本文是作者在九章智駕上發(fā)布的第三篇文章,前兩篇分別為《干掉保險絲和繼電器,自動駕駛才能更安全》和《特斯拉為什么要“干掉”保險絲和繼電器?》。
前言:
車輛的智能化也必將驅(qū)動電氣架構(gòu)的智能化,而智能電氣架構(gòu)又將反過來助推車輛智能化的發(fā)展,這個未來也將由我們這代汽車人親手來實現(xiàn)。
本文將以自動駕駛技術(shù),或者說智能化給傳統(tǒng)商用車電氣架構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)為切入點,分析智能化是如何驅(qū)動商用車電氣架構(gòu)發(fā)展的,以及智能化的電氣架構(gòu)作為車輛的基礎(chǔ)設(shè)施,還將給商用車行業(yè)帶來哪些影響。比如,OEM軟件能力和品牌價值的提升;比如,推動OEM從車輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉(zhuǎn)變等。
搞商用車自動駕駛的小伙伴們可能一直關(guān)注的是傳感器、芯片、算法啥的,對商用車電氣架構(gòu)這塊兒還不怎么了解。文中將普及一些基礎(chǔ)的卡車電氣原理,包括配電盒、電氣控制、線束等,以便于大家更好地理解,這樣,大家至少在和OEM進行技術(shù)對接時不至于被人當(dāng)成“小白”,或者在遇到問題需要“撕”的時候能夠派上一點用場,也算是這篇文章的一點價值吧。
現(xiàn)在談車輛電子電氣架構(gòu)的文章可以說是汗牛充棟,鋪天蓋地,但凡是汽車行業(yè)的,都能跟你聊幾句架構(gòu),但筆者認為,目前談的架構(gòu)大都虛的多,實的少,理論多,能指導(dǎo)你落地的少。筆者也參加了不少類似的會議,大家都在反復(fù)引用博世的那張圖,動輒就是算力、10G以太網(wǎng)、中央計算,似乎離了這些,架構(gòu)就沒法玩了。
另外,商用車架構(gòu)似乎都被大家選擇性地忽略了。筆者一直認為高等級自動駕駛技術(shù)率先落地的一定是商用車,而非乘用車。在此前的《特斯拉為什么要“干掉”保險絲和繼電器?》一文中,我們已經(jīng)對傳統(tǒng)配電和智能配電技術(shù)進行了深入分析,雖涉及了一點商用車,但側(cè)重點仍在乘用車,而本文將基于前文,著重探討商用車電氣架構(gòu)。
車輛電子電氣架構(gòu)EEA(Electronic Electrical Architecture)一般指網(wǎng)絡(luò)拓撲、電氣拓撲和邏輯架構(gòu)的集合,傳統(tǒng)電氣架構(gòu)僅側(cè)重于電氣拓撲,而基于MOS技術(shù)的智能電氣架構(gòu)則可以融合網(wǎng)絡(luò)和邏輯拓撲,這進一步模糊了電子和電氣的界限。
講到這里就順便講一下車輛的電氣化。車輛的電子化和電氣化都在進行,電氣化是通往智能化的第一步,電氣化了才能電子化,進而智能化。
其實智能化的本質(zhì)就是可控制、可感知、可進化,用專業(yè)術(shù)語說就是可控、可診斷、可編程/可配置、可聯(lián)網(wǎng)。從飛機的拉線控制到電傳操縱,到現(xiàn)在火熱的線控底盤,從我們打方向、剎車靠人力(機械)到電助力(電氣)到線控(智能),整體發(fā)展思路是一致的,所有智能化,網(wǎng)聯(lián)化的基礎(chǔ),都是電子化。我們以卡車的電源總開關(guān)進行舉例:
電氣化、電子化、智能化的發(fā)展趨勢(來源:左成鋼)
未來能夠電氣化的一定會電氣化,能電子化的電氣部件,也一定會電子化,電子和電氣的界限會越來越模糊,你中有我,我中有你,但智能化的方向是不變的。
扯遠了,我們拉回來。按照慣例,我們分析一個東西,一定要分析它的前世今生。我們先普及一下商用車的基本特點,便于小伙伴們理解,然后再看商用車電氣架構(gòu)的發(fā)展歷史。
一.商用車基本的特點
搞乘用車的小伙伴可能不太了解商用車,商用車整體的電子電氣技術(shù)是落后于乘用車的。筆者總結(jié)了商用車的一些特點:
東風(fēng)天龍銷量(來源:東風(fēng)商用車)
01、運行時間長
雖然設(shè)計生命周期都是15年,但是商用車的運行時間要遠大于乘用車。商用車是用來賺錢的,除了裝卸貨,就是跑,放那兒停著就是虧錢,況且很多還是貸款買的。中國70%以上的卡車是個體戶,跑長途就是兩個人輪流開,人歇車不停。
02、可靠性要求高
乘用車壞了是耽誤事,卡車壞了就是耽誤錢。
03、車型多,單車型量小
全球范圍內(nèi),商用車的量不到乘用車的1/2,中國在1/4左右;此外,商用車的細分車型極多。以東風(fēng)天龍為例,東風(fēng)天龍15年累計銷售104萬輛,細分車型1172款,平均下來一個車型不到900臺,一年不到60臺。
因為量小,Tier 1不好配合新開發(fā),這就會產(chǎn)生很多問題,如設(shè)計上無法像乘用車一樣定制化,只能用通用品。“通用品”的意思就是“能用,但不好用”,只能湊合著用,因為不同車型的需求差異可能很大,需要設(shè)計更改的地方較多。比如通用設(shè)計的一個信號是高,要改成低,你不可能讓Tier 1給你改,改你也來不及啊,還不如自己加個繼電器給轉(zhuǎn)一下快一點。
04、電氣設(shè)計裕量大,成本高
因為設(shè)計時就考慮到車型多,通用性、兼容性設(shè)計就很重要,就會導(dǎo)致設(shè)計裕量大,預(yù)留多,成本相應(yīng)會增加。
商用車線束設(shè)計考慮到機械強度和可靠性,一般沒有低于0.5mm2的,客車甚至0.75mm2起步。線束成本核算較粗放,精細化程度不夠——線束算是勞動密集型產(chǎn)品,因為量小,改動多,線束廠不好核算成本,可能直接就按重量算了。
05、電氣設(shè)計較粗放
因為車型多,負載類型多,不確定性較高,不可能也沒條件進行精細化設(shè)計,有些負載連供應(yīng)商自己都不搞清楚其電氣特性。
06、整車零部件及需求多
商用車,特別是牽引車,整車零部件比乘用車更多,僅車燈就比乘用車多出來不少,還有很多零部件及需求是乘用車根本沒有的,比如緩速器、發(fā)動機預(yù)熱、后處理等,就像很多小伙伴可能在加油站看到賣尿素的還奇怪是干嘛用的,那其實是給卡車后處理用的。
07、用戶改裝需求多,電氣安全隱患大
商用車,特別是貨車、客車,用戶改裝需求很大,貨車加個駐車空調(diào),改個燈都是常規(guī)操作。
08、新技術(shù)應(yīng)用慢
商用車的整車電氣環(huán)境復(fù)雜,整體較乘用車差,電子化、智能化程度偏低,新技術(shù)應(yīng)用慢。比如乘用車常見的PEPS一鍵啟動,卡車裝車量極少。
09、改型周期短,任務(wù)重
新車型小改一下,周期可能就是幾個月,更改驗證的工作量很大。在這里要心疼一下搞商用車的小伙伴們,你們心里苦啊,這個苦是搞乘用車的人體會不到的,希望未來的智能電氣架構(gòu)能夠拯救你們一下。
車型 |
壽命 |
運行時間 |
停車 時間 |
