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一种重型汽车电子电气平台架构的自主开发及应用

2018-09-28 22:54:37·  来源:汽车电子  
 
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随着汽车电子及控制技术的发展与应用,重型商用汽车的电气系统配置愈加复杂。现代汽车电控系统逐渐向集成化、模块化、智能化和平台化方向发展,车上装用的电控模
随着汽车电子及控制技术的发展与应用,重型商用汽车的电气系统配置愈加复杂。现代汽车电控系统逐渐向集成化、模块化、智能化和平台化方向发展,车上装用的电控模块也越来越多,模块间的信息交互量变得也越来越多,如此庞杂的电子电气系统对整车空间、功能、性能、成本、装配、开发周期等各方面都有更高更复杂的要求,传统的原理及线束设计已经远远不能满足。由此,整车电控系统平台的设计已成为各大厂商开发新车型时顶层设计的一部分,合理的网络布局是实现共享信息可用可靠的前提。

国外知名重型载货汽车VOLVO、MAN、BENZ等公司都拥有先进的汽车电控系统电子电气架构平台以及设计和优化流程,并且所有车型的设计开发都遵循于此,拥有电控系统架构中关键器件的软件架构策略和接口规范,基于先进的整车电控系统平台及控制策略,极易实现驾驶员辅助驾驶系统的配置匹配,甚至实现更高端的自动驾驶。在平台化的基础上开发新车型的电控系统,有效地缩短了开发周期、降低了开发成本、提高了产品性能与品质。随着汽车行业平台化和模块化的发展,整车电子电气的开发也必须遵循一定的次序和规则,顺应汽车行业和企业自身发展方向。中国重汽是国内最早研究整车电控系统电子电气平台架构及网络关键控制器件的企业,以该企业C系为平台进行了重型商用汽车电控平台研发及产业化。

1 详细的技术内容
1.1总体思路
深入研究MAN、奔驰和VOLVO等成熟的整车电控系统电子电气平台架构,以重汽商用车公司的C7系列车型为基础,构建中国重汽的整车电控系统电子电气平台架构,划分整车电气网络,制定各个系统功能规范。基于开发的整车电控系统电子电气平台架构,进行了架构中关键控制器件的车辆管理控制单元VCU(vehicle management control unit)和车身控制单元BCU (body control unit)的功能规划与应用层软件开发。根据功能需求,形成相应的逻辑算法,通过对VCU和BCU的应用层编程,使所有相关系统在有效范围内完成相互交换信息、传递数据的工作,综合匹配协调发动机电子控制、自动变速器电子控制、电子制动、车身稳定等系统,实现汽车动力综合管理,提高汽车操纵响应能力和对车辆进行持续控制。同时,将车辆自身状况与各子系统的工况等信息,在仪表进行精确、实时、有效地警示或显示。基于搭建的整车电控系统电子电气平台架构,在实现预见性驾驶和辅助驾驶基础上,为将来车辆的电子化发展和智能化功能扩展提供网络环境。

1.2技术方案
1.2.1整车电控平台的网络架构开发
结合车辆各模块的控制功能要求等因素,将整车电控系统电子电气网络架构划分成如下功能域:①车身电子控制域,涵盖驾驶室内部各电控单元;②底盘电子控制域,涵盖底盘各电控单元;③发动机电子控制域,涵盖发动机及排放相关控制器。

各功能域的信息交互是由网关实现的,网关是整车网络通信的核心部件。根据整车电子电气网络架构中网关的应用情况,本项目采用分布式网关控制系统,即将网关功能集成在某些控制器中,除具备车辆控制的相关功能外,还兼具不同域间信息传递的功能。本项目采用VCU作为动力域与底盘域的通信网关,进行CAN信息的传递与交互;采用BCU作为连接车身域与底盘域的分布式网关,进行CAN信息的传递与交互。

1.2.2车辆管理控制系统VCU开发
基于开发的整车电控系统电子电气网络架构平台,设计开发了车辆管理控制器VCU。VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元,它通过采集油门踏板、挡位、制动踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图,通过监测车辆状态(车速、温度等)信息,由VCU判断处理后,向动力系统、制动系统等发送车辆的运行状态控制指令,实现对汽车动力、舒适度、安全性以及能耗等多方面任务进行调整优化,配合电控平台网络让汽车拥有更好的操作性和可靠性。通过对VCU的应用层编程,主要功能集中在车辆的纵向动力管理、速度控制等方面,能够根据车辆行驶环境和驾驶员意图控制车辆高效、安全地运行。重汽公司自主研发的车辆管理控制器VCU关键技术内容如下。

