汽車智能化電氣與電子設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要：本論文提出了一種新型的汽車電氣系統(tǒng)—IEED系統(tǒng)（intelligent electrical & electronic device）。該電氣系統(tǒng)是一個完全分布式的系統(tǒng)，其中包含有智能化電子和電氣設(shè)備。首先闡述了該系統(tǒng)的特點，并介紹了系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。初步開發(fā)了系統(tǒng)原型，說明IEED系統(tǒng)是具有一定可行性的，具有較大的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng);分布式系統(tǒng);電子電氣設(shè)備

1引言

在早期的汽車電氣系統(tǒng)中，各種電氣設(shè)備之間采用開關(guān)線裝置結(jié)構(gòu)進行連接，稱為點對點或接線合成系統(tǒng)。如今，汽車內(nèi)部電子設(shè)備的數(shù)量變得越來越多[1]。并且底盤和懸架一體化是未來汽車發(fā)展的一大趨勢，這意味著越來越多的電氣電子設(shè)備將加入到汽車電氣系統(tǒng)中。為了更好地節(jié)約燃料并提升汽車的駕駛舒適度，現(xiàn)在許多由發(fā)動機直接驅(qū)動的機械裝置都改由電力驅(qū)動[2]。越來越多的馬達被用于駕駛車窗、方向盤和調(diào)整椅子，以此獲得更好的舒適度。車載計算機系統(tǒng)也被引入到汽車控制系統(tǒng)中，改善了舒適性，減少了尾氣污染物和燃料消耗，并提高了安全性。集中控制系統(tǒng)也因此應(yīng)運而生。

車載通信方式由“點對點”向車載網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，電氣系統(tǒng)由集中控制系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的趨勢已被廣泛接受?？偟膩碚f，趨勢是ECU體積越來越小，與設(shè)備的距離越來越短[3]?，F(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)體系的線束結(jié)構(gòu)也將由電力總線和通信總線組成。本文提出了一種基于智能化電子設(shè)備的新型汽車電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個完全分布式的系統(tǒng)。簡要概述了系統(tǒng)的主要概念，如完全分布式系統(tǒng)、智能裝置等。

2 IEED系統(tǒng)概述

2.1完全分布式系統(tǒng)

現(xiàn)代汽車電氣控制系統(tǒng)的布置方式可以分為四種：點對點系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、部分分布式系統(tǒng)以及完全分布式系統(tǒng)，從現(xiàn)階段來看，現(xiàn)代汽車普遍采用的系統(tǒng)主要是中央控制系統(tǒng)或部分分布式系統(tǒng)。ECU是獨立于設(shè)備的，所需導(dǎo)線數(shù)量大而且線路布局非常復(fù)雜[4]。在IEED系統(tǒng)中，ECU的位置是由系統(tǒng)局部控制要求決定的，而不是由功能或其他因素決定的。在這種情況下，ECU集成在設(shè)備中，而不是單獨獨立設(shè)置安裝。IEED系統(tǒng)是一個完全分布式的系統(tǒng)，因為每個ECU都位于或集成在相應(yīng)的設(shè)備中。

IEED系統(tǒng)給出了一個全新的體系結(jié)構(gòu)。每個設(shè)備都是智能設(shè)備，具有自我控制、自我診斷和數(shù)字通信功能。設(shè)備的接口可以標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)內(nèi)所有電線均按信號傳輸用途或供電用途分類。該系統(tǒng)可實現(xiàn)信息共享、傳感器數(shù)據(jù)融合、多模式操作和診斷。

2.2智能化電氣電子設(shè)備

本文將集成ECU和網(wǎng)絡(luò)接口的電氣設(shè)備視為智能設(shè)備，被稱為智能電氣電子設(shè)備（intelligent electric & Electronic device，簡稱IEED）。數(shù)字信號處理能力和網(wǎng)絡(luò)接口是IEED的主要特點。智能傳感器可以作為IEED的一個很好的范例。該智能傳感器不僅集成了預(yù)處理電路，而且還集成了處理器。模擬信號經(jīng)過預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過I2C、SPI等網(wǎng)絡(luò)接口傳輸出去。本文采用LIN和CAN兩種方法。在未來，隨著IEED的智能化程度的提高，可能還會實現(xiàn)自校準(zhǔn)、自配對、自診斷、自測試等智能功能。有些IEED包含一個負載，有些則包含多個負載和傳感器。例如智能雨刷包含一個雨水傳感器和一個雙速電機，而智能前照燈只有一個負載。但是無論是簡單的還是復(fù)雜的IEED都是完全相同的。

2.3系統(tǒng)核心設(shè)備

本論文提出的新型汽車電氣系統(tǒng)的核心組件主要有四個部分，分別為：中央?yún)f(xié)調(diào)器、電力管理子系統(tǒng)、車載電腦、通信網(wǎng)關(guān)。下面簡要概述這四個核心組件的基本概念和作用。

（1）中央?yún)f(xié)調(diào)器

中央?yún)f(xié)調(diào)器是IEED系統(tǒng)中一個獨特的設(shè)備。在傳統(tǒng)的部分分布式系統(tǒng)中，每個ECU只執(zhí)行控制回路的一部分。電氣系統(tǒng)的整體可靠性較低。由于每個ECU都依賴于其他ECU的輸出，如果其中一個ECU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就會出現(xiàn)故障。在IEED系統(tǒng)中，中央?yún)f(xié)調(diào)器主要負責(zé)車輛區(qū)域控制回路。在中央?yún)f(xié)調(diào)器保持控制回路的同時，IEED提供傳感器數(shù)據(jù)或接收執(zhí)行器命令。由于協(xié)調(diào)器獨立于單個IEED，系統(tǒng)冗余度大大增強，當(dāng)相應(yīng)的IEED失效時，會給出默認控制值。

