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汽车电气架构漫谈

发布日期:2018-10-10

汽车三大类别,车身底盘和电气。往往汽车电气部门在公众视野里是被忽视的一个群体。因为车身的好看不好看和底盘性能的好坏,公众都有自己的一套评判标准。唯独电气性能却不被人们所熟知。但为了实现汽车上的各种各样的功能,却离不开这一群默默无闻的电气工程师。本文就从最看不见摸不着的电气架构着手来扒一扒这一帮群体的工作内容。为有志从事这一行业的人才提供一点点的帮助。


电气架构的起源:

1885年一个德国的中年人卡尔·佛里特立奇·奔驰研制出了世界上第一辆马车式三轮汽车,汽车从此诞生了。

但起初汽车只是一个纯机械产品,所以根本不存在电气架构这一说法。

所以在强烈的客户需求下,汽车大灯发明了。

发展到现在有部分车型已经配备了激光大灯。

科技改变生活啊。说不定若干年后汽车实现了完全自动驾驶。到那时,大灯可能也就不需要了。所以很多事情起点即是终点。

有了灯就得有电,所以有了蓄电池,有了电还得有连接回路,所以有了线束。白天不用开灯夜间需要开灯,所以有了开关控制。电池一直在耗电需要有补充,所以有了发电机。为了保证线束短路的时候不把车给烧了,所以有了保险丝。

但后来又发现这个开关通过大电流的时候容易有飞弧现象,而且开关的触点也要做得很大以便承受大电流通过。所以有了继电器来解决这个问题。

出于一个简单的客户需求,汽车上就需要增加这么多的电器件。

随着汽车上电器件越来越多,电器架构也就有了最初的雏形。

›电气架构的系统分类

1920年代以来,随着电子技术的发展。越来越多的产品开始和电相关。对于汽车来说也是一样。越来越多的电子产品被应用到汽车上。这就需要有一个好的电气架构来管理这么多的电子产品。

后来越来越多的灯具被应用到了汽车上。就有了照明系统。

原先刹车时不可避免车轮会被抱死,汽车就失去了转向能力,增加了车祸发生的可能性。但随着电子技术的发展,通过传感器控制器和执行器相互配合工作就能达到防止刹车时车轮抱死的情况发生这就有了ABS系统。

随着人们对生活品质要求的提高人们对车内娱乐的要求也越来越高。也就形成了一套车载的娱乐系统。

›既然谈到了电气架构,首先需要了解整个电气架构都包含了哪些系统。

›我们可以大致把这些系统按上图的分类来归纳,但这些分类并不是固定死的,各个汽车厂家对电气架构会有自己不同的分类。

›分好类别之后,就可以对每个组单独的制定电气原理。

›当然还会加上各个组别之间的数据交换。这样一整套电气架构就组成了。

整车上每实现一个功能都需要有一个基础的电气架构来支撑。一个最基础的电气架构应该包括供电,控制,执行及反馈等回路。

整车的电气架构就是由几百上千个基础架构所组合而成。这样听起来好像和拼图一样嘛,太简单了。果真如此吗?那么接下来我们就来讲讲怎么来创建这个架构的。

›电气架构的创建方法

当一个汽车厂需要开发一款新车型的时候需要做大量的市场调研,和竞品调研。这样才能明确这个新车的市场定位。当然有的车企完全不用做这些,领导拍脑袋就行。

往往一个新车型开发需要3~5年左右时间,在明确市场定位和竞品定位之后还得有一定的前瞻性,这样才能确保定义的新车需要搭载的功能不至于落后其他车企。当然定义完功能表之后,随着项目的推进,这些功能表也是会有一定的调整。在电气架构的创建前期,首先必须要知道的是整车的配置清单。之后再根据配置清单来定义整车需要配备的电器件及控制单元。

随着计算机技术的发展,原先一个信号必须有一个回路控制的情况彻底改变了。几个回路就能传输几百M甚至几个G的数据。这样也就大大减少了原先整车架构的回路数,线束的成本和重量得到了非常大的优化。

