学习笔记13--车辆电子电气架构技术

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶系统设计及应用》书籍的笔记.

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1.车辆电子电气架构技术

1.1 汽车电子电气技术

1.1.1 汽车电气技术

1. 设备的组成

   1. 电源部分。

      电源部分包括蓄电池及发电机；当发电机工作时，由发电机向全车用电设备供电，同时给蓄电池充电；蓄电池在起动发动机时向起动机供电，并在发电机不工作时向用电设备供电；电压调节器使发电机的输出电压保持恒定；

   2. 用电设备

      基本的用电设备分为：起动系统、点火系统、灯光与信号系统、信息显示系统、辅助电气系统及电子控制系统等部分；

      • 起动系统：起动系统的作用是起动发动机，起动系统由起动机、起动继电器及起动开关组成；
      • 点火系统：点火系统的作用是产生电火花，点燃可燃混合气，点火系统分为电子点火系统与计算机控制点火系统，目前，电控发动机汽车基本全部使用计算机控制点火系统，部分燃油器式发动机上还使用电子点火系统；
      • 灯光与信号系统：照明装置包括车内、外各种照明灯及提供夜间安全行驶必要的灯光，信号装置包括电喇叭、闪光器、蜂鸣器及各种信号灯，主要用来提供安全行车所必需的信号；
      • 信息显示系统：信心显示系统包括润滑油压力表、冷却液温度表、燃油表、车速里程表、发动机转速表等仪表；报警装置及电子显示装置用来监测汽车各个系统的工况；
      • 辅助电气系统：辅助电气系统包括电动刮水器，风窗洗涤器，风窗加热器，汽车空调，汽车音响，安全气囊，中控门锁系统，电动车窗，电动天窗，电动后视镜，电动座椅，电动后遮阳帘，电动杂物箱等；
      • 电子控制系统：电子控制系统包括电控燃油喷射装置，电控点火装置，防抱死制动系统，自动变速器，电控悬架系统及自动巡航控制系统等，采用电控系统可提高汽车的动力性，经济型，安全性及达到净化排气的目的，使得汽车电气系统的功能更加丰富；

   3. 配电装置

      配电装置包括：中央接线盒、电路开关、保险装置、插接器和导线等；

2. 汽车电气设备的特点

   1. 低压。汽车电气设备的额定电压有$12V$和$24V$两种；汽油发动机普遍采用$12V$电源，大型柴油发动机多采用$24V$电源；
   2. 直流。汽车电源系统为发电机和蓄电池，蓄电池可以循环反复使用，发电机给蓄电池充电时必须使用直流电，所有汽车电源系统采用直流电源；
   3. 单线制。汽车上所有用电设备都是并联的，电源正极到用电设备只用一根导线连接，用电设备利用本身的金属外壳直接与汽车车身相连，汽车的金属车身作为公共回路，回到电源负极，这种连接方式称为单线制；
   4. 负极搭铁。采用单线制，蓄电池的一个电极须接到车架上，俗称"搭铁"；若将蓄电池的负极接到车架上，称为"负极搭铁"；

3. 汽车导线、线束及插接器

   1. 为了便于维修，连接各设备的导线常以不同的颜色区分；截面积在$4m{m}^2$以上的导线采用单色线，截面积在$4m{m}^2$以下的导线均采用花线；
   2. 为了使全车线路规整，安装方便及保护导线的绝缘，汽车上的全车线路除高压线、蓄电池的电缆外，一般都将同一个区域的不同规格的导线用棉纱或薄聚氯乙烯带缠绕包扎成束，称为线束；
   3. 线束一般分为：发动机线束、仪表线束、车身线束等；
   4. 线束与线束之间、线束与用电设备之间、线束与开关之间的连接采用插接器；插接器不能松动、腐蚀，为保证插接器的可靠连接，其上都有锁紧装置，且为了避免安装中出现差错，插接器制成不同的规格、形状；

