汽車線束與信息網絡優化設計方案

魏曉翰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心，廣西 柳州 545007）

前言

隨著氫燃料電池、鋰空氣電池等關鍵技術的突破，加氫、充電配套設施的完善，混合動力及純電動汽車將會大規模生產并成為市場主流；為了使駕駛更加安全便捷，高級駕駛輔助系統（ADAS）、智能車聯網（V2X）、無人駕駛等技術也在逐步普及。一方面是不斷增加的電子電器設備，一方面又是車輛平臺化、輕量化的發展要求，整車電源信號分配系統、信息網絡架構的優化考慮就顯得尤為重要。

1 前艙區域

在傳統內燃機車型上，一般設計有單獨的動力總成低壓線束零件，以便于發動機附件、變速箱的預先分裝。對于混合動力車型或純電動車型，分裝過程增加驅動電機等部件或者發動機直接被驅動電機所取代，動力總成線束也因此而不同或取消。

除了動力總成上的傳感器、執行器外，發動機控制模塊（ECU）或混合動力整車控制模塊（HCU）、變速箱控制模塊（TCU）一般也會由動力總成線束進行連接。通常情況下，模塊會發出信號經由動力總成線束、車身前部線束對位于前艙主配電盒內的相關繼電器進行操縱，以實現主控供電及一些諸如起動機、壓縮機、燃油泵、冷卻風扇等的外圍功能控制。由于整車功能的不斷增加，前艙主配電盒的體積也在不斷變大，這對布置工作、零部件通用性、車型平臺化都是非常不利的。所以考慮設計獨立的動力分配電盒與動力總成線束直接連接，可以更加靈活地適配不同配置/動力車型。

圖1 所示為傳統內燃機車型或混合動力車型的動力分配電盒功能示意。在純電動車型上，雖然已經沒有了動力總成線束，但“動力分配電盒”可以得到保留，在功能增減后由整車控制模塊（VCU）進行驅動。而前艙主配電盒則會朝著通用化、智能化的方向發展，兼具前端控制模塊功能（CAN網絡通信）：一方面作為整車的主要配電中心，一方面可以實現對信號的接受和車輛前部燈光、雨刮、喇叭、行人警示裝置等功能的可靠執行控制。

圖1 傳統內燃機車型動力分配電盒示意

2 乘員倉艙區域

未來車輛儀表臺中部區域將會布置一塊大尺寸觸摸屏[1]，除了作為多媒體系統的顯示界面，其也將成為用戶與車輛交互的主要接口，實現V2X 會話、駕駛輔助顯示、舒適相關控制等功能。這背后其實包含了多個信息網絡的融合。

2.1 V2X

V2X 技術是移動互聯網技術的一個分支，X 可以是任何可能的人或物。具備GPS 模塊、4G/ 5G 通信模塊、Wi-Fi 模塊的車載終端是V2X 技術的基礎之一。車載終端一般還應具備CAN 網絡通訊功能[2]，來讀取一些車輛運行狀況數據進行上傳，或者接收遠程指令執行一些操作。然而考慮到車輛用戶對移動互聯功能的要求，及ADAS（或自動駕駛）系統需要通過車載終端收發高清地圖等大量實時動態數據來進行分析或反饋的客觀實際情況，HS-CAN 網絡最高1Mbps 的傳輸速率已經遠遠不能滿足需求，也意味著更高速率車載通信網絡接入的需要。

目前多媒體系統常用的MOST 總線傳輸速率一般在25Mbps 左右（MOST 25），未來最高可以達到150Mbps 左右（MOST 150）[3]。但MOST 系統采用環狀結構，帶寬是多個設備所共享的。隨著汽車用Ethernet 技術的發展，在滿足EMC 要求的前提下，使用單對非屏蔽雙絞線電纜和標準以太網PHY 組件組建100Mbps 高速率互連網絡[4]將會成為可能。通過以太網交換機，每個接入模塊的傳輸速率最高都可以達到100Mbps 而互不影響。

圖2 為一種采用Ethernet 技術的V2X 網絡示意。車載終端、交互系統、ADAS（或自動駕駛）運算控制器都分別通過兩根非屏蔽雙絞線與以太網交換機相連。ADAS（或自動駕駛）運算控制器與車載終端之間可以進行實時高效的數據交換；用戶也可以在交互界面（HMI）上了解ADAS（或自動駕駛）系統狀態、設置運行參數，或者進行一些個性化的移動互聯操作。