当网络应用到汽车上之后,电气架构发生了翻天覆地的变化,早期的原理图里能很清楚的读出每条回路的控制逻辑和作用,现在就算有了原理图,有些控制逻辑由于是由控制器之间互相通讯来实现,所以如果没有控制器之间的通讯协议就不能很清楚的知道各个功能之间的控制逻辑。

为了有一个清晰的网络框架,在搭建架构的时候就需要根据控制单元类型,定义好各控制器之间的网络传输种类。目前最常用的还是CAN通讯。

电气架构虽然看上去只是一些电气连接逻辑。但最终它是以物理表现所呈现出来的。如控制器的布置和线束的布置。

所以所有的这些物理布置都会影响到整个电气架构。这就需要上面这种拓扑图来做依据。根据拓扑图来清楚的知道用电设备在整车上的布置以及用来划分连接整车电器的线束。当然整车线束的划分和主机厂安装策略和整车的线束物理布置都有关系。这些物理表现也是最直观的呈现在我们面前的。套用经济学上的说法就是“看得见的手”而电气架构就是“看不见的手”。整车电气功能就是由这看的见得手和看不见的手共同作用而形成的。


以上所有内容定义清楚之后,就可以开始绘制电气架构了。

总结下就是分模块分功能一块一块的搭载到整个架构上。但每一块的内容离不开三种类型的信号:电源分配,信号分配,接地分配。

到这儿,大家应该都能基本掌握了初始电气架构的创建方法。下面再给大家谈谈如何提升创建架构能力,怎样来评价一个架构的好坏。这就涉及到了架构的平衡优化。

›电气架构的平衡优化

要知道如何进行架构的平衡优化首先需要知道整个架构原理包含了哪些信息在里面。

插件信息一般都是由定义的用电设备来决定。但也有一些特殊情况比如使用空间受限,需要重新对用电设备做空间优化设计,最常见的就是直头插件换成弯头插件。

回路连接信息也是最基本的信息,根据所应用的通讯网络不同而有所不同。主要表示的是各用电设备之间的用电和信号传输逻辑。

根据车型配置的不同,有选配的也有标配的功能,对应的回路也就有选配和标配之分。所以回路选项信息主要作用就是显示具体的功能所对应的回路。

保险丝的作用主要是在短路或有电流冲击的情况下保护回路,防止导线温度过高而起火。原则是每条用电回路都需要有保险丝控制。需要注意的是保险丝只能保护他下游的回路。所以现在越来越多的车型会在电池正极柱上就设计保险丝,从而实现源头保护。

线束分类信息主要根据整车厂安装策略和线束3D布置有关。需要注意的是线束分类的越多,物料成本也就越高。

导线信息包含了导线的线型,线径和颜色信息。导线信息可以说是一个电气架构的基础。也很大程度的影响到整车线束的成本和重量。


前面讲到做架构就像搭积木一样把各个功能都往上堆,但是在整合的过程中却需要注意到整个架构的平衡及优化。我们也知道了整个架构包含的信息有哪些了,那么我们就可以从每个信息着手来分析和优化整个电气架构。主要考虑的如下几点:

1.整车的电源及供电系统是否匹配

2.导线的选择是否合适

3.回路是否最短路径

4.保险丝和继电器是否选择合理

5. 插件是否合理,使用数量是否降到最低

6.回路数通过架构优化是否可以合并

7.其他

整车的电源及供电系统匹配需要考虑整车电瓶及发电机产生的电量是否能满足整车用电高峰的需求。一般我们选取夏季雨夜为范本。这时大功率的用电设备如空调、雨刮器和大灯都是在工作的。发电机和蓄电池的电量应该大于此时的极限电量。

一般情况下蓄电池的电量只是用来给启动机供电。正常情况下整车的用电由发电机提供。但当极限条件下蓄电池可以参与供电。所以蓄电池电池容量的选择决定了汽车在极限工况下用电的持续时间。