1)基于MBDS软件的MATLAB/Simulink的模型设计环境,我们进行了车辆管理控制器VCU的应用层程序的设计开发。基于模型的功能开发,提高了团队软件开发的工作效率,保证了软件开发的品质,节约了开发成本;采用模块化的软件设计,提高了软件的可移植性、可扩充性及可维护性。

2)采用快速原型工具、模型在环(MIL)、硬件在环(HIL)等工具对软件模型进行验证,加速开发进度;策略文档和软件模型均采用专用版本工具(TortoiseSVN)进行管理,增强可追溯性;驾驶员扭矩计算、起步换挡控制、动力经济模式切换、扭矩仲裁和故障诊断策略等是应用层的关键技术,对车辆动力性、经济性和可靠性有着重要的影响。HIL测试台架如图3所示。

3)无人值守电控转向功能。车辆管理控制器VCU通过车辆行车路径以及上装系统的转向请求,发送控制报文执行命令给EPS,实现无人值守的电控转向功能。在此基础上可以扩展辅助驾驶或无人驾驶功能。

4)自动变速器换挡控制功能。车辆管理控制器VCU根据上装控制系统或远程命令,实现对AMT的挂挡控制、起步控制等。此外,还根据实际路况或控制要求,实现加减挡控制、挡位限制控制等。整个功能都是未来的辅助驾驶或无人驾驶的控制基础。

5)电子手制动控制功能。车辆管理控制器VCU根据驾驶意图可以在EBS控制器的基础上实现智能手制动功能,远程实现停车驻车、起步解除等功能。在此基础上扩展实现了坡道起步协助功能等。

6)智能制动控制功能。车辆管理控制器VCU根据驾驶意图、上装控制系统或远程命令等要求,实现缓速制动和行车制动相结合的智能制动控制功能。在此基础上可以扩展辅助驾驶或无人驾驶的主动制动功能。

7)采用先进的电子控制单元软件开发分层的体系框架,增强了主机厂整车电子平台功能开发的柔性。

8)采用多网络总线架构,使主机厂面对整车众多复杂的电子控制单元拥有更广泛的集成空间,有利于保护整车厂家的知识产权,形成以整车厂家为核心技术主导的电子电控开发格局。

9) VCU内部开发了先进的在线故障诊断系统,能够方便维修人员快速、准确地对车辆进行维修工作。

VCU已完全达到项目预计的设计技术功能需求和产品化要求,并成功完成并通过了各种产品功能、环境、电磁兼容等测试,可完全实现国外先进汽车厂商类似产品的功能。作为国内第1款拥有完备功能的高端重型汽车整车电控系统,具有完全的自主知识产权。该项目的成功开发极大地提高了产品开发效率和整车电子技术的应用水平,填补了国内同行业空白,对推动国内汽车电子行业的发展具有很好的示范作用。

1.2.3车身控制系统BCU开发

车身电子控制系统包括车身控制器、仪表、车载终端&智能通、门控、A/C、LDW、DFMS(驾驶员疲劳预警)、雨量阳光传感器、前模块及后模块等电控单元。随着驾驶室内部电器件的增加,按照整车车身相关电器件的功能要求,基于开发的整车电控系统电子电气网络架构,我们开发了车身电子控制系统中的关键控制器件车身控制器BCU. BCU的主要功能体现在仪表的显示控制;辅助驾驶系统的声光警示或显示;相关控制报文的网络间CAN信息传递;车辆灯具、电磁阀、电机等控制。基于车身控制器的硬件和底层软件,开发了具有自主知识产权重汽逻辑特色的应用层软件,车身电气应用层软件模块化编程的应用,能够满足相关法规及车辆的使用需求,实现了整车电器连接的网络化。重汽公司自主研发的车身控制器BCU关键技术内容如下。

1)基于LogiCAD软件PLC的模块模型化的应用层软件设计环境,从可移植及逻辑功能模块可以重复使用的角度看,该软件设计机制可提高编程技术,提高软件品质,降低维护工作并且提高开发效率。模块化程序如图4所示。