啟動次數(shù) |
公里數(shù) |
質(zhì)保 |
乘用車 |
15 年 /131400 小時 |
10,000小時 約2 小時/天 |
121,400 小時 |
10萬次冷啟動,其中 1/30為熱啟動,約20 次/天 |
50萬 Km |
3 years/ 60,000km |
卡車 |
15 年 / 131400 小時 |
50,000小時,約8 小時/天 |
81,400 小時 |
10萬次冷啟動,其中 1/30為熱啟動,約20 次/天 |
2,00萬Km。 拖車4,00萬Km,約6萬Km/月 |
18個月/ 5萬Km(*依OEM及車型有差異) |
整車生命周期維度對比(來源:英飛凌)
二.傳統(tǒng)商用車的電氣架構(gòu)
好了,大家已經(jīng)對商用車有了一個初步的了解,書歸正傳,我們看一下傳統(tǒng)商用車的電氣架構(gòu),其主體就是配電盒。按老規(guī)矩,先上圖,這樣方便大家有個直觀感受。
卡車底盤配電盒(來源:網(wǎng)絡(luò))
卡車駕駛室配電盒(來源:網(wǎng)絡(luò))
是不是感覺沒一點技術(shù)回含量?傻大黑粗,構(gòu)造簡單,一點都不高科技,一堆的保險絲和繼電器,淘寶上都有賣的,底盤配電盒一百多塊錢,還包郵。但你可別小看它,整車所有的電源和大多數(shù)控制都來自于這里,給你列一些看看:
配電盒 |
屬性 |
保險絲/繼電器 |
功能 |
|
底盤 |
B+ |
保險絲 |
30A |
遙控門鎖 |
底盤 |
30+ |
保險絲 |
80A |
|
底盤 |
30+ |
保險絲 |
30A |
發(fā)動機ECU |
駕駛室 |
IGN1 |
保險絲 |
5A |
發(fā)動機ON |
駕駛室 |
30+ |
保險絲+繼電器 |
10A |
遠光燈 |
駕駛室 |
30+ |
保險絲 |
15A |
ABS |
保險盒功能舉例
看到?jīng)]?無論哪一個出問題,你的車就跑不了了。
卡車的配電盒和乘用車差不多,一般都是分前后兩級:一級裝在蓄電池邊上,一般都有一個手動電源總開關(guān),長時間停車需要關(guān)掉,避免耗電,否則,蓄電池一旦虧電,下次就啟動不了了;二級配電盒裝在駕駛室里面,也叫駕駛室配電盒,或者中央配電盒。
下面我們再看它的電氣原理,你只要初中物理還沒還給老師,應(yīng)該就能看懂。
傳統(tǒng)卡車配電盒電氣原理簡圖(來源:左成鋼)
我們來解釋一下基礎(chǔ)的東西:
1. 商用車蓄電池電源一般分兩種,直接連蓄電池的叫B+,也叫常電,類似于乘用車的常電KL30,除了拆電瓶線或蓄電池,永遠有電,無法關(guān)閉。
2. 經(jīng)電源總開關(guān)的叫30+,也叫總閘電、受控電,合上電源總開關(guān)就有電,關(guān)掉總開關(guān)就沒有了。Tier 1的小伙伴們不要和乘用車的KL30搞混了,如果你想要停車后還有電,而OEM圖紙上寫的是30+,那你就要再確認一下了。
3. 商用車因為底盤配電盒距離駕駛室較遠,點火鎖檔位(OFF、ACC、ON、START)的分電繼電器(圖中藍框虛線部分)很多就放到了駕駛室配電盒里面,這樣離點火鎖更近,拉的線就更近了。
4. 比起乘用車的發(fā)動機艙配電盒,商用車底盤配電盒一般東西不多,都是大板式保險,很多連繼電器都沒有。當(dāng)然了,這個因車型而異,底盤功能多的,配電盒也就復(fù)雜些,不能一概而論。
5. 底盤配電盒拉到駕駛室會有很多根電源線,包括B+和30+,考慮到電流和強度,一般都是到4mm2~6mm2的,到駕駛室配電盒再經(jīng)不同的小保險絲分出去給負載供電,需要控制就再加繼電器。底盤配電盒就像小區(qū)的配電柜,駕駛室配電盒就像家里的弱電配電箱,你家里進線也就是一根4平方線,但是駕駛室有好多根。
分析完了傳統(tǒng)商用車的電氣架構(gòu),大家是不是覺著這就不是個架構(gòu)???這就是個配電??!沒錯,你有這種感覺那就對了。
前面咱也說了,技術(shù)要一點點進步,飯要一口口吃。就基于這個現(xiàn)狀,你就想上區(qū)架構(gòu)、中央計算?肯定不行!基于目前商用車電氣架構(gòu)的現(xiàn)狀,我們要先建設(shè)一些基礎(chǔ)設(shè)施,而電氣架構(gòu)就是這個基礎(chǔ)設(shè)施。
三.自動駕駛需要什么樣的電氣架構(gòu)?
好了,傳統(tǒng)電氣架構(gòu)(姑且稱其為架構(gòu)吧)已經(jīng)分析完了,那么它能夠滿足未來智能化的需求嗎?自動駕駛需要什么樣的電氣架構(gòu)呢?
你會說“這不廢話嗎,肯定是需要智能電氣架構(gòu)啊”。前面我說過,所有不以真實功能需求驅(qū)動的技術(shù),都是耍流氓,我們不能為了智能化而智能化,功能需求肯定是第一驅(qū)動力。
我們轉(zhuǎn)換一下角色,從自動駕駛的角度出發(fā),看它的核心需求是什么?最后你會發(fā)現(xiàn),其實只有四個字:安全可控;安全、可控是基本需求,可控還包含了功能需求。因為車上有人,而路上也有人,所以“安全可控”四個字我們可以稱之為自動駕駛的“元需求”,基于這個需求,我們可以推導(dǎo)出來以下需求:
1. 為了安全,需要增加冗余,包括供電冗余和控制冗余;
2. 為了安全,可能要采用更安全的新技術(shù)方案替代現(xiàn)有技術(shù)方案;
3. 為了可靠,需要實時監(jiān)控,能監(jiān)控的維度越多越好;
4. 有了監(jiān)控,就需要故障預(yù)警、故障診斷,為了故障預(yù)警和診斷,就需要聯(lián)網(wǎng);
5. 為了安全可靠,還需要做到可控,比如故障線路的及時切斷、隔離,以及故障解除后的功能自動恢復(fù);
6. 為了可控,以前不需要控制的,現(xiàn)在需要控制了;
7. 為了功能持續(xù)迭代,還需要支持OTA升級;
8. 為了滿足潛在的功能不確定性,就需要回路單獨可控,進而才能支持可配置、可編程、可升級、可迭代。
好了,分析到這里,小伙伴們有沒有發(fā)現(xiàn),這和前面我們講的“電氣化 → 電子化 → 智能化”最后提煉出來的“可感知、可控制、可進化”,其本質(zhì)是一樣的?如果一個架構(gòu)具備了以上特征,那我們就可以稱其為“安全的智能電氣架構(gòu)”了,畢竟誰也不希望時速120Km時斷電吧。
好,有了具體需求了,我們再繼續(xù)分析,怎么來實現(xiàn)這個智能電氣架構(gòu)。
常規(guī)做法一般是基于現(xiàn)有電氣架構(gòu),看怎么進行升級改造,使其滿足我們的需求。前面我們已經(jīng)對現(xiàn)有電氣架構(gòu)進行過分析了,我們看一下怎么對其進行升級改造:
1. 冗余供電:多加個保險;2. 冗余控制:多加個繼電器;3. 線路單獨可控:需要的都加上繼電器;4. 實時監(jiān)控:保險絲、繼電器增加電壓、電流監(jiān)控功能;5. 故障診斷:增加診斷功能;6. 聯(lián)網(wǎng):增加通信;…………………….