在选取电池和发电机容量的时候就需要考虑到一个经济平衡性。值得一提的是现在很多车都会有电瓶电压监控,主要是防止在发动机没有启动的情况下(发电机不工作),用电设备却还在工作,这时就需要保证电瓶的剩余电量能满足启动机的要求。

另外一个比较重要的课题是导线截面的选择。学过物理大家都知道导体在传输电流的过程中会发热,电流越大发热量就越高。所以导线截面的选择主要看导线能否承受所通过电流的发热量。

但是在整车上,往往一个线束分支只包含一根导线的情况少之又少。导线经常是以成捆的方式出现布置在整车上。一捆线束的发热量,中间导线的散热环境是最差的。所以对整个线束的耐电流分析需要考虑的因素非常的多。目前也存在一些软件来模拟分析。但最终还是需要通过整车电流温升测试来判断和优化设计。

导线的选择除了截面还有类型。不同类型导线的绝缘层材料决定了导线的耐温耐磨等性能。不同的绝缘曾对导线的柔软度及最小弯曲半径都是不同的。所以从这一点来说导线的绝缘层材料对线束的布置也会有影响。除了绝缘层的不同,整车上还会有一些特殊类型导线的应用,如双绞线和屏蔽线。

学过物理的应该清楚,电流流过导体会产生磁场。当电流大小和方向一直变化的时候,所产生的磁场也会相应的变化,这个变化的磁场会影响到信号的传播,这就产生了电磁干扰问题。所以汽车上通过使用双绞线和屏蔽线的方式来解决电磁干扰问题。当然极端情况下还可以用在线束上加磁环滤波的方式。

双绞线是通过磁场相互抵消的原理来实现抗干扰。理论上绞距越小,抗干扰能力也就越强。

屏蔽线是通过电磁笼罩原理,通过金属屏蔽层接地来实现。但金属屏蔽层是由铜丝编织而成,不可避免会有空洞产生,所以可以通过屏蔽网外面再覆盖一层铝箔的方式来加强屏蔽效果。

›新能源电气架构的发展

全球每年从地下开采的石油超40亿吨,约65%被汽车所消耗,全球石油的储量是有限的,全球汽车保有量也在与日俱增,所以这种依靠石油的能源结构是不可持续的。

各国政府也意识到了这一点,纷纷出台了各种严苛的油耗法规。比较著名的就是“咖啡法案”。

为了达到油耗和排放法规,各大车企也对应的研发了一些新能源车型。目前比较普遍的有BEV,PHEV,HEV和48V系统。虽然新能源车型种类很多,但对于电气架构的影响可以分为两大类: 高压和低压。我们把60V以下的电压称之为安全电压,也就是我们经常所说的低压系统。相对应的60V以上的就是高压系统。

说到48V,最核心的技术是通过ISG来驱动怠速或滑行时候的发动机曲轮,取代传统通过烧油来推动凸轮轴运动从而带动曲轮的方式。从而达到节省燃油的目的。当然除此之外还可以通过把传统发动机上的高负载附件电动化,比如涡轮增压器,空调压缩机、冷却水泵、真空泵等,降低发动机的负载来进一步达到节油目的。

48V主要改变的是电源分配系统的架构。

48V系统带来的另一个好处是原先一些大电流的用电设备,如鼓风机、雨刮电机等等,通过重新设计升级成48V之后,所选用的导线截面也可以缩小。这样能减小线束重量从而减轻整车重量来达到节油的目的。

48V相对于12V来说更容易会有电弧产生。比如当保险丝熔断时,当开关开闭时,当导线皮有破损的时候,当接地片有松动的时候等等。所以这就需要为48V重新设计新的一些电气件。当然这也就影响到了整个电气架构。