圖2 V2X 網絡示意

2.2 自動駕駛

為了實現真正意義上的自動駕駛，除了高清地圖外，一般還需要借助慣性測量單元（IMU）、激光雷達傳感器（LIDAR）、高清攝像頭、毫米波雷達等裝置[5]。慣性測量單元作為GPS 模塊的互補，可以提高預判定位精度；激光雷達每秒都會產生大量車輛行駛周圍環境的實時三維信息數據；高清攝像頭數據用于識別車道線、交通標志，并協助進行障礙物的檢測歸類；毫米波雷達數據則可以實現惡劣天氣下對激光雷達數據的有益補充。自動駕駛運算控制器基于這些數據進行深度學習并繪制三維地圖，通過與獲取的高清地圖比較，將定位誤差降低至厘米級別以進行高可靠性的駕駛操作、路徑規劃控制。

圖3 自動駕駛網絡示意（純電動車）

因IMU 體積很小，可以考慮將其集成至自動駕駛運算控制器內；激光雷達傳感器、高清攝像頭、毫米波雷達控制器都必須符合汽車用Ethernet 網絡規范，以實現數據的高質量快速傳輸及實時處理（圖3）。自動駕駛執行是在圖3 所示的CAN 網絡或速率更快、可靠性更高的Flex Ray 網絡中進行的。該網絡一般僅包含駕駛操作的核心部件，如整車控制器（VCU）、電動助力轉向系統（EPS）、電子穩定程序控制系統（ESP）等，通過網關（GW）與其它網絡進行信息交換。

2.3 舒適相關控制

交互系統HMI 的舒適相關控制功能，使一些像空調控制開關、室內燈開關、天窗開關等的開關組件得以取消，駕乘體驗進一步得到提升。比如空調系統、四門車窗、車頂天窗等功能均可以通過聲控的方式打開或調整；交互系統的舒適相關設置功能，可以方便駕駛員進行各種個性化設置。比如記憶模塊保存的不同座椅姿態、后視鏡鏡片角度調節偏好，均可以在觸摸屏上進行恢復或重新設置。

交互系統通過類似圖4 所示的CAN 網絡同相關控制模塊來進行信息交流，以實現具體功能的控制，這其中很多都要借助于車身控制模塊（BCM）。受益于這種模塊化網絡通信布局，乘員倉布置工作也會變得更加簡單、線路系統的導線用量也會減少。

圖4 交互CAN 網絡示意

2.4 車身控制模塊

BCM 是車輛防盜、中控、燈光、雨刮等功能的集成控制中心[6]。它接收來自開關、傳感器、網絡報文信號的輸入，進而做出執行或狀態輸出。比如BCM 會對CAN 網絡上的車速信號進行分析，當車速高于設置值時驅動門鎖電機閉鎖（行車自動落鎖功能）；再比如BCM 接收燈光組合開關信號后，會在網絡上發送相關狀態報文，可以用于組合儀表燈光指示燈的顯示控制。圖5 是一種BCM 的網絡示意。一個LIN 網絡對應光雨量傳感器信號及天窗控制，BCM 作為主節點。兩個CAN 網絡，其中一個接入交互CAN 網絡，另外一個接入車身控制CAN 網絡。

圖5 BCM 網絡示意

區域控制模塊的提出主要考慮的是將BCM 的一些驅動部分進行剝離，使BCM 向著信息處理中心的方向發展，體積變小、平臺化程度變高。另一方面區域控制模塊可以作為各自區域的配電、控制、信息中心，避免了以往凌亂的或完全以BCM 為中心向整車發散的導線接入布置。這樣線路系統的導線用量同樣可以減少，也使得區域模塊化的布置思路變為可能。以門控制模塊為例（圖6），它的輸入非常簡單，僅為電源線、接地線、CAN 線及少量信號線（如玻璃升降器開關、門鎖狀態開關等），通過接收CAN 網絡上的指令信息或者直接執行對燈光、玻璃升降、門鎖等的控制操作，并完成相關反饋。

圖6 門控制模塊示意

3 結語

通過建立平臺化設計思維，應用最新的汽車用網絡技術，采取模塊化網絡通訊布局策略，整車電源信號分配系統、信息網絡架構可以得到充分優化，通用性、擴展性變得更強，滿足了未來汽車電動化、互聯化、智能化的發展需要。