你要是電氣工程師,后面你肯定會瘋掉的,今天這里拉根線,明天那里加個繼電器,后天再改個功能。“今日改五線,明日改十線,然后得一夕安寢。起視四境,而產(chǎn)品經(jīng)理又至矣”。雖然現(xiàn)有的電氣架構(gòu)掙扎一下還能再戰(zhàn)三五年,但改到最后,復(fù)雜度會越來越高,電氣設(shè)計工程師會越來越痛苦,從長期看,這種改造之路是行不通的。
電氣架構(gòu)的作用(來源:網(wǎng)絡(luò))
就像19世紀的人說他想要一輛更快的馬車,你再加匹馬來讓它更快,這個方向注定走不遠。但也不可能把車輪子拆了,加上翅膀,改成飛機,因為現(xiàn)實條件也不允許。所以,我們必須基于現(xiàn)有的電氣架構(gòu),“輪子”還要保留,然后在此基礎(chǔ)上升級改造。
我們看一下需要對現(xiàn)有的架構(gòu)怎么進行改造:
1.維持現(xiàn)狀的部分:保留底盤配電盒和駕駛室配電盒的前后兩個配電盒設(shè)計;蓄電池和發(fā)電機/DC-DC直接接入底盤配電盒,接法不變。
2.升級的部分:電子器件替代保險絲和繼電器技術(shù)進行控制及保護,電氣設(shè)計改為電子設(shè)計;電子化后,增加診斷和聯(lián)網(wǎng)功能,集成一些輸入信號檢測等,OTA升級就水到渠成了。
基于以上假設(shè),下面給出一種商用車智能電氣架構(gòu)的實現(xiàn)方式。我們來看一下新的架構(gòu):
商用車智能電氣架構(gòu)原理簡圖(來源:左成鋼)
傳統(tǒng)卡車配電盒電氣原理簡圖(來源:左成鋼)
為了方便大家對比,我把傳統(tǒng)架構(gòu)再放過來一下。
小伙伴們有沒有發(fā)現(xiàn),如果說傳統(tǒng)架構(gòu)電氣圖還需要一些“初中物理知識”,那智能架構(gòu)就連這個也不需要了。沒有了繼電器的邏輯之美,也沒有了復(fù)雜的電源分配,智能化的電氣架構(gòu),就是這么單調(diào)、枯燥、且乏味,就像智能機連優(yōu)美的機械鍵盤都沒有了,像板磚一樣枯燥。
好了,現(xiàn)在我們來對比一下智能電氣架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)的差異:
1. 每路單獨可控,這就表示每條線路都支持單獨編程控制了,這是實現(xiàn)邏輯架構(gòu)的基礎(chǔ)。
2. 每路單獨可控后,功耗控制及能量管理就不是問題了,所以就可以取消電源總開關(guān)了(GB7258規(guī)定大于等于6米的客車不可以取消)。
3. 電源沒有屬性之分了,所有的線路都可以定義為任意供電屬性。過去定義供電屬性的原因就是為了便于管理,現(xiàn)在不需要了。
4. 駕駛室配電盒B+供電不變,但是從多根線變成一根線。比如原來是4根4mm2的線,可能現(xiàn)在要一根10mm2的線就可以了。
5. 引入了通信網(wǎng)絡(luò)。原來的配電盒是沒有網(wǎng)絡(luò)的,而現(xiàn)在離了網(wǎng)絡(luò)的生活你敢想。6. 可監(jiān)控、可診斷。原來的配電盒里都是被動元件,是沒有狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷的,像個黑盒子,現(xiàn)在它可以被感知了,還接入了整車網(wǎng)絡(luò)。
好了,現(xiàn)在這個電氣架構(gòu)是不是就有點“架構(gòu)”的樣子了?電氣拓撲、網(wǎng)絡(luò)拓撲和邏輯架構(gòu)就可以往里面補充了。智能電氣架構(gòu)的配電盒實際上就是一個專門的區(qū)域控制器,安波福稱其為PDC。按照自動駕駛的等級劃分,安波福認為一臺智能汽車往往需要用到2~6個PDC,比如特斯拉Model 3采用的是前、左、右三個分布式區(qū)域控制器。
這里可能有人要問既然是區(qū)域控制器,為什么沒有看到信號采集部分?其實電氣架構(gòu)這一塊兒的難點在于電源分配及控制部分,電子化后的配電盒,集成開關(guān)信號采集或傳感器信號采集是水到渠成的事情,在此就不專門討論了。電氣原理圖里面那我也沒有放信號部分,大家理解就好。
另外再次解釋一下,怕有的小伙伴們不理解,基于MOS的方案包括:MOS分立方案和HSD集成方案(包含eFuse),我們在此統(tǒng)稱MOS方案。
四.智能電氣架構(gòu)帶來的價值
(一)直接價值
智能電氣架構(gòu)帶來的直接價值主要集中在產(chǎn)品功能、可靠性及維護保養(yǎng)成本三個方面。具體地說——
01、產(chǎn)品功能方面
(1)每條線路均可獨立控制。(2)保護功能不限于短路,還有過載、過壓、開路等保護。(3)每條線路均可監(jiān)控,可診斷,不限于電壓,還有電流、溫度等。(4)可設(shè)置休眠時需保持工作的設(shè)備。(5)故障消除后可自動恢復(fù)或根據(jù)需求恢復(fù)。(6)可聯(lián)網(wǎng),信息可實時上傳。(7)控制邏輯可編程,可OTA。(8)自動駕駛狀態(tài)下的整車電源狀態(tài)實時監(jiān)控。(9)無人駕駛車輛遠程電源管理。精確的供電管理及可控的供電時序,這個是智能化的基礎(chǔ),包括未來新能源重卡的電源管理,這一塊兒意義重大。
02、可靠性方面
(1)可實現(xiàn)雙供電電源+雙接線柱輸入的高可靠性。
(2)MOS器件本身的高可靠性。
(3)防護等級提高,更安全。比如原來防護可能只到IP54,現(xiàn)在配電盒可以全密封,一下就到IP67或IP69了,就不可能進水了,這個對商用車惡略的使用環(huán)境來講,也很有價值。
03、運營成本方面
(1)維保提醒、故障預(yù)警,防止車輛運行時出現(xiàn)故障,降低商用車運營成本。(2)長壽命及免維護。這個對商用車來講,價值比乘用車要大得多,可靠性高,維護的少,就意味著故障停車少,可以少耽誤事,多掙錢。
支持未來新能源卡車、高階無人駕駛等技術(shù)對車輛電氣架構(gòu)的需求,包括基本的功能需求及功能安全等級要求等。
(二)間接價值
01、網(wǎng)絡(luò)管理NM設(shè)計優(yōu)化
有一個問題不知道大家深入想過沒有,只要搞汽車電子的就離不開CAN總線,那就會接觸到CAN總線的AUTOSAR/OSEK網(wǎng)絡(luò)管理NM,那為什么要做網(wǎng)絡(luò)管理呢?