（2）電力管理子系統(tǒng)

在不久的將來，在汽車上會引入混合電壓供電系統(tǒng)，并且與12V/24V/36V系統(tǒng)共存。電力管理子系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與負載之間起著重要的作用。在IEED系統(tǒng)中，可能需要額外的穩(wěn)定低壓電源（5V或12V）。為了在惡劣的電氣環(huán)境中保持電氣系統(tǒng)工作穩(wěn)定，必須仔細設(shè)計集成配套電路（ICC）。一種可行的方法是增加一個穩(wěn)定的電源用于ICC的使用。

電池的荷電狀態(tài)（SOC）應(yīng)進行實時監(jiān)測，并保持在一定水平上，以確保每一次電氣系統(tǒng)的成功啟動。同時過電流保護應(yīng)進行精心設(shè)計。智能電力電子技術(shù)可應(yīng)用于ICC，但在對地情況下，電力線只能由電力管理子系統(tǒng)保護。在考慮過電流保護的性能時，可以考慮以下幾個方面：選擇性、快速性、靈敏度和可靠性。

（3）車載電腦

現(xiàn)在，司機需要的信息越來越多。導(dǎo)航、娛樂、遠程信息、遠程診斷、移動和緊急服務(wù)將整合到一個系統(tǒng)中。車載計算機在集群有限的情況下不可或缺?，F(xiàn)在國內(nèi)外汽車生產(chǎn)企業(yè)都開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的車載電腦操作系統(tǒng)，顯著提升了駕駛員的駕駛安全性和娛樂性。

（4）通信網(wǎng)關(guān)

在許多分布式系統(tǒng)中，一個ECU既是控制器又是網(wǎng)關(guān)。在IEED系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)僅用于消息路由。它具有到兩個網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口。所以它可以是特定于應(yīng)用程序的產(chǎn)品。IEED系統(tǒng)中CAN/LIN、CAN/CAN和FlexRay/CAN的網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用可配置設(shè)計。也就是說，CAN/LIN網(wǎng)關(guān)可以用于LIN網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)需要連接的任何地方。

3集成配套電路模塊設(shè)計

從廣義上來說，車輛電氣電子設(shè)備是指車輛中所有需要電線的高壓或低壓元件和儀器，如：電氣負載、電子控制單元、傳感器、開關(guān)等。為了使設(shè)備智能化，增加了一個特殊的電路。該專用電路包括微控制器、通信收發(fā)器等電路，稱為集成配套電路（ICC）。模塊化設(shè)計方法是一種進行智能化設(shè)計的有效方法。ICC可以分為幾個模塊，這些模塊可以擴展使用。因此我們可以將需求仔細分類，通用模塊被抽象出來。然后設(shè)計可重復(fù)使用的電路模塊。

所有的需求被分為五種類型，通常具有相同的ICC。1.開關(guān)電氣裝置：是電機和其它電阻負載最簡化的執(zhí)行機構(gòu)。將在ICC中增加一個高側(cè)MOSFET或橋式驅(qū)動電路。2.開關(guān)：一種兩種狀態(tài)傳感器，在汽車中廣泛使用。按鈕是基本形式，旋鈕、電磁開關(guān)或氣動開關(guān)等是廣泛的形式。3.傳感器：一般模擬傳感器在汽車中可分為電壓輸出傳感器和頻率輸出傳感器。電壓輸出傳感器可在汽車中找到，如電阻傳感器、磁電傳感器、霍爾傳感器等。在AD轉(zhuǎn)換之前，這類信號最常用的是運算電路、低通濾波器和惠斯通電橋。同時利用單片機的輸入捕獲模塊對頻率輸出信號進行計數(shù)。4.電子控制系統(tǒng)：發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、自動變速器（AT）、電子穩(wěn)定程序（ESP）、主動懸架等。5.電池和發(fā)電機：系統(tǒng)的動力源。我們采用了電力管理系統(tǒng)，使其智能化。接口標(biāo)準(zhǔn)化是一項非常重要的工作，因為它使系統(tǒng)具有成本效益。IEED系統(tǒng)試圖標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備接口，使其成為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，連接器中的插腳也被定義為特定用途。

4結(jié)論

本文提出了一種完全分布式的系統(tǒng)—IEED系統(tǒng)，我們認為這是未來汽車電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了提高系統(tǒng)的成本效益，采用模塊化設(shè)計方法。該系統(tǒng)需要電力管理系統(tǒng)，并采用過電流保護方法。隨著車載計算機系統(tǒng)的日益復(fù)雜，可靠性可能成為一個問題。軟件和硬件復(fù)雜度較高所帶來的技術(shù)風(fēng)險增加了。IEED系統(tǒng)在設(shè)計過程中也需要解決這些問題。

參考文獻

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作者簡介：

姓名：羅煌，性別：男，民族：漢，籍貫：湖南長沙，學(xué)歷：碩士研究生，出生年月：1989年11月，工作單位：湖南中車智行科技有限公司，職稱：助理工程師、主要研究方向或從事工作：車輛電氣設(shè)計，郵編地址：410006