汽車電子電氣架構設計及優化措施分析

劉建勇、劉建銘、張發忠

（山東天海科技股份有限公司，山東 聊城 252000）

0 引言

《2021年汽車電子電氣架構產業標桿企業研究》是由新思界產業研究中心發布的報告，其中指出汽車電子電氣架構升級將隨著汽車普及程度的提升和汽車功能復雜化發展成為必然趨勢，現階段圍繞汽車電子電氣架構展開的升級工作主要集中在三個板塊，分別是硬件、軟件和通信[1]。當前，多種現代智能化網絡導航系統被引入汽車制造中，諸多主動性、被動性的安全技術應用讓汽車架構趨于復雜化。近些年來汽車配置復雜度逐年上升，這意味著汽車電子電氣架構設計標準和要求越來越高，所以汽車電子電電氣構設計優化升級的需求已經十分迫切。

1 電子電氣架構技術的含義與未來的發展趨勢

汽車電子電氣架構（EEA）指的是汽車電子電氣系統總布置，就是有效整合汽車內的處理器、線速連接、傳感器、電子分配系統等，從而實現整車在功能、動力、運算和能量等方面的合理分配。EEA 有多種分類，多域集中式、中央集中式與最常見的分布式等，分布式類別的應用時間最長，且在相關科技技術進步的過程中已發展到了第三代[2]。EEA 對于不同設計工程而言有著不一樣的意義，關鍵在于工程師從哪個視角去分析這一問題。就物理架構層面來說，處理的重點在于系統中的實體形狀；就邏輯架構層面而言，處理的重點在于系統中的軟件運行。當下兩種層面的設計語言相互獨立，所以有時候同一個詞代表不同意思，從而增加了設計流程的復雜性。有效開展電子電氣架構設計與優化工作，需要在整個流程前期階段明確系統定義。如若將電子電氣架構設計比作修筑高樓，那么工程師就好比建造師，需要圍繞電子電氣架構的框架和模型進行合理設計與科學測算，反復優化設計思路并校核每個環節的精準性，以此確保電子電氣系統具備的功能可有效滿足客戶多元化的需求。當前EEA 技術已經實現了很大的進步，尤其是連接器、電子元件等都趨于小型化、迷你化，且裝配工藝和制造工藝也逐漸智能化發展，所以需要提高汽車生產靈活性，保持各項發展的同步性和匹配度。

2 對汽車電子電氣架構系統需求的分析

合理優化EEA 設計對汽車而言，能讓汽車整體重量減輕20% 左右，同時降控生產成本的幅度可達到30%，因此有效開展EEA 設計對整個汽車行業發展而言有著重要的現實意義[3]。有針對性且有序地開展EEA 合理設計的前提是全面掌握汽車電子電氣系統需求，通過構建一個完整的運行平臺來奠定電子電氣系統研究基礎，在此過程中都是選用工程管理工具導入現有需求。針對部分已有需求，設計優化時要以市場特性為前提，同時從功能性和非功能性兩個層面去考慮綜合性需求，通常情況下EEA 系統需求分為操作層面與功能層面。

2.1 基于操作層面需求分析EEA 系統

就根本上而言，分析EEA 系統操作性的目的在于更好地滿足各種外部需求，主要是從商業用途和用戶體驗考慮，做到EEA 開發與設計過程對外部需求的充分考量。關于EEA 系統可靠需求主要有三個，一是聯合運用多種操作技術深入分析EEA 系統需求；二是圍繞系統需求分析實施對應的量化工作，以期精準驗證該種程度對客戶方功能需求的滿足情況；三是制定完整的假象分析圖，直觀分析某些特殊情況中可能存在的潛在性需求與功能；四是針對多種模式背景下的EEA 系統功能需求做到合理制定，確保滿足功能需求的板塊處于正常運行狀態，特別需要觀察的就是故障狀態下的運行情況。

2.2 基于功能層面需求分析EEA 系統

就實質上而言，分析EEA 的功能層面需求同樣也是為了更好地滿足系統外部需求，所以同樣具有促進EEA 系統設計優化的現實意義。不過在難以保證需求正確與全面的前提下，有必要基于功能性需求考慮的模型，通過細致分析這個需求模型做到對外部需求的準確、完整掌握[4]。關于功能性需求模型的構建，第一步就是保證需求分析合理，避免在過程中發現某些行為表現恰好是完成切實需求的功能板塊，這種時候就要采取修正措施處理需求模型的不足，并交由相關負責人一同商議后確定系統功能特征，實現一個動態化建模的標準流程。

