一種重型汽車電子電氣平臺架構的自主開發及應用

張文斌，曹魯明，秦延隆，劉召洋，張蘭蘭，韓慶福

（中國重汽技術發展中心，山東 濟南 250101）

一種重型汽車電子電氣平臺架構的自主開發及應用

張文斌，曹魯明，秦延隆，劉召洋，張蘭蘭，韓慶福

（中國重汽技術發展中心，山東 濟南 250101）

以重汽商用車公司的C7系列車型為基礎，構建企業特色的整車電控系統電子電氣平臺架構，劃分整車電氣網絡，制定各個系統功能規范。基于開發的整車電控系統電子電氣平臺架構，進行了架構中關鍵控制器件的車輛管理控制單元和車身控制單元的功能規劃與應用層軟件開發，使整車電氣系統具備功能多元化、系統網絡化、駕駛安全化，在平臺化的基礎上開發新車型的電子電氣系統，將有效地縮短開發周期、降低開發成本、提高產品性能與品質。

重型汽車；平臺；關鍵控制器件；電子電氣架構；電控系統

隨著汽車電子及控制技術的發展與應用，重型商用汽車的電氣系統配置愈加復雜。現代汽車電控系統逐漸向集成化、模塊化、智能化和平臺化方向發展，車上裝用的電控模塊也越來越多，模塊間的信息交互量變得也越來越多，如此龐雜的電子電氣系統對整車空間、功能、性能、成本、裝配、開發周期等各方面都有更高更復雜的要求，傳統的原理及線束設計已經遠遠不能滿足。由此，整車電控系統平臺的設計已成為各大廠商開發新車型時頂層設計的一部分，合理的網絡布局是實現共享信息可用可靠的前提。

國外知名重型載貨汽車VOLVO、MAN、BENZ等公司都擁有先進的汽車電控系統電子電氣架構平臺以及設計和優化流程，并且所有車型的設計開發都遵循于此，擁有電控系統架構中關鍵器件的軟件架構策略和接口規范，基于先進的整車電控系統平臺及控制策略，極易實現駕駛員輔助駕駛系統的配置匹配，甚至實現更高端的自動駕駛。在平臺化的基礎上開發新車型的電控系統，有效地縮短了開發周期、降低了開發成本、提高了產品性能與品質。隨著汽車行業平臺化和模塊化的發展，整車電子電氣的開發也必須遵循一定的次序和規則，順應汽車行業和企業自身發展方向。中國重汽是國內最早研究整車電控系統電子電氣平臺架構及網絡關鍵控制器件的企業，以該企業C系為平臺進行了重型商用汽車電控平臺研發及產業化。

1 詳細的技術內容

1.1 總體思路

深入研究MAN、奔馳和VOLVO等成熟的整車電控系統電子電氣平臺架構，以重汽商用車公司的C7系列車型為基礎，構建中國重汽的整車電控系統電子電氣平臺架構，劃分整車電氣網絡，制定各個系統功能規范。基于開發的整車電控系統電子電氣平臺架構，進行了架構中關鍵控制器件的車輛管理控制單元VCU（vehicle management control unit）和車身控制單元BCU（body control unit）的功能規劃與應用層軟件開發。根據功能需求，形成相應的邏輯算法，通過對VCU和BCU的應用層編程，使所有相關系統在有效范圍內完成相互交換信息、傳遞數據的工作，綜合匹配

1.2 技術方案

1.2.1 整車電控平臺的網絡架構開發

結合車輛各模塊的控制功能要求等因素，將整車電控系統電子電氣網絡架構劃分成如下功能域：①車身電子控制域，涵蓋駕駛室內部各電控單元；②底盤電子控制域，涵蓋底盤各電控單元；③發動機電子控制域，涵蓋發動機及排放相關控制器。

