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汽车研发:电子电器架构设计与开发流程!

发布日期:2018-08-01

电子电器架构就像人的神经脉络,为整车输送信号,只有神经脉完整、络清晰了,下面这位美女才能这么开心的拿着车钥匙炫耀,她的豪车也才能愉快的载着她浪迹天涯,哈哈!



说到这里

今天

漫谈君要和大家聊一聊

电子电器架构设计与开发流程


随着汽车配置复杂度的增加,电子电器系统越来越复杂。同时,电子电器的成本压力也越来越大,对电器系统优化的要求也日益增加。鉴于以上原因,电子电器架构EEA (Electronic & Electrical Architecture,以下简称EEA)的概念就应运而生。



一、EEA的定义

EEA 相当于汽车电子电器系统的总布置。具体来说,EEA就是在功能需求 、 法规和设计要求等特定约束下,通过对功能、性能、成本和装配等各方面进行分析,所得到的最优的电子电器系统模型。



二、EEA开发的必要性

汽车发展至今,已不仅仅是代步工具,更是具备安全、 舒适 、 娱乐等性能的集合体 。 而实现这些配置的正是不同的电子器件;电子电器对整车空间、功能、性能、成本、装配 、 开发周期等各方面都有更高更复杂的要求,传统的原理及线束设计已经远远不能满 足 。 而且随着汽车行业平台化和模块化的发展,整车电子电器的开发也必须遵循一定的次序和规则,顺应汽车行业和企业自身发展方向。

因此 ,在平台规划和项目规划前期,就要开始EEA 的规划,从而对电子电器系统开发进行有效管理和控制。电子电器平台及开发如下图所示 。



三、EEA开发流程

针对汽车电子电器架构的设计与优化,遵循目前国际上通用的标准的V模式开发流程。

1、需求及目标定义

结合新车型的市场定位、对比车型的各种数据以及客户的特殊需求,经过分析与评估,制定新车型的整车需求,定义各个子系统的需求(包含电子电器系统),同时制定验证整车需求是否被实现的测试规范与方法。

2、系统/架构设计

根据电子电器系统的需求,制定系统级电子电器架构的解决方案,定义电子电器架构中物理架构和逻辑架构的需求,同时制定验证系统/架构设计目标是否被实现的测试规范与方法。

电子电器架构图


3、电子电器件设计

根据物理架构和逻辑架构的需求,制定各个电子电器件的解决方案,定义电子电器件硬件、软件、机械的需求,同时制定验证电子电器件设计目标是否被实现的测试规范与方法。

4、电子电器件开发

根据电子电器件硬件、软件、机械的需求,开发各个电子电器件,此项工作由零部件供应商完成;同时零部件供应商根据自己的测试规范与方法,验证是否满足主机厂的电子电器件硬件、软件、机械的需求。



5、电子电器件设计验证

根据相应的测试规范与方法,验证电子电器件设计目标是否被实现。

6、系统/架构设计验证

根据相应的测试规范与方法,验证系统/架构设计目标是否被实现。

7、整车需求目标验证

根据相应的测试规范与方法,验证整车需求目标是否被实现。

电子电气系统架构开发设计交付内容如下:



四、V模式设计与开发解析


EEA的开发是一个庞大的系统工作,下面主要从设计及开发整体的角度进行解析。


设计目标定义

1、需求及目标定义

需求及目标的定义是整车EEA 开发的输入和目标,关系到整车及 EEA开发的成败 ,其意义非常重大,主要包含 3个方面:

1)客户需求分析

通过市场调研,获取不同客户群对不同级别车型的配置和功能要求、操作习惯等信息。此项工作目前由专门的咨询公司,如 JD Power等,或者整车厂的市场部通过各种渠道来完成。


2)标杆车型分析

对标杆车型的选择及其分析,目前由整车厂选择标杆车型自行分析 ,或者委托设计公司分析;通过分析,可以得到不同级别、不同配置车型在不同方面 (配置 、 装配、空间、成本等)设计的优劣。作为搭建 EEA平台的输入,标杆车型的分析是一个行之有效的方法。 


