大眾ID.4車電氣聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)淺析

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫汽車工程分院 譚 婷

1 E3架構(gòu)總線簡介

大眾ID.4車是大眾品牌首款基于MEB平臺(tái)（模塊化電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，用于純電動(dòng)汽車的制造平臺(tái)，能夠兼容不同級(jí)別車型，并根據(jù)需求調(diào)校出差異化的續(xù)航里程）打造而來的全球首款純電動(dòng)SUV車型，其電氣化邁入全新的E3架構(gòu)（圖1）階段，總線通信速率提升，控制域更清晰；E3架構(gòu)屬于三域電子架構(gòu)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，即3個(gè)中央控制單元：ICAS1（J533車輛控制器）、ICAS3（J794信息娛樂控制器）、ICAS2（智能駕駛控制器，目前還未采用，為L4級(jí)別車輛配備的）；目前使用的是1.1版本，采用集中控制方式，控制單元集成化，通信速度更快，數(shù)量更少，算力更高。

2 中央控制單元ICAS

ICAS（車載應(yīng)用程序服務(wù)器）是中央控制單元/服務(wù)器，它結(jié)合了大量的基本服務(wù)和車輛功能并控制其他車輛系統(tǒng)?？蛻艄δ芗性诜?wù)/服務(wù)器層級(jí)，從而與外圍設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）的功能分開。這意味著，不必由連接有傳感器的控制單元提供計(jì)算能力，而是由 ICAS 提供。因此，這類中央控制單元可以在多個(gè)診斷地址下作出響應(yīng)，從而在將來減少了控制單元的數(shù)量。ICAS按照“分布式功能”原理，采用幾個(gè)控制單元負(fù)責(zé)一個(gè)功能。ICAS技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和用于客戶車輛中軟件更新（計(jì)算機(jī)層級(jí)的車載測試儀和客戶功能）的前提條件，因此無需到訪維修站或不再需要汽車故障診斷儀。

2.1 ICAS1車輛控制器（J533）

ICAS1車輛控制器（J533）是位于數(shù)據(jù)總線診斷接口地址19下的微控制器（診斷），通常主要負(fù)責(zé)最多8個(gè)不同CAN消息的實(shí)現(xiàn)/鏡像。此外，中央控制單元還集成了負(fù)責(zé)大量其他功能的高性能微處理器（性能處理器），包括防盜鎖止系統(tǒng)、組件保護(hù)、防盜報(bào)警裝置、Kessy自適應(yīng)/中央門鎖、調(diào)光、疲勞識(shí)別系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、駕駛模式選擇、續(xù)航里程計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)車外照明燈、離車方案、顯示協(xié)調(diào)器、時(shí)間周期、駐車協(xié)調(diào)器、低電壓電源管理系統(tǒng)、高電壓電源管理系統(tǒng)、高電壓充電管理、接線端控制、可訂購的功能主控制器等主控制器。在控制器本身層級(jí)上，此處理器還配備了2個(gè)用于MFL和AFS CAN的CAN收發(fā)器。為此，ICAS1車輛控制器（J533）再次在內(nèi)部劃分為4個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都可以通過單獨(dú)的診斷地址（8123、8124、C002、C003）進(jìn)行尋址。這些分區(qū)具有下述與車輛或客戶功能有關(guān)的任務(wù)。

（1）Adaptive系統(tǒng)1的應(yīng)用程序服務(wù)器1（8123）。它為ICAS3的3個(gè)顯示器的服務(wù)器/CAN準(zhǔn)備顯示數(shù)據(jù)、車輛定位（用于遠(yuǎn)程服務(wù)和功能的位置）、控制充電管理服務(wù)器（用于充電程序、充電計(jì)時(shí)器、充電配置文件）和在線服務(wù)的消息存儲(chǔ)器。

（2）Java系統(tǒng)2的應(yīng)用程序服務(wù)器1（8124）。它為車載測試儀（目前在此協(xié)調(diào)控制單元的升級(jí)程序）、診斷服務(wù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器，控制車輛充電或溫度調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程服務(wù)。

（3）嵌入式軟件集群1（C002）。它負(fù)責(zé)個(gè)性化管理、復(fù)雜車燈系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)車燈輔助系統(tǒng)、矩陣前照燈控制，具有為 ICAS3準(zhǔn)備備份記錄和存儲(chǔ)功能的里程計(jì)數(shù)器。

（4）軟件集群內(nèi)務(wù)1（C003）。它是性能處理器的“管家”，控制基礎(chǔ)設(shè)施和IP路由。

2.2 ICAS3信息娛樂控制器（J794）

ICAS3信息娛樂控制器（J794）主要側(cè)重于信息娛樂系統(tǒng)、車輛設(shè)置、診斷及導(dǎo)航服務(wù)，側(cè)重于互動(dòng)體驗(yàn)，通過不同的顏色、動(dòng)態(tài)燈光信號(hào)給駕乘者提供操控狀態(tài)反饋。處理器分為 2個(gè)分區(qū)——5F、8125。

（1）信息娛樂系統(tǒng)電子裝置1（安全分區(qū)5F）是主要聯(lián)系人，并且在原則上包含應(yīng)在啟動(dòng)時(shí)盡快提供給客戶的所有功能：針對(duì)中央顯示屏、組合儀表（iID）和平視顯示器（HUD）的顯示控制系統(tǒng)（包括安全帶未系警示消息、電量表、保養(yǎng)周期顯示、消耗量），控制顯示語言，倒車攝像頭的視頻解碼，控制ID Light，控制音頻驅(qū)動(dòng)程序（例如儀表板警告音、外置聲音放大器），車輛狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（行程計(jì)算機(jī)），診斷服務(wù)的服務(wù)器。