各功能域的信息交互是由網關實現的，網關是整車網絡通信的核心部件。根據整車電子電氣網絡架構中網關的應用情況，本項目采用分布式網關控制系統，即將網關功能集成在某些控制器中，除具備車輛控制的相關功能外，還兼具不同域間信息傳遞的功能。本項目采用VCU作為動力域與底盤域的通信網關，進行CAN信息的傳遞與交互；采用BCU作為連接車身域與底盤域的分布式網關，進行CAN信息的傳遞與交互。開發的整車電控系統電子電氣架構平臺如圖1所示。

圖1 整車電控系統電子電氣架構平臺

1.2.2 車輛管理控制系統VCU開發

基于開發的整車電控系統電子電氣網絡架構平臺，設計開發了車輛管理控制器VCU。VCU是實現整車控制決策的核心電子控制單元，它通過采集油門踏板、擋位、制動踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖，通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，向動力系統、制動系統等發送車輛的運行狀態控制指令，實現對汽車動力、舒適度、安全性以及能耗等多方面任務進行調整優化，配合電控平臺網絡讓汽車擁有更好的操作性和可靠性。通過對VCU的應用層編程，主要功能集中在車輛的縱向動力管理、速度控制等方面，能夠根據車輛行駛環境和駕駛員意圖控制車輛高效、安全地運行。重汽公司自主研發的車輛管理控制器VCU關鍵技術內容如下。

1）基于MBDS軟件的MATLAB/Simulink的模型設計環境，我們進行了車輛管理控制器VCU的應用層程序的設計開發。基于模型的功能開發，提高了團隊軟件開發的工作效率，保證了軟件開發的品質，節約了開發成本；采用模塊化的軟件設計，提高了軟件的可移植性、可擴充性及可維護性。MBDS編程框架如圖2所示。

圖2 MBDS編程框架

2）采用快速原型工具、模型在環（MIL）、硬件在環（HIL）等工具對軟件模型進行驗證，加速開發進度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具（TortoiseSVN）進行管理，增強可追溯性；駕駛員扭矩計算、起步換擋控制、動力經濟模式切換、扭矩仲裁和故障診斷策略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性有著重要的影響。HIL測試臺架如圖3所示。

圖3 HIL臺架

3）無人值守電控轉向功能。車輛管理控制器VCU通過車輛行車路徑以及上裝系統的轉向請求，發送控制報文執行命令給EPS，實現無人值守的電控轉向功能。在此基礎上可以擴展輔助駕駛或無人駕駛功能。

4）自動變速器換擋控制功能。車輛管理控制器VCU根據上裝控制系統或遠程命令，實現對AMT的掛擋控制、起步控制等。此外，還根據實際路況或控制要求，實現加減擋控制、擋位限制控制等。整個功能都是未來的輔助駕駛或無人駕駛的控制基礎。

5）電子手制動控制功能。車輛管理控制器VCU根據駕駛意圖可以在EBS控制器的基礎上實現智能手制動功能，遠程實現停車駐車、起步解除等功能。在此基礎上擴展實現了坡道起步協助功能等。

6）智能制動控制功能。車輛管理控制器VCU根據駕駛意圖、上裝控制系統或遠程命令等要求，實現緩速制動和行車制動相結合的智能制動控制功能。在此基礎上可以擴展輔助駕駛或無人駕駛的主動制動功能。

7）采用先進的電子控制單元軟件開發分層的體系框架，增強了主機廠整車電子平臺功能開發的柔性。

8）采用多網絡總線架構，使主機廠面對整車眾多復雜的電子控制單元擁有更廣泛的集成空間，有利于保護整車廠家的知識產權，形成以整車廠家為核心技術主導的電子電控開發格局。

9）VCU內部開發了先進的在線故障診斷系統，能夠方便維修人員快速、準確地對車輛進行維修工作。

VCU已完全達到項目預計的設計技術功能需求和產品化要求，并成功完成并通過了各種產品功能、環境、電磁兼容等測試，可完全實現國外先進汽車廠商類似產品的功能。作為國內第1款擁有完備功能的高端重型汽車整車電控系統，具有完全的自主知識產權。該項目的成功開發極大地提高了產品開發效率和整車電子技術的應用水平，填補了國內同行業空白，對推動國內汽車電子行業的發展具有很好的示范作用。