1.1.2 汽车电子控制技术

1. 概述

   • 汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器(ECU)、驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统配合使用，并利用电缆或无线电波互相传输信息，即所谓的"机电整合"，如：电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、电子控制悬架系统、电子控制自动变速器、电子助力转向等；
   • 汽车电子控制系统大体分为4个部分：发动机电子控制系统、底盘综合控制系统、车身电子安全系统、信息通信系统；

2. 汽车电控的分类

   1. 发动机电控系统。

      发动机电子控制系统(EECS)是通过对发动机点火、喷油、控制空气与燃油的比率、排放废气等进行电子控制，使发动机在最佳工况状态下工作，以达到提升其整车性能、节约能源、降低废气排放的目的；

      • 电控点火装置(ESA)：该装置根据传感器测得的发动机参数进行运算、判断，然后进行点火时刻的调节，可使发动机在不同转速和进气量等条件下，保证在最佳点火提前角下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，降低油耗和排放、节约燃料、减少空气污染；
      • 电控燃油喷射(EFI)：电控燃油喷射装置因其性能优越而逐渐取代了机械式或机电混合式燃油喷射系统，当发动机工作时，该装置根据各传感器测得的空气流量、进气温度、发动机转速及工作温度等参数，按预先编制的程序进行运算后与内存中预先存储的最佳工况时的供油控制参数进行比较和判断，适时调整供油量，保证发动机始终在最佳状态下工作，使其在输出一定功率的条件下，发动机的的综合性能得到提高；
      • 废气再循环控制(EGR)：废气再循环控制系统是目前用于降低废气中的氧化氮排放的一种有效措施，其主要执行元件是数控式EGR阀，作用是独立地对再循环得到发动机的废气量进行准确的控制；

   2. 底盘综控系统

      底盘综合控制系统包括：电控自动变速器(ECAT)、防抱死制动系统(ABS)与驱动防滑系统(ASR)、电子转向助力系统(EPS)、自适应悬挂系统(ASS)、巡航控制系统(CCS)等；

      • 电控自动变速器(ECAT)

        ECAT根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经计算、判断后自动地改变变速杆的位置，按照换挡特性精确地控制变速比，从而实现变速器换挡的最佳控制，得到最佳挡位和最佳换挡时间；ECAT具有传动效率高、低油耗、换挡舒适性好、行驶平稳性好及变速器适用寿命长等优点；

      • 防抱死制动系统(ABS)与驱动防滑系统(ASR)

        汽车防抱死制动系统可以感知制动轮每一瞬间的运动状态，通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑移率，从而使汽车在各种路面上制动时，车轮与地面都能达到纵向的防止附着系数和较大的侧向附着系数，以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全的因素，可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性；

      • 电子转向助力系统(EPS)

        电子转向助力系统采用电动机与电子控制技术对转向进行控制，利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向，系统不直接消耗发动机的动力；EPS一般由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器及蓄电池电源等构成；

        汽车在转向时，转矩(转向)传感器会感知转向盘的力矩和拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，电动机会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生助力转向，如果不转向，则此套系统不工作，处于待调用状态；

      • 自适应悬挂系统(ASS)

        自适应悬挂系统能根据悬挂装置的瞬时负荷，自动、适时地调整悬挂的阻尼特性及悬挂弹簧的刚度，以适应瞬时负荷，保持悬挂的既定高度，极大地提高了车辆行驶的稳定性，操纵性和乘坐的舒适性；

      • 巡航控制系统(CCS)

        巡航控制系统是让驾驶员无须操作油门踏板就能保证汽车以某一固定的预选车速行驶的控制系统；

   3. 车身安全系统

      车身电子安全系统包括：车身系统内的电子设备，主要有自适应前照灯系统、汽车夜视系统、安全气囊、碰撞警示与预防系统、轮胎压力监测系统、自动调节座椅系统、安全带控制系统等，提高了驾驶人员和乘客的舒适和方便；