1.48V保险丝,它要求当产生电弧时,不至于把保险丝的外壳烧毁,避免引起烧车事故。

2.对于继电器开关所引起的电弧,可以通过使用电子式半导体开关来替代传统的继电器。

3.对于绝缘破损,接地不良等引起的电弧可以通过在回路中加监控电路,当检测到有电弧现象时可以切断48V输出以避免引起更大的事故


我们把电压等级高于60V系统称之为高压系统。 BEV,PHEV,HEV等都会涉及到在架构中增加高压系统。所以这些车型的整车电气架构是由高压系统和低压系统并存。电动车型的基本概念就是通过电机驱动汽车从而取代发动机驱动以达到节约燃油的目的。目前最大的瓶颈还是在电池,电池性能决定了续航里程和充电时间的多少。根据容量不同,现有车型配备的锂电池包普遍需要5个小时以上的AC充电才能充满。既是用DC充电,也需要1小时以上。这点也是电动汽车推广比较困难的一个原因。

但是现在有些公司已经宣称研发出固态电池和石墨烯电池等等。1分多钟就能把电池充满。如果属实的话,那么我认为电动车时代会很快到来。唯一需要解决的就是如何把这些电池尽快投入到批量化和产业化的道路上来。

高压系统我们也可以分为驱动部分和附件部分组成。

驱动部分主要由电机,控制器,分电盒还有电池包组成。一般情况只需配备1个电机,但有些车型会配备前后电机,更有配备4轮轮毂电机的车型。所以这个架构也是根据电机配备情况而有所不同。

高压附件部分主要还是有加热器,高压空调,分电盒,电池包,充电机等组成。

由于电动或混动车型,发动机不是一直处于工作状态,所以主要靠发动机来带动的压缩机这时就需要改成电气化。冬天暖风也是同样的道理,需要依靠电加热来实现暖风功能。同样的还有DC-DC是取代传统的发电机来给低压系统供电。

高压系统未来的一个趋势是集成化。

比如把高压盒集成到充电机上,或者把控制器和电机集成,还有把高压盒,电机和控制器一起集成的。目前,有些车企已经在应用这些新的方案。

这些新的方案也直接影响到了高压架构。我们预测以后电动汽车上不会有单独的高压盒出现。而且从成本考虑,会像低压一样出现高压splice。如上图,就是增加了高压splice的架构。这样既能节省掉一对接插件,又可以节约一个高压保险及与高压保险配套的连接系统。所以成本优化的最高境界应该是从技术革新入手,而不只是一味的通过压榨供应商来达到目的。

高压系统的加入必然也会影响到整车低压电气架构。如高压部件的一些信号反馈还是需要通过低压信号的方式与整车控制器之间进行通信。但对低压系统最大的影响应该还是BMS系统的加入。

由于高压具有一定的危险性,所以需要通过一些技术手段来避免汽车在使用过程中对人体产生伤害。BMS这时就发挥了这个作用。

1.电动汽车需要实时对绝缘进行监控,来确保不会由于绝缘故障而引起触电事件的发生。当发生绝缘故障的时候需要立即切断高压输出。

2.考虑到安全性,任何插拔高压插件的时候都必须切断高压输出防止触电,所以加入了interlock回路。

3.为了电池包的安全,BMS需要实时的监控电池包的温度,当温度过高的时候也需要切断电源输出防止事故。

4.由于锂电池的特殊性,为了电池包的经济性,BMS还需要监控单体电池的电压,防止某个电池单体出现过充过放现象,从而影响整个电池包的寿命。

›电气架构的未来展望

下面的内容听听就行,千万不要当真了。

目前各大主机厂基本达成了对未来汽车发展方向的构想,那就是电气化、智能化和互联化。

电气化其实汽车从诞生之初就一直在朝这个方向发展。越来越多的原来纯机械的产品被电气化产品所取代。十年内最大的变革应该是动力总成的电气化之路。

我设想的智能化最终应该实现点对点之间的自动驾驶,只要输入目的地系统自动选择合理路线把乘客送到目的地不需要人类再操作汽车。所以未来的汽车可能是一个娱乐+移动终端。想象下汽车以后可能会变成一个移动影院,移动咖啡馆或者移动网吧。