我估計你會愣一下,然后說“要控制ECU的休眠喚醒啊”,再問下去你就會發(fā)現(xiàn),最終目的其實是為了控制整車功耗,當(dāng)需要相關(guān)功能時,再讓相關(guān)ECU節(jié)點啟動起來,以節(jié)約電能。
如果你繼續(xù)深究下去,為什么不直接控制ECU呢?前面我們已經(jīng)講過了車上的電源種類,也就那幾種,但實際應(yīng)用需求千差萬別,所以供電管理(上下電時序)及能量管理就會很復(fù)雜,但又不可能每一個供電回路都加一個繼電器控制。在ECU都接入CAN總線以后呢,大家就想到了是不是可以用基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)管理來進行能量管理,因為僅靠供電管理遠遠不夠嘛。
為此甚至還搞出來了更復(fù)雜的PN(Partial Networking)功能,但到現(xiàn)在都很少真的用起來,因為很多傳統(tǒng)ECU的CAN收發(fā)器不支持,換了收發(fā)器又發(fā)現(xiàn)MCU硬件也不支持,你總不可能去換了MCU吧?對于Tier 1來說,換MCU那基本是不可能的,這個打擊面太廣,成本太高。
但到了智能電氣架構(gòu)階段,大家發(fā)現(xiàn),咦,原來的有些做法似乎有點畫蛇添足了啊?太復(fù)雜了不說,細究起來甚至還有點舍本逐末,本末倒置了呢!就比如我們搞了一大套極其復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)管理,最后發(fā)現(xiàn)竟然是為了省電!等一下,你說啥?要省電?這不正是智能電氣架構(gòu)的基本功嗎?智能電氣架構(gòu)最基礎(chǔ)的功能就是可以實現(xiàn)每一個回路電源的單獨控制啊。
言歸正傳,我們先來看一下現(xiàn)在的CAN網(wǎng)絡(luò)管理,按照喚醒方式,一般將ECU網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型劃分為兩大類:本地喚醒與遠程喚醒。
本地喚醒比如采用KL15或其他硬線、傳感器等信號喚醒,這時其實可以將喚醒信號直接接入智能配電模塊,讓配電模塊采集外部信號,來執(zhí)行喚醒邏輯,因為本來KL15等信號也是從配電模塊產(chǎn)生的,甚至KL15都可以取消了,改成虛擬的KL15(ACC、KL30也一樣)。
至于遠程喚醒,支持PN(Partial Networking)會好一些,而對于不支持PN功能的網(wǎng)段,所有ECU同睡同醒,網(wǎng)絡(luò)管理能起到的作用就比較有限。所以,對休眠喚醒速度要求不高的功能,這時候就可以考慮直接斷電,讓智能電氣架構(gòu)來直接實現(xiàn)ECU的電源管理,這樣,大部分原來的CAN網(wǎng)絡(luò)管理職能就直接轉(zhuǎn)移到了電氣架構(gòu)層面了,需要做網(wǎng)絡(luò)管理的節(jié)點就會大幅減少,網(wǎng)絡(luò)管理也可以得到很大程度的優(yōu)化了,工作量也可以大幅降低了,設(shè)計變更也變得更簡單了,因為邏輯上移了嘛。比如座椅控制ECU,到一定條件,比如車速超過20KM/h,直接斷電,功能禁用。如需要停車后延時下電的功能,也可以由電氣架構(gòu)來做這個上下電時序控制。
所以,基于智能電氣架構(gòu)的供電及能量管理策略,是可以實現(xiàn)現(xiàn)有的一部分CAN網(wǎng)絡(luò)管理功能、進而優(yōu)化整車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及降低網(wǎng)絡(luò)通信負載率(商用車網(wǎng)絡(luò)管理做得不好的話,負載率很容易出問題)。當(dāng)然這種設(shè)計思想比較顛覆,還需要OEM和Tier 1一起探索如何進行網(wǎng)絡(luò)管理的優(yōu)化,進而降低整個設(shè)計的復(fù)雜度。
02、指導(dǎo)車輛設(shè)計優(yōu)化,提升OEM品牌價值
汽車產(chǎn)業(yè)作為一個擁有上百年歷史的產(chǎn)業(yè),其很多設(shè)計是有傳承的,傳承的意思就是有延續(xù)性,變動較少。類似于宮廷劇里經(jīng)常出現(xiàn)的“祖宗之法不可違”這句話,這其中是包含了很多前人的智慧的,因為前人不傻,他一定是踩了很多坑,才定下了這個規(guī)矩,是有其道理的,你繼續(xù)用,大概率是沒問題的,因為大家都一直這么用,也沒出問題。
比如你問OEM的電氣,這輛車發(fā)電機保險為什么配125A,他大概率會說“我們一直就這么用的”,從來也沒反饋“燒過”啊,這是沿用設(shè)計。你要問他那配的線束為什么只用16平方,按手冊推薦匹配來看不對啊,125A要配25平方的線啊,他肯定又會跟你說“這是我們的經(jīng)驗,沒問題的,放心”。
你發(fā)現(xiàn)沒有,沿用設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計其實是在缺乏有效數(shù)據(jù)支撐、無法理論計算分析、也無法模擬仿真時的最佳解決方案!就像我們在做電路設(shè)計時,如果WCCA最差情況分析計算不過時,如果你實測可以證明沒問題,或者你有應(yīng)用案例和可靠性數(shù)據(jù)支撐,那也算你過,道理是一樣的。
講到這里你就發(fā)現(xiàn)了,傳統(tǒng)設(shè)計我們?yōu)槭裁炊荚谘赜?,極少改動,因為那里面都是前人經(jīng)驗智慧的總結(jié)和沉淀,是成本和可靠性的均衡。但智能化以后,一切都改變了。我們有了實時監(jiān)控,有了診斷,有了數(shù)據(jù),有了網(wǎng)絡(luò),云端、大數(shù)據(jù)、AI算法。
舉例來講,原來整車的能量管理實際上是很粗放的,因為測不到,測不準(zhǔn),沒聯(lián)網(wǎng),所以用電這一塊兒就是估的,但是數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化以后,我們就可以提高數(shù)據(jù)的顆粒度、數(shù)據(jù)量和實時性了,這時候大數(shù)據(jù)和AI就派上用場了。就好比智能電表、水表普及以后,警察可以利用大數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)用電用水異常來抓毒販;社區(qū)服務(wù)可以根據(jù)用水異常,及時發(fā)現(xiàn)獨居老人的摔倒風(fēng)險一樣。
數(shù)字化及網(wǎng)聯(lián)化以后,OEM可以通過后臺實時獲取車上每一個負載、模塊的電流及整車總電流,獲得整車Load profile數(shù)據(jù),并且還可以按不同的維度來進行分析(具體維度可以參見筆者上篇文章),這些數(shù)據(jù)就可以指導(dǎo)車輛的設(shè)計,比如:
(1)指導(dǎo)整車電平衡設(shè)計;(2)指導(dǎo)整車能量管理設(shè)計;(3)指導(dǎo)整車上下電時序設(shè)計;(4)指導(dǎo)蓄電池、發(fā)電機、DC-DC設(shè)計;(5)優(yōu)化負載選型,線徑、保護電流匹配設(shè)計,降低成本;(6)建立數(shù)據(jù)庫模型(負載維度、功能應(yīng)用維度等),用前期模擬仿真設(shè)計;(7)指導(dǎo)整車電氣設(shè)計,縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本;(8)建立季節(jié)天氣環(huán)境模型,用于模擬仿真設(shè)計。