1.2.3 車身控制系統BCU開發

車身電子控制系統包括車身控制器、儀表、車載終端&智能通、門控、A/C、LDW、DFMS（駕駛員疲勞預警）、雨量陽光傳感器、前模塊及后模塊等電控單元。隨著駕駛室內部電器件的增加，按照整車車身相關電器件的功能要求，基于開發的整車電控系統電子電氣網絡架構，我們開發了車身電子控制系統中的關鍵控制器件車身控制器BCU。BCU的主要功能體現在儀表的顯示控制；輔助駕駛系統的聲光警示或顯示；相關控制報文的網絡間CAN信息傳遞；車輛燈具、電磁閥、電機等控制。基于車身控制器的硬件和底層軟件，開發了具有自主知識產權重汽邏輯特色的應用層軟件，車身電氣應用層軟件模塊化編程的應用，能夠滿足相關法規及車輛的使用需求，實現了整車電器連接的網絡化。重汽公司自主研發的車身控制器BCU關鍵技術內容如下。

1）基于LogiCAD軟件PLC的模塊模型化的應用層軟件設計環境，從可移植及邏輯功能模塊可以重復使用的角度看，該軟件設計機制可提高編程技術，提高軟件品質，降低維護工作并且提高開發效率。模塊化程序如圖4所示。

圖4 模塊化編程

2）作為網關，可連接車身控制系統與底盤電子控制系統，進行有效控制信息的網絡傳遞。接收、處理來自于車輛總線上的其他控制單元的CAN信息，供本系統使用；發送必要的信息，提供給其他系統使用。

3）通過車身控制器應用層的程序編寫，實現了行車信息、車輛參數配置、故障信息多屏的有序顯示與切換。行車過程中若出現某一部件的故障，儀表從行車信息屏切換到故障信息屏，使駕駛員及時發現問題、及時修復，避免事故的發生。此顯示方法給駕駛員提供了盡可能多的車輛狀態信息的顯示，使駕駛員實時了解車輛狀況，大幅提高了車輛行駛的安全性。儀表顯示信息如圖5所示。

4）車身控制器通過接收車道偏離預警系統（LDW）、駕駛員疲勞預警系統（DFMS）、自適應巡航（ACC）等相關CAN報文控制命令信息，在駕駛室內儀表上顯示相關的聲光報警與顯示。

5）具有控制車輛燈具、電磁閥、繼電

器、電機、儀表、CAN報文的處理及實現車輛限速等功能。在此架構的基礎上，車身控制器硬件資源豐富，通過應用層軟件編程能夠實現各種功能的延伸與擴展匹配，如電控液壓提升裝置、消防車自動翻轉踏板裝置、刮水控制系統等。

車身控制器已完全達到預期的技術功能需求和產品化要求，成功完成并通過了各種功能、環境、電磁兼容等試驗測試，可完全實現國外先進汽車廠商類似產品的功能。車身控制器作為整車分布式智能總線網絡控制系統架構的關鍵器件與網關，通過電氣應用層軟件架構的設計，實現了整車電器連接的總線化，提高了系統的安全性、可維護性、可移植性、可擴展性，滿足了現代汽車的控制和管理要求。

圖5 正常行車屏信息

2 與國外同類產品的比較

目前，大多數國內重型汽車生產廠家并沒有自主的整車電控系統電子電氣平臺及架構。主機廠采購關鍵零部件，通過標定來實現與整車系統的匹配和集成。因此，關于車輛的很多控制技術需要依靠零部件生產商來實現。所以本課題研發的整車電控系統電子電氣平臺主要與國際同期重型載貨汽車電控平臺進行對比。表1選取MAN的TGX車型以及奔馳的ACTROS車型進行對比。