   4. 信息通信系统

      信息通信系统包括：汽车导航与定位系统、语音系统、信息系统、通信系统等；

3. 汽车电控的发展趋势

   汽车电子技术向集成化、智能化和网络化三个主要方面发展；

   1. 集成化

      • 将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制；
      • 将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统和驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制；
      • 通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接，控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统；

   2. 智能化

      智能交通系统(ITS)的开发将电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线；它装有电子地图，可以显示出前方道路，并采用卫星导航，从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通拥塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线；

   3. 网络化

      大量的数据的快速交换、高可靠性及低成本是对汽车电子网络系统的要求，在该系统中，各子处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其他处理机需要时提供数据服务，主处理机收集整理各子处理机的数据，并生成车况显示；

4. 汽车电控的发展过程

   1. 第一阶段(20世纪60年代中期至70年代末)

      汽车电子控制技术萌芽及初级发展阶段，主要特点是改善汽车单个零部件的性能，比较有代表性的技术：电子收音机、发电机硅整流器、电压调节器、晶体管无触点电子点火和电子控制燃油喷射等；

   2. 第二阶段(20世纪70年代末至90年代中期)

      汽车电子控制技术的大发展阶段，开始出现具有一定综合性的汽车电子控制系统，大规模集成电路和超大规模集成电路技术的快速发展和自动控制理论的引入，使汽车电子控制技术基本成熟，并逐渐向汽车的其他组成部分扩展，比较有代表性的技术：发动机电子控制系统、自动变速器、防抱死制动系统、电控悬架、电控转向、电子仪表和影音娱乐设备等；

   3. 第三阶段(20世纪90年代中期至今)

      在此期间，各种控制系统的功能进一步增强，性能更加完善，主要体现如下：

      1. 动力控制方面：在发动机管理(Engine Management System，EMS)的基础上增加了变速器控制功能，扩展为动力传动控制系统(Powertrain Control Module，PCM)；
      2. 汽车主动安全控制方面：在防抱死制动系统(Anti-lock Braking System，ABS)的基础上，增加了牵引力控制系统(Traction Control System，TCS)和驱动防滑系统(Acceleration Slip Regulation，ASR)控制功能；
      3. 车辆稳定性方面：出现了车辆稳定性控制系统(Vehicle Stable Control，VSC)、强化车辆稳定性系统(Vehicle Stable Enhance，VSE)及智能悬架控制系统；
      4. 被动安全控制方面：发展了主动安全带和安全气囊的综合控制技术；
      5. 改善驾驶人劳动强度和保障行车安全方面：在传统巡航控制系统的基础上开发出智能巡航控制，即自适应巡航(Adaptive Cruise Control，ACC)，控制内容包括防抱死制动、牵引力控制及车辆稳定性控制等，驾驶人即使没有踩脚踏板，ACC也能在必要的时刻自动完成汽车制动操作，以保证安全；
      6. 以控制器局域网(Controller Area Network，CAN)为代表的数据总线(Data Bus)技术得到发展，CAN总线将各种汽车电子控制系统连接成车载网络；在车载网络中，各控制装置独立运行，完成各自的控制功能，同时，还可以通过通信线为其他控制系统提供数据服务，实现信息共享，以大规模集成电路和控制器局域网为特征的、多学科综合的汽车电气及电子控制技术，是第三阶段的突出特征；

1.2 汽车电子电气架构

1. 汽车电子电气架构概述

   电子电气架构属于车辆电子电气系统的顶层设计，目标是在功能需求、法规和设计指标等特定约束条件下，综合对功能、性能、成本和装配等方面的具体分析，得到最优的电子电气系统技术方案；伴随着平台化、模块化开发理念在车辆开发中的应用，电子电气系统普遍基于平台化要求进行规划，即构建利于复用、裁剪、扩展的电子电气架构，用于支撑目标市场的不同车型；电子电气架构EEA(Electronic and Electrical Architecture，EEA)取代了传统意义上的原理线束设计；