另外,在提高數(shù)據(jù)的維度、顆粒度、數(shù)據(jù)量和實時性以后,OEM可以通過后臺實時獲取車上每一個負載、模塊的電流及整車總電流,這時候大數(shù)據(jù)和AI就派上用場了,利用能量管理算法就可以實現(xiàn)智能節(jié)能節(jié)油了,或者指導(dǎo)用戶如何優(yōu)化駕駛習(xí)慣,進而實現(xiàn)節(jié)油了。
這時候,OEM就可以通過APP為用戶提供用車建議、維保提醒等,這也可以算是品牌價值的一部分吧,可以作為OEM的營銷亮點,或者品牌溢價吧。所以,從某種意義上講,智能電氣架構(gòu)也算是一種“硬件預(yù)埋”,可以為未來“軟件付費”打下基礎(chǔ)。
03、加速跨域融合及功能迭代
智能電氣架構(gòu)里面,控制和執(zhí)行融合以后,配電盒實際上就是一個專門的區(qū)域控制器了,配電架構(gòu)就變成了功能邏輯架構(gòu)的一部分了,這是實現(xiàn)跨域融合及區(qū)架構(gòu)的基礎(chǔ)。
比如特斯拉的FBCM就做了很多熱管理的工作,包括閥的控制和電機的驅(qū)動,還有空調(diào)的壓力、溫度信號的采集等。LBCM做了左側(cè)燈光、車門車窗控制、座椅調(diào)節(jié),甚至氣囊的控制,而這些功能原本都是有獨立的ECU來執(zhí)行的。
所以ECU功能融合將是一個大的趨勢。首先應(yīng)該是域內(nèi)的功能融合,比如原來都是車身域的燈光、雨刮、門控、座椅等,門控功能集成進去,門控模塊就省了,后面可以跨域到座艙舒適系統(tǒng);比如空調(diào)控制算法可以直接集成進去,空調(diào)控制器就省了,這是不是就有點域融合的意思了。到后面如果OEM的有能力了,或者和Tier 1聯(lián)合開發(fā),就可以放更多動力、底盤的功能進去了,當(dāng)然。這個更多會是執(zhí)行層面的,邏輯可以往上走,便于后期OTA。
還有就是可以做一些酷炫功能,類似于特斯拉用燈光、音樂加鷗翼門跳個舞啊,當(dāng)然商用車我們還是得講實用性,比如做個整車燈光自檢?。ㄔ瓉硎抢^電器控的,沒法做),做個偷油檢測,來個聲光報警啊等等,有了獨立可控的可編程能力,加上OTA,那未來就有無限可能了。
另外就是實現(xiàn)智能化架構(gòu)后,設(shè)計更改速度可以更快,后期迭代速度也相應(yīng)可以更快,更改設(shè)計的成本也會變低。這個對商用車多車型、小批量、開發(fā)周期短的特點來講,價值特別大。比如原來改個控制邏輯,你或者要改線,或者就要改配電盒設(shè)計,反正怎么著都很麻煩,現(xiàn)在你只需要動動鼠標(biāo),重新配置一下就好了。
比如配電部分的電氣設(shè)計,開發(fā)速度可以從原來的一個月縮短到現(xiàn)在的一周甚至更短的時間(整車改款也就幾個月時間),甚至OEM可以脫離Tier 1來自己升級配電及控制邏輯,而不需要依賴Tier 1重新設(shè)計配電模塊,這個與目前在乘用車領(lǐng)域正在發(fā)生的,OEM加大了對軟件能力的建設(shè)和對零部件設(shè)計的參與深度這種現(xiàn)象,整體上趨勢是一致的,包括特斯拉的大部分零部件開始自研自產(chǎn)一樣。
據(jù)筆者了解,在客車領(lǐng)域目前已有一種基于半導(dǎo)體可編程控制的底盤配電盒在大規(guī)模地替代原來的傳統(tǒng)配電盒,雖然成本有所提高,但是對車廠來講,支持現(xiàn)場編程更改設(shè)計邏輯(通過CAN進行配置),極其方便。車廠工程設(shè)計人員甚至已經(jīng)愛上了這種新的設(shè)計模式,可以根據(jù)訂單需求快速變更整車電氣設(shè)計,設(shè)計變更及其簡單,速度快,不需要更改硬件設(shè)計,也不怕設(shè)計錯了,錯了刷個軟件就可以改,而原來錯了就要批量改線了。
04、防火安全性能提高
防火安全對于商用車來講,其實一直都是個問題。商用車不同于乘用車,其應(yīng)用復(fù)雜度要高得多,拉人的客車還好,拉貨的卡車就很復(fù)雜了,新聞也經(jīng)常能見到卡車在高速上著火的報道。火災(zāi)有個問題就是“死無對證”,燒完了以后故障都很難查。
據(jù)有30年車輛火災(zāi)調(diào)查經(jīng)驗的消防專家Randolph Harris,在調(diào)查了超過2500起事件,超過500輛卡車、重型設(shè)備和車輛火災(zāi)后,調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,卡車火災(zāi)的首要原因就是電氣火災(zāi),其次才是縱火(中國應(yīng)該極少)、輪胎和事故。而電氣原因則可以歸結(jié)為以下幾點:
(1) 大功率負載接線松動,接觸不良,接觸點發(fā)熱;(2) 線路老化,線束松動,絕緣磨損,電線破皮,搭鐵短路;(3) 用戶在車上私拉亂接電線,使用超負荷的電器;(4) 保險絲燒了,更換了更大的保險絲,或劣質(zhì)保險絲;(5) 用電器進水,導(dǎo)致電路短路,引燃附近可燃物。
針對以上電氣問題,基于MOS方案的電子化智能架構(gòu)是可以解決大部分、甚至全部問題的,從而可以杜絕電氣火災(zāi),提高車輛的防火安全性能。
比如,對接線柱松動導(dǎo)致發(fā)熱起火的問題,我們可以增加溫度傳感器,這在電子化設(shè)計中很常見。加入傳感后就可以實時監(jiān)測了,線路具備了獨立開關(guān)控制功能,檢測到故障后可以立即關(guān)斷,就避免了事故發(fā)生,同時還可以通過網(wǎng)絡(luò)通信(比如儀表)進行報警,提醒駕駛員故障原因及具體故障線路,便于維修。
線路老化、絕緣磨損,輕微搭鐵等問題,我們可以通過監(jiān)測線路電流來發(fā)現(xiàn)故障,基于歷史數(shù)據(jù)對比,或同等車型應(yīng)用對比。如果是嚴重的搭鐵短路,MOS方案的保護靈敏度是可以做到很高的,并且有短路電流限制,這個在上篇文章有講過。有電流限制就意味著打火小,靈敏度高就意味著打火后就馬上能檢測到,就可以快速保護(保護速度可以達到傳統(tǒng)保險絲的1000倍以上),從而降低了火災(zāi)的風(fēng)險。
類型 |
保護速度 |
精度 |
短路電流限制 |
保險絲/片 |
ms~s級 |
/ |
無,可能高達上百A |
芯片 |
µs~ms級 |
可達0.1A |
有 |
保險、芯片保護特性對比(來源:左成鋼)
用戶在車上私拉亂接電線、更換大保險、使用超負荷的電器,這種問題基本不會在智能電氣架構(gòu)下發(fā)生。
傳統(tǒng)的配電盒,用戶很容易自己接線,帶不動就更換更大的保險絲,而MOS方案的配電盒都是全密封設(shè)計的,不考慮維護和更換,用戶無法打開,打開了也看不懂,沒法接線,這個上篇文章詳細講過。另外,即使用戶在外面破皮接線,一旦超過設(shè)計保護門限就會觸發(fā)過流保護,不可能發(fā)生換了大保險以后導(dǎo)致燒線的問題。
用電器進水短路起火事故,如果基于MOS方案,因其保護的靈敏性,部分故障也是可以避免的。
基于以上分析,我們可以發(fā)現(xiàn),基于MOS方案的智能電氣架構(gòu)在提高商用車防火安全性上帶來的優(yōu)勢,這個價值是用BOM成本無法衡量的。