（2）信息娛樂系統(tǒng)的系統(tǒng)1應(yīng)用程序服務(wù)器3（8215）是所謂的IVI或“車載信息娛樂系統(tǒng)”，它包括內(nèi)存和計(jì)算密集型功能：導(dǎo)航系統(tǒng)，收音機(jī)/媒體、音頻管理、智能手機(jī)集成，觸摸操作、語音操作，互聯(lián)網(wǎng)、WLAN、USB接口，應(yīng)用程序等。相比之下，它們需要更多的啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間。

除了CAN收發(fā)器之外，ICAS3還具有一個(gè)圖形處理器（GPU），該圖形處理器作為LVDS總線參與者的網(wǎng)關(guān)和處理器。

3 網(wǎng)線總線架構(gòu)

傳統(tǒng)架構(gòu)中主要以CAN協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，其中500 kbit/s的速率限制了MEB平臺(tái)車輛的發(fā)展。新的網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)，采用了“CAN+車載以太網(wǎng)”雙主干網(wǎng)線總線架構(gòu)。9組CAN網(wǎng)絡(luò)，5組CAN FD（FD為可變的數(shù)據(jù)速率），通信速率最高可達(dá)2 Mbit/s，其余4組CAN網(wǎng)絡(luò)通信速率為500 kbit/s。以太網(wǎng)可配置不同的通信速率，在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)從100 Mbit/s到最大1 Gbit/s的高速傳輸。

3.1 CAN FD總線

CAN FD總線是進(jìn)一步開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議。使用CAN FD的前提是在相應(yīng)控制單元中安裝了新的 CAN FD收發(fā)器。與使用數(shù)據(jù)傳輸階段相比，在仲裁和確認(rèn)階段采用了不同的數(shù)據(jù)速率。也就是說，它們必須在一條和同一條消息中將仲裁階段的“低”數(shù)據(jù)速率（500 kbit/s）在使用數(shù)據(jù)傳輸期間無縫切換到2 000 kbit/s的高速率。相反，這在過渡到確認(rèn)階段時(shí)也是必要的。

通過在仲裁和確認(rèn)期間保持500 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，CAN總線的物理特性在很大程度上保持不變，例如信號(hào)電平、線路反射或終端電阻。與經(jīng)典版CAN一樣，隱性電平保持在2.5 V，顯性電平保持在3.5 V（高）和1.5 V（低）；在500 kbit/s的速度時(shí)，一個(gè)比特位的傳輸時(shí)間為 2 μs，在 2 Mbit/s時(shí)為500 ns（圖2）。

圖2 CAN FD總線波形物理特性（截屏）

因此當(dāng)CAN FD總線系統(tǒng)導(dǎo)線短路、斷路或網(wǎng)關(guān)中出現(xiàn)故障，一樣可以結(jié)合CAN的物理特性進(jìn)行故障診斷。出現(xiàn)不同故障時(shí)波形是不一樣的，可以通過測量波形進(jìn)行故障診斷。當(dāng)CAN-H和CAN-L波形重疊且為0 V時(shí)，說明2根線處于休眠狀態(tài)，無故障；當(dāng)CAN-H和CAN-L波形重疊且為2.5 V左右時(shí)，診斷為線路互短故障（圖3）；當(dāng)其中一個(gè)波形采集出靠近0 V變化，另一個(gè)波形為0 V時(shí)，診斷為0 V總線對(duì)搭鐵短路（圖4和圖5）；當(dāng)其中一個(gè)波形采集出靠近蓄電池電壓變化，另一個(gè)波形為蓄電池電壓時(shí)，診斷為蓄電池電壓的波形對(duì)蓄電池電壓短路（圖6和圖7）。對(duì)于總線斷路故障，可以直接使用萬用表通過電阻法判斷導(dǎo)線通斷即可。

圖3 CAN-H和CAN-L互短（截屏）

圖4 CAN-H對(duì)搭鐵短路（截屏）

圖5 CAN-L對(duì)搭鐵短路（截屏）

圖6 CAN-H對(duì)電源短路（截屏）

圖7 CAN-L對(duì)電源短路（截屏）

3.2 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一項(xiàng)使用電纜連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ICAS1中集成了以太網(wǎng)的主控單元，可實(shí)現(xiàn)從100 Mbit/s到最大1 Gbit/s的高速傳輸。針對(duì)以太網(wǎng)通信，OBD診斷接口重新分配了插針3、8、11、12 和13。如圖8所示，本車型采用了3種以太網(wǎng)連接類型。ICAS1與診斷接口之間通過2個(gè)沒有附加屏蔽層的雙絞線連接，可以實(shí)現(xiàn)同步雙向通信。ICAS1與ICAS3之間的導(dǎo)線帶有屏蔽層，具有啟用導(dǎo)線功能。

圖8 以太網(wǎng)連接類型

綜上所述，在厘清了大眾ID.4電氣聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后，結(jié)合電路圖分析具體針腳定義就能進(jìn)行車輛相關(guān)故障診斷與排除。當(dāng)出現(xiàn)電氣故障時(shí)，可以通過多個(gè)控制單元無法通信來判斷是否為總控共性故障；再通過采集總線波形可進(jìn)一步判斷是總線故障還是總供電或總搭鐵故障；再進(jìn)一步通過萬用表測量電壓、電阻等方法進(jìn)行線路判斷。如以上線路都沒問題，則更換控制單元或電氣組件。