2. 汽车电子电气架构分类

   汽车电子电气架构的宏观表现为物理架构和逻辑架构，但微观实现是通过各个电子器件的集成式或分布式的系统级电子电气架构；汽车电子电气架构分为：单元分布式电子电气架构、域中央式电子电气架构、整车中央式电子电气架构；

   单元分布式电子电气使用主从结构，按照各个系统的功能来划分，有分布式执行器或传感器单元与区域控制中心；具有包装体积小、灵活性高、易于标准化的优点，但设计复杂；

   域中央式电子电气架构表现为很高的集成度，可以将多个系统的功能集成在一起，使用传统的布线方法，优势是起动价格低，复杂度低，易于标准化，但包装和装配复杂，灵活性低；

3. 汽车电子电气架构发展趋势

   在新型电动汽车正向开发中，借助于芯片、电子元器件等的成本下降趋势，整车企业都在以车载以太网和域控制器为核心器件对汽车电子架构进行模块化设计，大幅度缩短线束长度，可以降低电线电阻，进而减少能量损耗；

   汽车电子电气架构最近的一次真正变革在1983年：博世(Bosch)集团推出CAN(控制器局域网)协议，首款采用CAN总线的车型为1986款BMW860轿跑；作为一种集中式网络，CAN总线可以广播车辆的全部数据流，允许车内的各种控制器和传感器相互沟通；

   以太网配合CAN总线使用时，以太网单纯负责一些更关键的安全系统，将一些与驾乘舒适度有关的功能交给CAN总线处理，"CAN+车载以太网"的双主干网络总线架构，CAN协议主要负责时效要求更高、数据量小的信息传输，车载以太网主要用于不同的域之间，以实现数据量大的信息互通；

1.3 车载以太网

汽车电子电气架构设计的核心内容：研究汽车电气系统的"组成"和"交互"问题，而"交互"分为硬线信号和网络信号交互；

1. 概述

   1. 以太网概述

      • 以太网主要由IEEE 802.3工作组负责标准化，以太网从最初支持10Mb/s的吞吐量开始，经过不断的发展，支持快速以太网(100Mb/s)、千兆以太网(1Gb/s)、万兆以太网(10Gb/s)及100Gb/s；
      • 主流的车载以太网的技术标准是基于博通公司的BroadR-Reach(BRR)技术，IEEE已经完成对100Mb/s车载以太网技术的标准化，正对1Gb/s传输速度的车载以太网进行标准化；
      • 车载以太网在车内将主要应用在对带宽需求较高的系统上，如：高级驾驶辅助系统(ADAS)、车载诊断系统(OBD)及车载信息娱乐系统等；

   2. 以太网的发展

      现代汽车已经被深度网络化，体现在以下几个方面：

      • 汽车内部的网络化，通过网络化实现整车系统控制，驾驶员信息显示，以及保证车辆的安全性和舒适性；
      • 汽车之间的网络化，如：避免车辆之间发生碰撞；
      • 汽车和道路基础设施之间的网络化，这可以进一步提高安全性和交通效率；
      • 汽车和互联网之间的网络化，将使驾驶员可以实时获取当前交通状况等信息；

2. 车载以太网

   1. 什么是车载以太网

      • 车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术，与普通的以太网使用4对非屏蔽双绞线(UTP)电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mb/s甚至1Gb/s的数据传输速率，同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟及同步实时性等方面的要求；
      • 车载以太网的物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层技术已经由单线对以太网联盟(One-pair Ethernet Alliance，OPEN)标准化，车载以太网的MAC层采用IEEE 802.3的接口标准，无须做任何适配即可无缝支持广泛使用的高层网络协议(如TCP/IP)；

