基本的數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層的定義，還應包括診斷功能、診斷服務(wù)、故障診斷需求、數據標識符、標定參數、配置更新策略、診斷服務(wù)說(shuō)明的詳細概述。其中，診斷服務(wù)常用的類(lèi)型有：診斷會(huì )話(huà)控制（10H）、安全訪(fǎng)問(wèn)（27H）、診斷設備在線(xiàn)（3EH）、電控單元復位（11H）、通信控制（28H）、控制DCT設置（85H）、讀取數據（22H）、寫(xiě)入數據（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）、請求下載（34H）、數據傳輸（36H）、請求退出傳輸（37H）。

2.4 網(wǎng)路管理

隨著(zhù)車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛中的推廣應用，“以太網(wǎng)+CAN+LIN總線(xiàn)”的復合形式將成為智能電氣架構的常見(jiàn)形態(tài)，智能電氣架構在解決多項智能網(wǎng)聯(lián)功能合理分配的同時(shí)，也面臨因車(chē)內網(wǎng)段和ECU數量激增，各節點(diǎn)無(wú)法同步休眠引起的靜態(tài)功耗問(wèn)題。解決該問(wèn)題可使用網(wǎng)絡(luò )管理機制，使網(wǎng)絡(luò )上的控制器穩定、有序地運行，在用戶(hù)無(wú)用車(chē)需求時(shí)，全車(chē)ECU可同步進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少整車(chē)的電能消耗，使車(chē)輛具有足夠的能量保證再次起動(dòng)。汽車(chē)基礎的網(wǎng)絡(luò )管理時(shí)序如圖4所示。

目前業(yè)內通用的網(wǎng)絡(luò )管理機制有OSEK和AutosarNM，都是直接網(wǎng)絡(luò )管理方法，通過(guò)專(zhuān)用的報文來(lái)報告網(wǎng)絡(luò )當前的狀態(tài)。在OSEK機制中，網(wǎng)絡(luò )內的所有ECU使用網(wǎng)絡(luò )管理報文建立令牌環(huán)來(lái)傳遞網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)、休眠請求和休眠命令，從而達到同步休眠的目的。AutosarNM是一種自主休眠機制，每個(gè)ECU報告自己的狀態(tài)，當自己滿(mǎn)足休眠條件時(shí)停發(fā)自身的網(wǎng)絡(luò )管理報文，對于整車(chē)而言，當總線(xiàn)上無(wú)任何的網(wǎng)絡(luò )管理報文后，全車(chē)ECU統一進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.5 ECM

商用車(chē)由于車(chē)身長(cháng)、負載類(lèi)型復雜、整車(chē)電氣環(huán)境惡劣等因素的影響，其自身對EMC有著(zhù)較高的要求，再加上電動(dòng)車(chē)高壓系統帶來(lái)的影響，使得ECM性能的優(yōu)劣程度對整車(chē)的安全性、可靠性、穩定性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。智能電氣架構因為實(shí)現了電子化，因此解決ECM問(wèn)題的切入點(diǎn)可以落腳在底盤(pán)配電盒上：①電器盒電源輸入端加入電壓抑制設計；②每個(gè)電源輸出通道也可以增加電壓抑制設計，將長(cháng)導線(xiàn)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(kāi)關(guān)特性，將干擾脈沖吸收，防止其在ECU和負載之間亂竄，避免用電設備之間的相互干擾。

| 3 結論

綜上所述，智能電氣架構為商用車(chē)帶來(lái)挑戰突破的同時(shí)也為商用車(chē)提供了更多的價(jià)值，所以，不管是支撐未來(lái)新能源載重汽車(chē)及高階無(wú)人駕駛技術(shù)，還是為主機廠(chǎng)從車(chē)輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉型，商用車(chē)推行智能電氣架構，勢在必行。