3)发展趋势分析

当今社会,科技高速发展,汽车电器件更新换代异常频繁,客户对汽车的娱乐性、舒适性等要求也日新月异。作为EEA开发,在需求分析和定义的时候必须考虑到这一点,才不至于落后于时代,满足未来市场的需求。另外,汽车行业的法规也是发展趋势分析的重点,车型的定义需要有前瞻性。

 以上三部分内容,相互关联,相互影响,故在EEA 开发在最初阶段,要作为需求分析和定义的纽带,将客户需求、发展趋势和标杆车型做全方位的融合,做出符合市场和客户需求,同时又满足发展趋势的需求及目标定义,EEA 与需求分析的关系如下图所示 。


2、需求规范与管理

1)需求规范

需求规范是指对要开发的系统或产品确定一个完整的、无歧义的、结构化的规范进行描述,这种规范化描述机制,不仅对描述的内容与结构进行了限制,而且对描述语言的规则和描述方法也作了要求。

需求规范的内容包括 : 

A、确定需求类型

B、确定需求相关文档的内容;

如任务书、相关的标准、法规、合同或其他正式规定性文档 、开发流程要求 、各系统或部件的详细功能描述、接口描述 、各种需求分析报告等;

C、定义出合适的需求描述模板;

D、定义出评价需求规格说明书的质量准则等;

E、定义专用词汇表;

由于电子电气架构开发的专业性较强,还必须定义专用词汇表让有不同知识背景的人、不同部门的人了解同一个概念,其内容可包含 : 技术概念、缩写、动作描述等;

F、最后根据规范的文档和描述格式对需求获取的内容进行文档化,形成规范的需求规格说明书,作为系统开发的输入。

完善的需求规格应满足以下基本特性: 


2)需求管理

A、需求活动管理

在整车电子电气架构开发的需求工程活动中 ;制定需求工程各个阶段的工作计划;安排各阶段 的活动内容 ( 如讨论、技术交流 、会议、评审等 )。

B、需求跟踪管理

跟踪需求的每一个状态;并根据不同的需求跟踪信息类型 ;采取相应的跟踪能力联系链;实现需求的可追溯性;建立与维护需求跟踪矩阵。

C、需求变更管理

对要变更的内容进行标识;并从不同角度对需求变更将给系统开发带来的影响进行分析给出评估结果,明确哪些需求可以变更,哪些需求不能变更,并设置实现的优先级,确定目标版本,最后把需求变更的内容更新到需求规格说明书中去。

D、版本管理

在保持单个需求同需求文档的联系的同时,管理这些需求文档和开发过程中产生的文档之间的相互关系,每个版本的需求规格说明都应该注明版本号,避免新 旧版本的混淆,记录变更需求文档版本的日期以及所做的变更原因记录每项需求的状态,当某项需求变更时需要根据需求规格说明对相关部分可能进行修改。


设计开发方案的制定

有了完整的EEA设计输入后,便可正式开始 EEA方案的制定。 EEA方案的制定分二步: 第 1步对 EEA 方案进行前期规划、第2步对不同方案进行具体分析。

1、EEA方案的规划

功能的实现有不同的途径,如下图所示(车窗升降为例);在EEA分析之初,必须对各种途径进行梳理,并组合为不同的方案进行分析。

2、 EEA方案分析

规划好方案之后,要对每个方案进行具体分析。EEA的分析内容广泛,可分电源分配 、 网络分析、原理设计、线束设计等4部分。这四个部分的内容互有交叉,相互支撑。其关系如下图所示:

1)电源分配


A、电源分配图可获得以下信息:根据负载来选择适合的熔断丝型号;

B、负载表主要包括:

a. 根据电路类型来提供所有系统的电流值或电量要求;

b. 通过电源分配系统中每个子系统的设计要求来决定熔断丝的最大规格;

c. 最大熔断丝型号常常用来决定基于电路保护原则的最小的导线型号和最小的连接系统的型号。

C、电路保护策略:

a. 第1级保护包括熔断丝、易熔丝、电路断电器,通常用来保护蓄电池电路或将蓄电池电路切断;

b. 通常主电路会提供更大的电流(>30A)给多子系统;

c. 典型电路保护装置包括:Maxi熔断丝和Pacific熔断丝,常被用在大电流值的电路中(≥30A)。


2)网络分析

网络在汽车上的应用越来越普遍,其拥有信息共享、减少布线、降低成本、提高总体可靠性和网 络管理等很多优点。 如CAN、LIN、MOST、Flex Ray等,目前应用最广泛的是 CAN。