3 EEA 設計與優化的具體流程

關于EEA 的設計與優化，普遍采用的標準流程就是國際上通用的“V”模式（見圖1），下面具體就從四個階段來闡述EEA 平臺設計與優化流程。

3.1 第一階段：整車需求定義

通過新車型各項數據對比結果、市場定位，再結合收集的客戶特殊需求，進行一系列的評估后，確定新車型的整車需求以及細化每個子系統需求，同時制定測試整車需求滿足程度的方法。市場策劃部和車型設計戰略部是汽車制造企業發展必不可少的兩個部門，這兩個部門在優化EEA 設計前要根據現階段市場車型展開各項參數分析，與此同時根據數據分析結果預判未來一段時間里市場動態變化和車型發展趨勢，精準定位面向不同市場的車型風格定位[5]。這是整車需求定義的關鍵內容，有利于開發商設計研究工作順利開展，為EEA 設計和優化提供有價值的參考信息，既要提升汽車企業經濟效益，也要滿足人們對汽車的系統需求和功能需求。

3.2 第二階段：系統/架構設計

圍繞電子電氣系統需求制定升級系統的方案，從物理層面和邏輯層面定位EEA 需求，制定測試系統/架構設計達標與否的方法。現階段，標桿管理模式已廣泛地應用到了汽車設計中，以標桿車質量評估為準，結合企業自身EEA 的性能、拓撲結構、設計成本、供電系統等因素考慮，開展EEA 設計與優化工作。針對標桿車的全面分析中，通常會大量使用相關數據和信息，對工作人員而言工作難度、工作量都大大提升。因此，企業要在具體環節中合理應用EEA 設計優化相關工具，一方面可有效減少分析數據信息的工作量，另一方面還能一并發揮數據庫功能，完成結構優化。

3.3 第三階段：電子電氣件設計

從物理和邏輯兩個層面考慮，針對每個電子電氣件解決方案，滿足電子電氣對機械、軟件和硬件的需求，同樣要制定測試設計達標與否的方法。EEA 設計與優化的重點在于對用戶需求的滿足，這與汽車最終的市場銷量有著直接關系，所以分析市場需求分析是以EEA 為輔，主要從市場需求中提取有助于銷售人員和項目規劃設計人員工作的信息，相關信息還能為汽車銷售定價提供參考。

3.4 第四階段：電子電氣件開發

零部件供應商按照電子電氣件的機械、軟件與硬件需求開發制造多種器件，并自行制定測試開發達標效果。深入探究EEA 需要相關設計人員結合通信網絡、線束、拓撲結構等多個方面分析，因此各廠家要建立和諧的交流配合關系，建議在此過程中融入分層設計思想。有幾點需要特別注意的地方，一是EEA 功能定義為架構模型設計；二是EEA 邏輯功能定義為描述電子電氣架構功能與方法；三是關注包括遠離層、網絡層和部件層在內的EEA 硬件，通過優化設計提升其收發信息的準確性；四是科學設計汽車拓撲結構，不能忽略任意一個零部件。

3.5 第五階段：驗證環節之電子電氣件設計

按照此前制定的測試方法，規范檢測電子電氣件設計是否達到預期目標。

3.6 第六階段：驗證環節之系統/架構設計

按照此前制定的測試方法，規范檢測系統/架構設計是否達到預期目標。

3.7 第七階段：驗證環節之整車需求目標

按照此前制定的測試方法，規范檢測整車需求目標是否實現。

4 汽車電子電氣架構設計優化措施

4.1 對數據庫進行優化升級

相關工作人員在EEA 設計優化中必須充分考慮用戶體驗和需求，否則，很容易導致用戶體驗不佳，這種缺失了實操意義的設計，對汽車企業經營效益的提升是沒有任何促進作用的。對此，需要設計人員對數據庫進行優化升級，當前EEA 的設計有必要將“智能化”作為一個標桿或要求，為用戶提供緊跟時代發展的優質服務。通過優化數據庫可以合理有效使用數據技術，讓汽車電子系統在實際應用環節實時反映各種運行情況，讓智能化汽車系統為用戶提供更好的體驗感。設計人員在優化數據庫的流程中，要全方位考慮人們常有的行為習慣，并錄入一些道路分析參數，增強汽車應用各種突發情況的處理能力。數據分析在當代社會各行各業中都發揮著不可替代的作用，尤其是智能化的分析人們的習慣和使用需求，高質量的數據庫優化工作能在很大程度上讓設計工作更加高效、便捷，還能推動企業制造與設計智能化發展。