05、整車EMC改善及成本降低
我們不聊太深奧的EMC知識,今天只專注于智能電氣架構(gòu)能給商用車整車EMC及成本帶來哪些價值。
商用車由于車很長,負載類型也更復(fù)雜,整車電氣環(huán)境也更惡略。比如線束很長,受長導(dǎo)線雜散電感影響,繼電器切換就會產(chǎn)生一些高壓脈沖,會對其他電子設(shè)備產(chǎn)生過壓危害,影響整車EMC性能,這個我們上篇文章有詳細分析。我們今天不擴散,專注講ISO7637-2(國標(biāo)是GB/T 21437-2)的一部分脈沖相關(guān)的EMC問題。
我們先來看一下標(biāo)準(zhǔn)中最嚴苛的脈沖,就是拋負載,專業(yè)叫Load dump,就是業(yè)內(nèi)常說的5a和5b。如果你碰到個人能聊這個,說明已經(jīng)比較了解EMC了。大家別抬杠,說這是老標(biāo)準(zhǔn),新標(biāo)準(zhǔn)不叫這個名字了。因為老標(biāo)準(zhǔn)大家都熟,也習(xí)慣了,新標(biāo)準(zhǔn)電壓等級更高,名字也改了,直接叫Load dump pulse了,且調(diào)整到了ISO16750-2里面。我們下面就是舉個例子,看下商用車和乘用車OEM對5號拋負載脈沖的一些試驗要求。
電壓 |
標(biāo)準(zhǔn)要求 |
OEM要求 |
12V系統(tǒng) |
5a: 87V,5b: 35V |
5b: 35V |
24V系統(tǒng) |
5a: 174V |
5a: 174V |
乘用車及商用車5a和5b脈沖試驗要求
據(jù)筆者了解,目前乘用車基本很少要求5a了,原來做一些Local項目還有要求,Global的其實早就不要求了,現(xiàn)在國內(nèi)也基本都不作要求了。這個其實也好理解,就像80年代桑塔納剛國產(chǎn)化時,德國標(biāo)準(zhǔn)要求喇叭是5萬次的使用壽命,總是壞,中方調(diào)查研究后就發(fā)現(xiàn)在中國喇叭用的的確更頻繁,所以喇叭國產(chǎn)化后就增加到了10萬次。講這個就是說明設(shè)計需要考慮真實情況,并不是老外的標(biāo)準(zhǔn)就一定是對的,設(shè)計一定是好的。
回到主題,為什么global的OEM就敢要求不做5a?那是人家根據(jù)經(jīng)驗,5b就可以了,因為人家的整車電氣環(huán)境真的就做得比較好了,這是一個系統(tǒng)性問題。整車電氣環(huán)境好了以后,試驗標(biāo)準(zhǔn)就降低了,零部件成本也低了,進而整車成本也可以得到降低。
再舉個例子,80后的小伙伴們應(yīng)該都記得,小時候電壓不穩(wěn),家里穩(wěn)壓器、調(diào)壓器、冰箱保護器是標(biāo)配,否則電視機、冰箱等家電就很容易壞,當(dāng)然現(xiàn)在早就見不到了,并不是家電質(zhì)量變好了,而是供電電壓穩(wěn)定了,也極少停電了,這是國家電網(wǎng)的功勞。
家用穩(wěn)壓器(來源:網(wǎng)絡(luò))
講這么多,其實就是想說明兩點:一是設(shè)計要考慮實際應(yīng)用情況,二是用電器是受整體電氣環(huán)境影響的?;氐缴逃密?,為什么商用車目前還都要求做5a,就是因為整車電源環(huán)境還不夠好。上面也講過,商用車整體技術(shù)是落后于乘用車的,所以你去隨便拆開一個商用車的電路板,一眼就能看到下面這個東西,很大個,這就是電源的穩(wěn)壓器,每個ECU都有。
商用車電源的穩(wěn)壓器-TVS(來源:網(wǎng)絡(luò))
好了,我們回歸主題,看智能電氣架構(gòu)能為我們帶來什么價值吧。智能電氣架構(gòu)因為實現(xiàn)了電子化,我們就可以在底盤配電盒電源輸入端加入電壓抑制設(shè)計。因為5a脈沖來自于電源端,而整車的電源又都來自于底盤配電盒,這就相當(dāng)于送到小區(qū)的電經(jīng)過配電柜穩(wěn)定后,再送到每一家,家里的用電器就不需要額外配穩(wěn)壓器了。
智能電氣架構(gòu)5a波形對比(來源:左成鋼)
從電壓波形我們也能看出來,脈沖電壓從174V降到了44.8V,效果很明顯。這能帶來哪些價值呢?
(1) 整車ECU試驗標(biāo)準(zhǔn)降低到5b,試驗成本降低;
(2) 整車取消ECU級別電壓抑制設(shè)計,BOM成本降低,整車一般有幾十個ECU,一個TVS得好幾塊錢;
(3)整車一級電源耐壓等級降低。而常規(guī)24V設(shè)計,一級電源耐壓要求是60V,60V器件就比50V貴不少;
(4)整車EMC環(huán)境改善。
其實整車EMC環(huán)境改善不僅限于整車電源端供電的改善,各ECU和負載間的相互干擾也會得到改善。
前面我們講過商用車的線束很長,快速變化的大電流因線束電感的影響,將會產(chǎn)生一些高壓脈沖危害,這個很容易理解,初中物理就學(xué)過,就是這個公式U=L*di/dt。以1mm²的導(dǎo)線為例,一米的電感大約是1µH,這個電壓很容易就能到上百伏,而ISO7637-2規(guī)定的2a和3a脈沖可以達到-300V到+112V,這個電壓都是和線束電感有關(guān)的。
傳統(tǒng)配電盒里面都是互相連在一起的,有一個脈沖就會到處跑,ECU和負載間也能互相影響,而智能電氣架構(gòu)的底盤配電盒不僅在電源端增加了電壓抑制設(shè)計,每個輸出通道本身也有電壓抑制設(shè)計,這就避免了用電設(shè)備之間的相互干擾,也就是說,干擾脈沖不會到處跑了,直接被吸收了。
商用車與乘用車長度對比(來源:英飛凌)
另外,還有芯片開關(guān)特性對EMC的改善。芯片一般都有開關(guān)的slew rate控制,而繼電器是沒有的,還有保險熔斷時,因短路電流無限制及保險熔斷特性帶來的EMC影響,這些芯片都能避免,我們就不展開了。
06、杜絕電源反接影響
只要是接觸過電子設(shè)計的小伙伴們,不管是消費級、工業(yè)級還是汽車級,估計都知道電源設(shè)計上要加一個二極管防反,就像下面這樣:
電源防反電路設(shè)計(來源:左成鋼)
這種設(shè)計簡單、實用、有效,可以避免許多應(yīng)用時接錯線的問題,因為一旦接錯,整個電源就燒了,產(chǎn)品就報廢了,代價很高,而接錯線這種事情,搞過設(shè)計的人都沒少干過。
對于車載設(shè)計,其實也是一樣的,因為車輛在實際應(yīng)用中,偶爾會有電源接反的情況。比如車輛蓄電池虧電無法啟動,在用別的車進行跳線啟動時,就很有可能出現(xiàn)電源反接的情況;還有就是維修時,蓄電池正負極接反,當(dāng)然專業(yè)人員絕不會犯這種錯誤。所以車輛設(shè)計時就考慮到了這種情況,而且ISO標(biāo)準(zhǔn)也有相應(yīng)的規(guī)定。
電源極性反接的介紹(來源:英飛凌)
ISO16750-2及國標(biāo)GB/T28046.2對電源反接的規(guī)定
所以,對于汽車電子設(shè)計人員來講,ECU的電源防反設(shè)計就是一個基礎(chǔ)設(shè)計(英飛凌的介紹里也僅指出了ECU防反接設(shè)計),大家也都習(xí)以為常了,只要是個電源,二極管就先給它安排上,妥妥的,絕對沒錯。但到了智能電氣架構(gòu),我們在實現(xiàn)了整車電源分配智能化、電子化的同時,有一個傳統(tǒng)設(shè)計即將被悄悄顛覆,就像移動支付慢慢顛覆了大家用現(xiàn)金的習(xí)慣一樣。
我們來看一下究竟發(fā)生了什么?