要实现上述构想,必须首先实现互联化。而且不光是汽车是整个社会基础设施的互联化。通过大数据处理,让汽车清楚每条道路或者停车位的情况

谈到智能化,不得不提自动驾驶。,目前市面上已经推出了很多L2级别的自动驾驶汽车,即将推出的L3级自动驾驶汽车,如奥迪A8等,不仅仅是在一天之内产生上亿字节的信息处理,还需处理数百个数十亿字节的信息,而一旦实现完全自动驾驶之后(L5级别 ),将达到兆兆字节。当所需处理的数据增长了100,000倍,那么相关的系统都需要进行改变。

系统的改变也就意味着电气架构的改变。这对传输速率和架构的稳定性提出了新的高要求。

比如在高速公路上的自动驾驶,以120Km/h的速度行驶的话,信号1秒钟的延迟汽车就已经行驶了33m。这对于高速行驶中的汽车来说是非常危险的。所以自动驾驶对信号速率和稳定性都提出了新的要求。

实现自动驾驶就得配备ADAS系统,ADAS即先进驾驶辅助系统又称主动安全系统,主要包括车身电子稳定系统ESC、自适应巡航系统ACC、车道偏移报警系统LDW、车道保持系统LKA、前向碰撞预警系统 FCW、自动紧急刹车系统AEB、交通标志识别TSR、盲点探测BSD、夜视系统NV、自动泊车系统APS等。

对于架构来说,首先改变的是需要增加的是与ADAS相关的各类传感器和控制器之间的回路。以及ADAS系统与整车控制系统之间的通讯。

ADAS的主流趋势是:以摄像头和雷达系统为主体,结合多种传感器的融合(夜视、激光雷达、超声波等),再配合高精度定位与导航系统,以及车与车、车与基础设施的融合。

为了实现上述功能,ADAS需要实现云端链接,以支持多媒体数据流量的系统链接,安全开机、安全识别与身份验证、加密以及解密。所以需要支持以太网,Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE等网络传输。

自动驾驶对于信号传输的稳定性也提出了新的要求。原则是不能由于某个回路的断路或故障而影响到整个系统的运行。

这就对电源架构提出了新的设计思路,上图这种环形冗余设计架构是一种域控制的概念。这种架构的特点是把整车电气架构分割成几个独立控制的区域,每个区域之间通过CAN网络来通讯。这种架构的好处是,可以把某些重要的功能同时放在2个或2个以上的区域里。这样不会由于某一个区域出现故障,而使这些重要的功能失效最终影响自动驾驶的安全性。

在电信行业目前移动通讯技术已经发展到了4G时代,在不远的将来5G时代也将随之而来。5G具有以下5个特征:“无与伦比的快”、“人多也不怕”、“什么都能通信”、“最佳体验如影随形”、“超实时、超可靠”。

反观汽车行业,汽车内部的信号通讯已经远远落后这个时代。不管是Lin通讯还是CAN通讯都还是硬线连接技术。个人认为未来移动通讯技术会被应用到汽车电气架构中来。所有的执行机构和控制机构之间的信号传输不再是以硬线连接,取而代之的是无线互联。唯一需要硬线连接的可能只有电源系统了。这种架构的变化可能会分为两步走,首先配备在不影响安全的功能上,等到应用的安全性和稳定性得到验证之后整个电气架构都会被颠覆。

当然上面讲的电源系统仍需硬线连接也不是绝对的。比如一些耗电功率较小的设备,完全可以做成有源的。而且可以确保在整个生命周期都不需要更换设备的电源。可以设想下把玻璃升降器开关做成有源的,开关与电机之间做成无线通讯。那么开关将会取消所有的回路,插件也会被取消。但是功率较大的用电设备还是会保留硬线电源连接。所以升降电机上只会保留电源和接地线回路。这对整个电气架构来说是一个颠覆式的优化。

可以大胆的想象,未来电气架构图只能看到大电流的电源分配系统和接地分配,其他所有的信号通讯系统都会变成“看不见的手”。

一句话:未来已来!


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