4.2 對設計工作進行優化升級

能夠合理選擇設計工具將在很大程度上影響整個EEA 設計優化效果。使用具有一定成熟性的技術開展設計工作，借助用戶接口和數據支持來充分利用所得設計結果，并靈活的調整EEA。由于EEA 有著十分凸顯的精細化特征，所以對設計工作的精細度要求很高，尤其是EEA 設計圖紙的工作難度是最大的，為了有效避免后期返工、失誤等問題出現，相關設計人員一定要仔細檢查圖紙內容，嚴格按照工作標準逐項進行檢查[6]。首先，細致全面地檢查設計圖紙內容，為后期EEA 設計與優化工作的質量提供有力保障，并為EEA 設計優化實踐減少不必要的環節，提升效率。如若在檢查過程中發現了不妥之處，在未修改之前切記不可投入使用，只有通過了初級檢查的圖紙才能投入下一階段工作。其次，對設計樣品進行全面檢查，完成EEA 設計優化后的初步成果就是一個樣品，再通過樣品對設計圖紙進行1∶1 還原，全面檢查樣品的目的在于保證投入使用效果，發現有任何影響實際使用功能的問題，都表示設計上還存在著有待完善的地方。

4.3 合理選擇通信網絡

汽車每一個環節的通信效果都與EEA 水平息息相關，當通信質量不達標時，整車性能發揮有限，用戶的汽車使用感就會下降。在EEA 設計與優化過程中，有必要高度重視通信網絡的合理選擇，要為汽車性能匹配一個運行效率和穩定性均符合要求的通信網絡。EEA 未來一段時間的發展趨勢為智能化，所以在EEA設計與優化工作中要將各板塊之間建立緊密的聯系，杜絕出現卡頓、延遲等因通信不佳導致的問題，盡量保證運行效果和用戶體驗感。比如內置導航提供的信息存在卡頓延遲現象，對汽車行駛路線的選擇影響巨大，甚至可能造成嚴重社會后果，所以設計人員要對通信網絡做到反復測試與合理選擇，為EEA 設計與優化做好輔助工作。

4.4 持續完善電氣故障檢測措施

操作人員在處理電氣故障問題中，往往是通過啟動和停止電氣運行來判斷電流消耗情況。關于電氣功率的檢查，通常以汽車輸出電流判斷標準，若電流值與標準相符，則代表可以按照常規操作關閉或開啟電氣。由于電氣在開啟或關閉過程中存在瞬間電流，所以有必要延長檢測時間，以時間長度為準，進行輸出電流判斷，以此得出電氣運行所消耗的電流量，值得注意的是，要結合電流平均值進行電力消耗判斷，這樣才能得出更加精準的電氣功率。在檢測車輛電子故障環節中，必然要對車輛電子控制部分故障進行排查，上述工作均通過汽車診斷口完成，設計人員可以根據常規檢測方式進行故障診斷，憑借執行器和傳感器在數據傳輸上的精準、高效優勢，并結合ECU 將故障診斷計劃落到實處，有不合理數據出現則表示ECU 發生了故障。

5 結語

諸多國外汽車生產廠商都有屬于自己的汽車電子電氣架構平臺，還有配套的標準化設計優化流程，每種車型的設計與開發都經過了這一流程。近幾年，我國對該項技術的研究已經有了些許成果，但還有很大的提升空間，當下需要進一步加速研發并構建屬于自己的EEA 平臺和規范化設計優化流程，尤其是目前汽車市場競爭愈加激烈的情況下，汽車企業需要妥善應對開發成本過高、產品開發周期過長、品質與性能與市場需求不符等難題。所以我國汽車生產廠商要圍繞EEA 設計與優化強化研發力度，提升我國汽車制造的影響力和競爭力。