智能電氣架構(gòu)的整車電源防反接設(shè)計(來源:左成鋼)
在傳統(tǒng)電氣架構(gòu)中,配電盒就負責(zé)電源分配,里面沒有電子器件,也沒有辦法做電源防反接設(shè)計(包括上面說的EMC設(shè)計),一旦電源接反,整車所有的ECU、負載的電源就都反過來了。
但是到了智能電氣架構(gòu)時代,因為實現(xiàn)了電子化設(shè)計,我們就可以在底盤配電盒電源輸入端加入電源防反接設(shè)計。因為整車的電源都來自于底盤配電盒,我們在源頭實現(xiàn)了防反接設(shè)計后,就把反向電流堵在了源頭,即使蓄電池電源發(fā)生了反接,整車是沒有反向電壓和反向電流的。
這會帶來什么價值呢?
(1)除一級配電模塊外,整車所有ECU及負載,不需要做電源防反接設(shè)計,降低設(shè)計難度、設(shè)計成本及BOM成本;
(2)OEM可以取消相應(yīng)試驗項目,降低整車設(shè)計及驗證成本。(3)杜絕蓄電池電源極性反接時對整車產(chǎn)生的影響,比如電子電氣件燒毀,負載誤動作風(fēng)險等。
這里可能有小伙伴們好奇為什么電源反接時,會有電子電氣件燒毀及誤動作的風(fēng)險?我就順便給大家科普一下。
整車所有ECU電源的邏輯控制部分都是有防反設(shè)計的,而負載控制及大電流控制大部分是則沒有做,因為大電流的防反接設(shè)計很復(fù)雜,難度比較大,每個電源上都做成本也不允許,真的接反了,保證自己的ECU不誤動作,不會損壞就行了,至于其他的就暫時不管那么多了。
我們來看下傳統(tǒng)電氣架構(gòu)電源極性反接會發(fā)生什么?
蓄電池極性反接示意圖(來源:左成鋼)
對于常規(guī)汽車電子設(shè)計,無論是基于傳統(tǒng)繼電器的負載控制,亦或是基于HSD(智能高邊開關(guān))芯片的負載控制,因為大電流回路里沒有防反接設(shè)計,一旦電源極性反接,作為繼電器控制的LSD(智能低邊開關(guān))芯片因為寄生體二極管自動導(dǎo)通,繼電器動作,HSD也會因此自動導(dǎo)通,負載開始上電工作。如果是燈泡,那就直接點亮,因為燈泡本身沒有極性,如果是電動機,那就直接反轉(zhuǎn),至于會不會造成車輛故障或電氣件損壞,那就聽天由命了,反正短時間內(nèi)ECU是肯定不會壞的。
所以,智能電氣架構(gòu)帶來的電源分配及控制技術(shù)的電子化,其對整車及整個汽車行業(yè)帶來的影響是巨大的,甚至在某些方面是顛覆性的,甚至行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也將為之而改變。站在當(dāng)下,可能我們還無法感知到它的影響,但在未來,它對汽車行業(yè)的影響注定是深刻而長遠的,甚至未來做汽車電子設(shè)計的小朋友們都會忘了電源上需要加一個二極管這種設(shè)計,就像現(xiàn)在的小朋友們都已經(jīng)不認識紙幣了一樣。
07、線束回路節(jié)省,成本降低
7.1 線束回路的節(jié)省
線束回路的節(jié)省,可以分為幾方面:
(1).底盤到駕駛室的30+電源線的節(jié)省。話不多說,我們上圖,這樣更容易理解:
傳統(tǒng)卡車配電盒電氣原理簡圖(來源:左成鋼)
不知道大家發(fā)現(xiàn)一個問題沒有,底盤配電盒里面基本都是大板式保險絲,駕駛室配電盒基本都是小片式保險絲。底盤配電盒通過板式保險(一般都是40~50A的)將電源分為多路(一般都是4路左右),再拉到駕駛室,然后再通過小保險將電源分配給整車用電器。這樣設(shè)計也是基于安全考慮的,若一個保險爆掉或者一根線出問題,只有部分功能受影響。
采用智能架構(gòu)以后,芯片的可靠性是遠高于保險絲的,且芯片的性能基本不受沖擊電流次數(shù)的限制,而保險片則必須考慮這個問題,為了降低風(fēng)險,就分為多路供電。
性能 |
保險絲 |
芯片 |
壽命 |
保險絲10萬個脈沖 |
10^15后無衰減 |
所以采用智能架構(gòu)以后,基于芯片的高可靠性,我們是可以將底盤至駕駛室的供電線設(shè)計成單根導(dǎo)線的,這就給了我們降成本的可能,并且導(dǎo)線的線徑也可以適當(dāng)降低,下面會具體分析。
(2)繼電器控制線的回路節(jié)省
原來每個繼電器都需要一根控制線,整車就是幾十根。而采用芯片后,控制就本地化了,還可以通過CAN等通信方式來控制,這就又節(jié)約了一些線束。
(3).其他硬線回路的減少
① 信號輸入線的減少。比如某些開關(guān)信號,如門狀態(tài)信號,燈的開關(guān)輸入信號,原來比較多的都是通過硬線,哪個ECU需要就給它拉過去一根,這不僅增加了成本,還可能導(dǎo)致信號之間的潛通路問題,增加設(shè)計復(fù)雜性和故障的風(fēng)險(整車潛通路問題是一個比較復(fù)雜的設(shè)計問題)。
② 控制回路線束的減少。比如兩個信號同時控制一個功能,常規(guī)設(shè)計就是用兩個繼電器串聯(lián)控制,兩個信號都有效了才行。用智能架構(gòu)就簡單多了,兩個信號都走CAN通信,軟件直接處理就可以了,邏輯的靈活性也更高。
③ 弱化ACC、ON等硬線信號。比如原來靠ON檔信號供電的,你或者直接用ON給它供電,或者通過繼電器。而智能架構(gòu)可以將任意輸出配置為ON屬性。還有用ON做信號的ECU,你要專門給它拉一根ON線,現(xiàn)在駕駛室配電盒可以采集到點火鎖信號后,通過CAN 通信發(fā)出來,整車所有的點火鎖信號就可以共享了。
7.2 線徑變小
我們拿兩個真實負載來看一下線束匹配的差異。
先看用保險絲的設(shè)計匹配:
功能 |
額定功率 |
最大電流 |
沖擊電流 |
保險絲選型 |
匹配線徑 |
右遠光 |
70W |
3.1A |
44A |
10A |
1.0mm² |
雨刮 |
180W |
8.6A |
30A |
15A |
1.5mm² |
再看下用芯片:
功能 |
額定功率 |
最大電流 |
沖擊電流 |
芯片選型 |
匹配線徑 |
右遠光 |
70W |
3.1A |
44A |
5A |
0.5mm² |
雨刮 |
180W |
8.6A |
30A |
10A |
1.0mm² |
通過上圖對比,我們大概能看出來,對于同樣的負載,采用芯片設(shè)計時,芯片電流可以選的小一點,相應(yīng)地,線徑也可以細一點,至少可以降一檔。
上篇文章我們詳細分析過保險絲和繼電器的降額設(shè)計,但芯片設(shè)計我就沒有提降額,為什么呢?話不多說,我們上圖進行對比:
芯片額定電流定義(來源:英飛凌)
保險絲額定電流定義(來源:Littelfuse)
通過對比很明顯能看出來,芯片給的額定電流測試條件是高溫85度,而保險絲是常溫25度,溫度高就得降額,加上為了可靠性考慮的基礎(chǔ)降額25%,這一來一回,你看得降額多少?這還沒考慮I2t可能還得降額。
各位同學(xué)請注意,我要給結(jié)論了,這很重要,后面要考:
一般情況下,對比原有保險絲設(shè)計,芯片設(shè)計的額定電流都可以更小一點,甚至可以是原來的一半,相應(yīng)的線徑也就降下來了。
芯片帶載能力對比(來源:左成鋼)
所以,基于未來智能架構(gòu)的芯片設(shè)計,大家一定要轉(zhuǎn)變思想。當(dāng)有人說電流是20A的時候,你得問他是以前保險配了20A,還是負載額定電流是20A。否則大家的認識不在一個基礎(chǔ)上,溝通就會出問題。
7.3 避免線束長導(dǎo)線效應(yīng)
這個上篇文章我們提過,但沒深入講,如果不是專門搞電氣設(shè)計的人,估計不怎么了解,我們順便講一下。
導(dǎo)線長度上限計算(來源:PEC)
之前我們講過保險和線束怎么匹配,但沒講線束設(shè)計時是要考慮線束長度的。商用車因為車很長,線束長度可能有好幾十米,如果線徑又比較細,短路時可能短路阻抗就會比較大,短路電流就上不去,結(jié)果就是保險不會熔斷,故障一直存在,故障點一直發(fā)熱就會存在風(fēng)險。
而采用芯片以后,因為芯片的電流檢測精度很高,可以辨別出正常電流和故障電流,進而可以進行保護,這就避免了風(fēng)險的發(fā)生,另外就是在線束設(shè)計時,不需要進行線束長度計算了,降低了設(shè)計匹配難度,也降低了試驗驗證要求,這也從一定程度上降低了設(shè)計成本。
7.4 線束成本
最后我們講一下成本,估計這個是大家最關(guān)心的。筆者曾基于一輛中型卡車進行了整車線束分析,精確到了每根線、每個端子和連接器,采用智能架構(gòu)的整車線束BOM成本降低了15.8%。安波福也曾測算過使用區(qū)域架構(gòu)后可以降低25%線束成本,博世也曾進行過類似測算,線束成本都是降低的。
線束成本核算舉例(來源:左成鋼)
具體線束部分降幅和整車架構(gòu)及配置是強相關(guān)的,不能一概而論,但有一個大的方向,就是車輛功能越多,配置越高,ECU越多,采用新型架構(gòu)后成本降低的空間也越大。
08、客戶價值
商用車不同于乘用車,作為生產(chǎn)資料,功能要實用,使用成本要低,可靠性要高,維護成本要低?;谶@些方面考慮,智能電氣架構(gòu)的客戶價值主要體現(xiàn)在以下幾點:
(1)自動休眠,杜絕虧電??梢匀∠娫纯傞_關(guān),或者即使不取消,也可以實現(xiàn)停車后自動休眠,使用更方便,也徹底杜絕了停車虧電的可能性。
(2)實現(xiàn)車輛智能化網(wǎng)聯(lián)化功能。比如遠程車輛電源管理,包括實現(xiàn)遠程車輛電源監(jiān)控、狀態(tài)自檢、用電器開關(guān)等。比如遠程開啟空調(diào),遠程發(fā)動機預(yù)熱、遠程燈光自檢等。
(3)降低維護成本。可靠性高,維護的少,就意味著故障停車少,可以少耽誤事,多掙錢。
(4)提高了用戶體驗。故障消除后可自動恢復(fù),或根據(jù)需求恢復(fù),這就提高了用戶體驗。比如大燈的線束破皮搭鐵,傳統(tǒng)保險絲肯定直接就爆了,燈就不亮了,芯片就可以在保護后自動重啟,專業(yè)叫auto-reset,如果僅僅是偶爾碰了一下搭鐵,沒有持續(xù)短路,那駕駛員就會看到燈僅僅是閃了一下。這樣就可以不影響車輛運行了,而在停車后儀表就可以提醒駕駛員左遠光發(fā)生過短路故障,這樣就便于查找問題,快速定位維修了。
(5)指導(dǎo)用戶優(yōu)化駕駛習(xí)慣,進而實現(xiàn)節(jié)能降耗。這個就需要OEM根據(jù)車輛運行數(shù)據(jù),基于大數(shù)據(jù)平臺,通過APP為用戶提供用車建議了,這也可以算是品牌價值的一部分吧,可以作為OEM的營銷亮點。
五.智能電氣架構(gòu)是智能車輛的基礎(chǔ)設(shè)施
筆者估計大家看完還是會再問一句,成本如何?
雖然我們也進行了多維度的成本分析,但是沒提軟件部分,根據(jù)安波福的預(yù)計,區(qū)域架構(gòu)可以降低75%的軟件成本。目前各大OEM也都在向自建軟件能力這個方向上走,軟件成本(包括集成和測試成本)這一塊兒也要提前考慮,因為以目前的趨勢,未來產(chǎn)品開發(fā)中,軟件成本占比將遠高于硬件成本,特別是相關(guān)的工具鏈的購買及軟件平臺架構(gòu)建設(shè)的投入等。
不過,筆者認為要將智能架構(gòu)放到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的角度來審視。智能電氣架構(gòu)建設(shè)未來將成為智能汽車的新基建,是車輛實現(xiàn)智能化及無人化的基礎(chǔ)設(shè)施,建設(shè)時必須考慮其先行性、公共服務(wù)性及基礎(chǔ)性,而不僅僅是BOM成本。
結(jié)論
講了這么多,我們簡單總結(jié)一下:
1. 自動駕駛商用車需要一個“可感知、可控制、可進化”的智能電氣架構(gòu);
2. 智能電氣架構(gòu)可大幅降低車輛開發(fā)及測試成本;
3. 智能電氣架構(gòu)的建設(shè)可以與目前OEM軟件能力的建設(shè)的內(nèi)在需求相呼應(yīng);
4. 智能電氣架構(gòu)可以提升OEM的品牌溢價,為“硬件預(yù)埋,軟件付費”打下基礎(chǔ),延伸價值鏈條,也為OEM從車輛生產(chǎn)商到服務(wù)商的轉(zhuǎn)變提供了助力;
5. 智能電氣架構(gòu)是區(qū)域架構(gòu)的一部分,是支撐未來新能源卡車及高階無人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施;
限于篇幅,關(guān)于智能電氣架構(gòu)落地的難點,我們將在下篇文章進行深入分析,敬請期待!
參考資料:
1. Fire and Explosion Investigator Randolph J. Harris https://www.fayengineering.com/randolph-j-harris
2. https://mp.weixin.qq.com/s/U1SBvowByocPBpeR9-qxNA