对于EEA 开发来讲,网络分析的主要任务如下: 

A、确认哪些模块和网络相连,分别传输了哪些信号;

B、确认不同的网络对于整车功能和成本的影响;

C、确认网络对线束的要求。包括了网络线束的最大总长度、节点间距、ECU 距离压接点的最远距离、是否双绞、线的颜色、线径、绞距、以及诊断接口线束的要求;对节点总数、节点连接网络的部分导线以及双绞线与连接器端子的具体要求。


3)原理设计

A、建立整车电器连接

a. 根据子系统电器信息,连接所有的电器零件,进行电器连接时,按照各个系统分块连接;

b. 按照各个子系统电源输入的要求,连接电源线;

c. 进行搭铁的分配,给各个电器零件连接搭铁线,搭铁线以就近搭铁为原则,并要把高电流和低电流的搭铁分开,特殊情况如EMS(Engine Management System,发动机管理系统)、ABS(Antilock Brake System ,防抱死制动系统)等单独搭铁。

B、选择导线

包括线径、绝缘层、种类、颜色等的选择。

a. 导线线径的选择,除了考虑熔断丝的大小外,还要考虑电气件电压降的要求,以及压接后的机械强度;搭铁回路的线径很大程度上取决于电器件本身的失效模式;

b. 导线绝缘层的选择要根据其所属环境温度来选择;

c. 导线种类可根据电气及环境要求选择,根据各子系统要求,也可选用绞股线,屏蔽线;常用导线标准有DIN (Deutsche Industrie Norm,德 国 工 业 标 准 )、JIS(Japanese Industrial Standards ,日本工业标准 )、SAE (Society of Automotive Engineers ,美国汽车工程师协会);

d. 导线颜色的选择 ,对于每个回路 ,需要定义不同的导线颜色 ,以示区分。 

C、选择线束对接插接件

在选择对接插接件时,要考虑流过此插接件的电流值 、所经回路的导线线径 、孔径大小(如需要穿过孔)和固定方式等。

a. 定义孔位号时,插接件的视图方向要与线束图纸所示的视图方向一致;

b. 定义回路号按照企业标准或系统等要求,为不同的回路进行命名;

c. 定义功能选项在相关的回路进行标记,以区别不同的配置。



4)线束设计 

线束是原理功能在整车上的具体实现 ,是EEA分析的输出; 遵循的原则是原理和整车环境要求,如功能实现 、装配、温度、 成本等各种因素。按照以上分析,得出多种EEA方案的线束设计 后,可以对每个方案进行仿真、检查正确性,并不断地进行修正和完善。


方案测试与验证


1、功能测试

这部分测试从试制车前的台架测试开始,到试制造车,再到小批量生产一直持续到车辆上市阶段。

1)整车级集成功能测试

规范规定了整车层面跨系统功能测试当然范围和方法。由于各控制器开发周期的不尽相同,造成前期零件开发状态的不同步,因此该阶段关注的是系统性功能的“有没有”,保证整车电器零件的正常运行。对没有实现的系统功能进行记录跟踪。避免检查工作的重复进行,并出具装车推荐报告,对各系统的状态进行评估,为其它环节的验证提供依据。

2)系统级集成功能测试

待零件开发状态相对稳定之后,以零件所在系统为关注点,以设计规范为依据详细测试各系统功能实现的精准性,同时评估系统功能的合理性,不仅仅关注该功能“有没有”,同时关注该功能“优不优”,严格把关系统设计准确性和合理性,从工程师和用户多角度验证系统功能,提高产品的质量和用户满意度。

3)接口测试

包括硬件接口和软件接口,硬件接口主要关注输入输出的匹配,软件接口主要关注信号的交互。为了完成一个跨系统的功能,多个不同的信号通过不同的接口传至同一个控制器,应该测试各接口间的电路匹配、软硬件信号的同步性以及定义的一致。另外,当某信号通过接口时,应该测试此信号是否由于受到某些因素的干扰而失真甚至丢失,从而保证系统信号传输的准确性和稳定性。