2)作为网关,可连接车身控制系统与底盘电子控制系统,进行有效控制信息的网络传递。接收、处理来自于车辆总线上的其他控制单元的CAN信息,供本系统使用;发送必要的信息,提供给其他系统使用。

3)通过车身控制器应用层的程序编写,实现了行车信息、车辆参数配置、故障信息多屏的有序显示与切换。行车过程中若出现某一部件的故障,仪表从行车信息屏切换到故障信息屏,使驾驶员及时发现问题、及时修复,避免事故的发生。此显示方法给驾驶员提供了尽可能多的车辆状态信息的显示,使驾驶员实时了解车辆状况,大幅提高了车辆行驶的安全性。仪表显示信息如图5所示。

4)车身控制器通过接收车道偏离预警系统(LDW)、驾驶员疲劳预警系统(DFMS)、自适应巡航(ACC)等相关CAN报文控制命令信息,在驾驶室内仪表上显示相关的声光报警与显示。

5)具有控制车辆灯具、电磁阀、继电器、电机、仪表、CAN报文的处理及实现车辆限速等功能。在此架构的基础上,车身控制器硬件资源丰富,通过应用层软件编程能够实现各种功能的延伸与扩展匹配,如电控液压提升装置、消防车自动翻转踏板装置、刮水控制系统等。

车身控制器已完全达到预期的技术功能需求和产品化要求,成功完成并通过了各种功能、环境、电磁兼容等试验测试,可完全实现国外先进汽车厂商类似产品的功能。车身控制器作为整车分布式智能总线网络控制系统架构的关键器件与网关,通过电气应用层软件架构的设计,实现了整车电器连接的总线化,提高了系统的安全性、可维护性、可移植性、可扩展性,满足了现代汽车的控制和管理要求。

2 与国外同类产品的比较
目前,大多数国内重型汽车生产厂家并没有自主的整车电控系统电子电气平台及架构。主机厂采购关键零部件,通过标定来实现与整车系统的匹配和集成。因此,关于车辆的很多控制技术需要依靠零部件生产商来实现。所以本课题研发的整车电控系统电子电气平台主要与国际同期重型载货汽车电控平台进行对比。表1选取MAN的TGX车型以及奔驰的ACTROS车型进行对比。

MAN整车电控平台及架构将网关功能分布到车辆管理控制器VCU、车身控制器BCU、仪表及上装控制器BBM中,由上述控制器实现信息的转换及交互。

ACTROS电气网络架构既有集成式网关Gateway又有具备网关功能的车辆管理控制器、仪表及BBM,上述控制器协同实现信息的转换及交互。

中国重汽C7系列整车电控平台及架构采用分布式网关系统,网关分布在不同的控制器中,其车辆管理控制器VCU、车身控制器BCU均具备网关功能。此外,车辆管理控制器、车身控制器的应用层程序自主开发、测试和量产化,有利于主机厂掌握车辆控制的核心技术,提高车辆性能上的灵活性,来满足广大用户的需求。同时还能大幅降低车辆的研发成本,产生巨大的经济效益。

3 总结

本课题与本单位的生产经营活动相结合,新产品研发与成果应用及产业化相结合,使得重型商用车电控平台系统的产业化在短时间内得以实现。该成果主要同本公司最高端的汕德卡C7系列车型相匹配,整个系列包括牵引车、载货车、混凝土泵车、消防车等。从2014年至2016年,销售的汕德卡C7车辆底盘6000余台。从订单数量来看,高端车型在细分市场上的需求呈逐年上升趋势。C7车辆不仅在国内区域销售,同时,还出口到台湾、香港、澳洲等地区和国家,取得了巨大的经济效益,同时提高了中国重汽品牌的国际影响力。

匹配开发的电控平台及关键控制器件车辆管理控制器和车身控制器的C7系列车型,能够满足不同国家不同客户的个性化定制需求,在此架构基础上,能够进行各种功能的延伸与扩展匹配。目前本公司还在紧锣密鼓地将本课题研发的电控平台进行延展变形开发,以适用于目前销量最大的中低端车型,以形成重汽公司中重型全系列的电控平台架构,继续扩大成果的应用范围。