MAN整車電控平臺及架構將網關功能分布到車輛管理控制器VCU、車身控制器BCU、儀表及上裝控制器BBM中，由上述控制器實現信息的轉換及交互。

表1 MAN的TGX車型與奔馳的ACTROS車型的對比

ACTROS電氣網絡架構既有集成式網關Gateway又有具備網關功能的車輛管理控制器、儀表及BBM，上述控制器協同實現信息的轉換及交互。

中國重汽C7系列整車電控平臺及架構采用分布式網關系統，網關分布在不同的控制器中，其車輛管理控制器VCU、車身控制器BCU均具備網關功能。此外，車輛管理控制器、車身控制器的應用層程序自主開發、測試和量產化，有利于主機廠掌握車輛控制的核心技術，提高車輛性能上的靈活性，來滿足廣大用戶的需求。同時還能大幅降低車輛的研發成本，產生巨大的經濟效益。

3 總結

本課題與本單位的生產經營活動相結合，新產品研發與成果應用及產業化相結合，使得重型商用車電控平臺系統的產業化在短時間內得以實現。該成果主要同本公司最高端的汕德卡C7系列車型相匹配，整個系列包括牽引車、載貨車、混凝土泵車、消防車等。從2014年至2016年，銷售的汕德卡C7車輛底盤6000余臺。從訂單數量來看，高端車型在細分市場上的需求呈逐年上升趨勢。C7車輛不僅在國內區域銷售，同時，還出口到臺灣、香港、澳洲等地區和國家，取得了巨大的經濟效益，同時提高了中國重汽品牌的國際影響力。

匹配開發的電控平臺及關鍵控制器件車輛管理控制器和車身控制器的C7系列車型，能夠滿足不同國家不同客戶的個性化定制需求，在此架構基礎上，能夠進行各種功能的延伸與擴展匹配。目前本公司還在緊鑼密鼓地將本課題研發的電控平臺進行延展變形開發，以適用于目前銷量最大的中低端車型，以形成重汽公司中重型全系列的電控平臺架構，繼續擴大成果的應用范圍。

［1］ 任強，黃少堂，梁偉強，等.跨平臺的整車電子電器架構的分析與設計［J］.自動化儀表，2017，38（3）：85-89.

［2］ 伏軍鋒.汽車電氣系統設計［J］.汽車電器，2010（1）：1-5.

［3］ 李震，劉敏.基于Autosar的整車電子電氣架構設計方法［J］.機電一體化，2012，18（11）：73-76.

（編輯 楊 景）

Self-development and Application of a Heavy Duty Automotive Electrical Platform

ZHANG Wen-bin，CAO Lu-Ming，QIN Yan-Long，LIU Zhao-Yang，ZHANG Lan-Lan，HAN Qing-Fu

（Technical Development Center of China National Heavy Duty Truck Group Co. Ltd，Ji’nan 250101，China）

This article introduces the electronic and electrical （EE） platform of the vehicle electronic control system based on the C7 series of heavy truck commercial vehicle company，divides the vehicle electrical network，and sets up the system function specification. Based on the system structure，the functional planning and application software development of the vehicle management control unit （VCU） and the vehicle body control unit （BCU） of the key control devices in the structure are carried out，which achieves the vehicle electrical system functional diversification，system network，and driving safety. Developing new model EE system based on this platform could effectively shorten the development cycle，reduce costs，improve product performance and quality.

heavy-duty vehicles；platform；key control devices；electrical and electronic architecture；electronic control system

B

1003-8639（2017）10-0014-05

2017-05-02

張文斌（1970-），男，高級工程師，中國重汽技術中心汽車電子設計部整車電控所所長，主要從事整車電氣網絡平臺架構的設計及應用。

協調發動機電子控制、自動變速器電子控制、電子制動、車身穩定等系統，實現汽車動力綜合管理，提高汽車操縱響應能力和對車輛進行持續控制。同時，將車輛自身狀況與各子系統的工況等信息，在儀表進行精確、實時、有效地警示或顯示。基于搭建的整車電控系統電子電氣平臺架構，在實現預見性駕駛和輔助駕駛基礎上，為將來車輛的電子化發展和智能化功能擴展提供網絡環境。