4)用户感知测试

从测试人员、车间工人、维护人员、消费者、售后服务人员等多角度出发,规范了车辆在使用过程中的实际感受和考核标准,它主要包含以下5个方面:

A、用户感知的基本功能测试;

B、用户感知的声音功能测试;

C、内部灯光的缠身是否同意、是否舒适;

D、开关零件使用手感是否良好,灵敏度、设计逻辑等是否满足用户的需求;

E、整车功能操作区域划分是否符合一般用户期望,操作是否方便。

5)误用滥用测试

包含误用和滥用两个方面。误用是指驾乘人员在使用车辆过程中异常的或不正确的操作。滥用即频繁、过度地使用某一项功能或某一系统。以不同的使用工况为依托规范了系统集成测试中需要考虑到在非正常操作中产生的预期操作,确保非正常操作时既能给用户必要的警示又不能影响确保驾驶员安全的基本功能,同时在操作恢复后能正常的使用相应的功能。

6)故障处理测试

规范如何选取失效模式场景,对系统发生失效时进行反复测试,寻找可能导致失效的各种情况,从设计进行警示,减少失效模式给用户带来的不便和困扰,从用户角度出发,体现产品设计中以人为本的宗旨。

7)过压测试

规范了在系统高负荷运行环境等情况下的测试内容,用于测试系统在这些场景和环境中是否能够正常工作,体现产品的过压承受力和鲁棒性。



2、性能测试

整车电气系统性能测试(VEST)主要在台架上进行前期的部分测试,试制造车阶段EP1和试制造车阶段EP2制造的工程车上进行实车测试。在汽车使用生命周期内,由于整车电气负载、接地点、线束、保险丝等电气系统设计不合理,导致不必要的能量消耗、电气系统性能下降、电气功能失效等问题。加之电气系统的老化,以及恶劣的工作环境,在车辆实际使用过程中,整车电气系统会产生不可预知的电气故障。

VEST测试,是为了验证整车电气系统的性能,以及在极端电气环境下,电气系统失效带来的影响,并通过测试结果改进电气系统的设计方案,从而保证整车电气系统在使用寿命内的可靠性、稳定性和安全性。主要包含以下测试内容:

1)整车静态电流测试;

2)整车待命状态电流测试;

3)电气回路电流及电压降测试;

4)整车接地性能测试及接地点移除造成电气功能紊乱确认测试;

5)保险丝熔断性能测试以及保险丝缺失造成电气功能失效确认测试;

6)整车电压相关的功能测试。

每项测试内容都有相应的技术规范对其操作方法及评价结果进行详细描述与规定。



3、诊断测试

诊断测试规范制定了关于系统参数配置、软件刷新、DTC测试、I/O控制测试、传输层测试和服务层测试。诊断分为以下三个阶段:


1)装车测试

为试制和试验应用进行的功能测试,包括诊断故障代码、控制器输入/输出数据、配置参数和零件物流数据。

2)应用测试

为制造和售后应用进行的功能测试,需要测试工程师模拟制造和售后应用环境,对诊断需求和诊断数据进行测试。

3)验收测试

对所有需求进行验收测试,包括企业标准、诊断故障代码设计和诊断规范中定义的所有诊断数据进行验收测试。

4、网络测试

试阶段与功能测试可同步进行,该部分测试根据整车网络测试规范,对整车网络进行认证。包含整车的CAN总线测试以及LIN线测试,测试过程涉及到了网络管理、网络负载、一致性测试以及总线故障处理等。

5、EMC测试

EMC测试也称为电磁兼容测试。电磁兼容测试主要在试制造车阶段EP1和试制造车阶段EP2制造的工程车上进行实车测试,目前很多OEM已经在前期零件设计中增加硬件评审和电磁兼容仿真等工作。电磁兼容测试分为EMI测试和EMS测试。EMI测试包括辐射发射骚扰、传导耦合、EMC测试、瞬态发射骚扰。




五、结语

电子电器系统集成测试纵向发展、横向交叉,系统集成测试贯穿于整车电子电器开发的始末,已经成为一种必然。随着整车电子电器技术的发展,零件可以在不同车型上进行移植和复用,而不同车型之间的交叉测试,对于问题的发现和测试经验的分享推广具有重要的意义。



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