   2. 车载以太网的主要技术

      1. 物理层PHY：车载以太网使用单对非屏蔽电缆及更小型紧凑的连接器，使用非屏蔽双绞线时可支持15m的传输距离(对于屏蔽双绞线可支持40m)，100Mb车载以太网的物理层采用了1Gb以太网的技术，通过使用回声抵消在单线对上实现双向通信；车载以太网的物理层与标准的100BASE-TX的物理层的主要区别：

         • 与100BASE-TX所使用的扰频器相比，车载以太网数字信号处理器(DSP)采用高度优化的扰频器，可以更好分离信号，比100BASE-TX系的频谱效率更高；
         • 车载以太网的信号带宽为66.7MHz，只有100BASE-TX系的一半，较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求；

      2. "一对数据线供电"PoDL：以太网供电PoE技术可通过标准的以太网线缆提供15.4W的供电功率；在一条电缆上同时支持电与数据传输，对进一步减少车上电缆的重量和成本很有意义；PoDL可在一对线缆上为电子控制单元ECU的正常运行提供12V DC或5V DC供电电压；

      3. 先进电缆诊断ACD：ACD功能可以通过分析反射信号的幅度和延迟来检测电缆的故障位置；

      4. 高能效以太网：当关闭引擎时，车上电子单元不是全部关闭，这时需要电池供电，电池的电量是有限的，这时可采用高效能以太网技术关闭不再用的网络以降低耗电量；

      5. 时间同步：车内某些应用需要实现不同传感器间的时间同步，或在执行某次测量时需要知道不同节点的时刻，这需要在全部参与测试的节点间做到同步，某些精度甚至需要达到亚微秒级，车载以太网采用IEEE 802.1AS的定时同步标准，该标准通过IEEE 1588V2的Profile从而用一种更简单快速的方法确定主时钟，规定了广义的精确时间协议(gPTP)；

      6. 时间触发以太网：在传统以太网中，只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包，即使在Gb/s速率下也需要几百微秒的延迟，满足不了车内应用的需求；IEEE 802.3工作组开发了一种高优先级的快速包技术，使得快速包可插入正在处理的包队列中被优先处理以保证延迟在微秒级范围内；

      7. 音视频桥接AVB：为满足车内音视频应用的低延迟和可保证的带宽要求，可在车内使用IEEE 802工作组开发的AVB相关标准；AVB技术提供了优先级、流量预留协议(SRP)、流量整形协议(FQTSS)等核心功能；

         IEEE同时制定了AVB的传输协议，包括：

         • IEEE 1722-2011：桥接局域网中的时间敏感应用第二层传输协议标准，亦称音视频传输协议(AVTP)；
         • IEEE 1733-2011：桥接局域网中的时间敏感应用第三层传输协议标准；

   3. 车载以太网的优势

      1. 全双工(Full-Duplex)的运行方式。

         全双工运行意味着两个互相连接的设备可以同时发送和接收数据，相比于传统的共享式网络有三个优势：全双工意味着两个设备可以同时发送和接收数据，而不需要轮流发送和接收数据；其次，全双工意味着更大的带宽总和；最后，全双工运行为不同设备之间的同步通信奠定了技术基础；

      2. 包交换技术。

         包交换技术将通信数据拆分为称作包的消息，在以太网中，使用帧更普遍；这些消息可以分段发送到不同的网络上，允许同时发生多个数据交互；简单的BroadR-Reach交换机网络如下图所示：
         主机(head unit)和扬声器(speaker)间的消息可以在每个方向上进行100Mb/s的数据传输，显示器(display)和控制台(console)同样，且它们间的数据传输可以同时进行，总共的理论带宽达到400Mb/s；

      3. 基于地址的消息。

         每个以太网消息都有一个源地址和目标地址；交换机通过目标地址将消息路由到它们的接收方；源地址可以被接收方读取并用于任何必要的回应；

         对于以太网交换机而言，它们可以连接在一起将消息自动传输到接收方，而不需要考虑网络配置的更改，使得增加以太网设备而需要增加交换机时变得很容易，也允许创建任意规模的网络；交换机组网机制如下图所示：
         以太网技术的一个重要特点：在物理层实施时需要进行电气隔离，对于像Gigabit以太网这种大型的以太网技术，以太网控制器和以太网线缆至少通过以下三种电气隔离测试：1500Vrsm at 50Hz to 69Hz持续60s；220VDC持续60s；以不少于1s的间隔实施10个2400V的变换极性的脉冲序列；
         近年来汽车中摄像头数量迅速增加，在大多数的摄像头网络系统中，摄像头通过使用三种技术连接：一是模拟量的NTCS(National Television System Committee)信号，二是模拟量的PAL(Phase Alternating Line)，三是数字量的LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)；

3. 车载以太网标准化

   1. IEEE

      IEEE 802.3制定的局域网标准代表了业界主流的以太网技术，车载以太网技术是在IEEE 802.3基础上开发研制的，IEEE是目前最重要的车载以太网国际标准化机构；

   2. OPEN

      OPEN联盟是于2011年11月由博通(Broadcom)、恩智浦(NXP)、宝马(BMW)公司发起成立的开放产业联盟，旨在推动将基于以太网的技术标准应用于车内联网；

      OPEN的主要标准化目标：

      • 制定100Mb/s BroadR-Reach的物理层并将其推广成为开放的产业标准；
      • 在相关标准化组织中鼓励和支持开发更高速的物理层技术规范；
      • 制定OPEN的互通性要求，选择第三方执行互操作性测试；
      • 发现车载以太网在实现过程中的标准化缺口；

   3. AUTOSAR

      AUTOSAR由汽车制造商、供应商及工具开发商发起的联盟，旨在制定一个开放的、标准化的车用软件架构；AUTOSAR的规范包括车用TCP/UDP/IP协议栈；

   4. AVnu

      AVnu联盟由博通联合思科、哈曼和英特尔公司成立，致力于推广IEEE 802.1的AVB标准和时间同步网络(TSN)标准，建立认证体系，并解决诸如精确定时，实时同步，带宽预留，流量整形等重要的技术和性能问题；

1.4 未来架构的一些特点

1. 大处理与集中控制

   1. 计算机管理总系统，即计算机平台，将车上所有电子控制系统包括改善汽车本身性能的、增强驾驶人能力的，都由计算机管理总系统进行统一管理，并将所有的电子控制系统有机地组成一个整体，使技术能够充分而正确地发挥；
   2. 当前汽车电子电气架构与未来汽车电子电气架构图如下图所示：
   3. 自动驾驶计算平台以环境感知数据、GPS信息、车辆实时数据和V2X交互数据等作为输入，基于环境感知定位、路径决策规划和车辆运动控制等核心控制算法，输出驱动、传动、转向和制动等执行控制指令，实现车辆的自动控制，并通过人机交互界面实现自动驾驶信息的人机交互；
   4. 为了实现自动驾驶系统高性能和高安全性的控制需求，智能汽车计算平台汇集了多项关键技术，包括：基础硬件/软件平台技术、系统安全平台技术、整车通信平台技术、云计算平台技术、核心控制算法技术等；

2. 可重构设计

   为了不断满足新的需求，现代架构最重要的特点在于其灵活性和可重构性，当开始设计一个新的架构时，这个架构需要在其整个使用寿命中适应各种巨大的改变，在模块化设计思路与1Gb以太网的推动下，未来的电子架构将从目前的分布式架构转为跨域结构(APAS、动力总成、车身和信息娱乐系统)；

3. 在云端

   在未来，云计算主要负责一些非实时活动及近实时的协调工作，如：判断周围交通状况与天气变化等，车辆的安全功能将在很大程度上借助FOTA(空中固件升级)与SOTA(空中软件升级)来实现；