楊振業(yè)

(聯(lián)車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

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一種具備ADAS功能的電動車功能樣車的快速開發(fā)方法

楊振業(yè)

(聯(lián)車(上海)信息科技有限公司，上海 201210)

著重介紹一種基于現(xiàn)有汽油車平臺、具備ADAS功能的電動汽車的設(shè)計開發(fā)方法。完成后的電動汽車使用全新的三電一屏系統(tǒng)，并保持原車自適應(yīng)巡航、自動泊車等ADAS功能，達(dá)到在最短時間內(nèi)開發(fā)出一輛擁有ADAS功能的電動汽車全功能樣車的目的。

電動汽車；CAN總線；電氣架構(gòu)；ADAS系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)

0 引言

在電動汽車越來越多的今天，隨著國內(nèi)電動汽車生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入政策的開放，越來越多的新興廠商不斷地嘗試進(jìn)入電動乘用車研發(fā)制造這個全新的領(lǐng)域。而另一方面，隨著特斯拉等新電動車制造商的出現(xiàn)，對于未來電動汽車的定義也不斷向著智能化的方向前進(jìn)，各種先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assist System， ADAS)都出現(xiàn)在電動汽車的功能規(guī)劃中。目前國內(nèi)嘗試電動汽車研發(fā)制造的新興廠商大多都致力于研發(fā)三電一屏(電驅(qū)動，動力電池，電池管理，儀表/中控大屏)，但目前由于經(jīng)驗、成本等眾所周知的原因，新興廠商只能使用市面上能夠購買得到的車輛進(jìn)行功能樣車的開發(fā)。盡管如此，如何能夠在短時間內(nèi)使用自行研發(fā)的三電一屏系統(tǒng)，快速開發(fā)一輛具備ADAS功能的全功能樣車，對于沒有任何車輛設(shè)計制造以及整車系統(tǒng)集成經(jīng)驗積累的新興廠商來說仍然是一個非常困難的課題。基于這個原因，作者提出了一種基于現(xiàn)有汽油車平臺開發(fā)的設(shè)計方法，并用三電一屏系統(tǒng)代替原車相關(guān)系統(tǒng)，更改完成后仍然保證原車其他基本功能以及ADAS功能可用。最終通過項目實踐，成功完成全功能樣車的開發(fā)。此方法僅涉及整車功能層面如何實現(xiàn)，不涉及如何更改機(jī)械結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、安裝布置等。

1 可行性理論分析

對于當(dāng)代乘用車，尤其是對于像GM、福特、大眾等國際汽車巨頭，整車的電子化程度已經(jīng)相當(dāng)高，幾乎每個功能的實現(xiàn)都已經(jīng)實現(xiàn)電子化。圖1是一輛福特福克斯汽車中電子控制模塊的分布情況。可以看到：正是各個控制模塊的存在，才能確保整車功能的正常實現(xiàn)。而各個模塊之間的信息傳遞交互則交由CAN-Bus總線進(jìn)行傳輸。CAN-Bus(Controller Area Network Bus)即控制器局域網(wǎng)，是目前乘用車上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線。圖1中整車所有重要的節(jié)點模塊均通過CAN-Bus相連從而進(jìn)行信息交互。如果其中某些模塊與總線斷開，那么這些模塊原本在總線上發(fā)送的消息將不復(fù)存在，這樣對于需要這些消息的其他模塊而言，這些重要消息無法接收到就將導(dǎo)致模塊無法正常工作甚至完全失效。所以，當(dāng)將汽油車的動力總成更換成全新的三電系統(tǒng)(電驅(qū)動，電控，電池)，以及更換了全新一屏(儀表/中控大屏)后，原車很多模塊將不復(fù)存在，直接會導(dǎo)致原車的其他功能無法正常使用。例如：整車電源Power Mode無法切換，車內(nèi)各種開關(guān)控制將失效，ABS/ESP、助力轉(zhuǎn)向等安全性功能無法正常工作，原車的自適應(yīng)巡航、自動泊車、車道偏離輔助等功能也將同時失效等。

因此總體來說，在保證開發(fā)后原有模塊上的電氣連接及電氣特性不變的前提下，如何解決原車模塊的總線通信問題，成為是否能實現(xiàn)原車功能的關(guān)鍵。

圖1 福特?？怂蛊囍械碾娮涌刂凭W(wǎng)絡(luò)

2 實現(xiàn)過程

2.1 車輛功能目標(biāo)

目標(biāo)電動車采用市售某品牌的傳統(tǒng)汽油機(jī)汽車作為開發(fā)的基礎(chǔ)車型。表1為基礎(chǔ)車型功能與以此為基礎(chǔ)開發(fā)電動車的功能需求對比。

表1 基礎(chǔ)車型與電動車的功能對比

2.2 對基礎(chǔ)車型的分析

為了實現(xiàn)電動汽車需要的功能，作者先對基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)情況及電子控制模塊的分布情況進(jìn)行分析。圖2為基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)及電子控制模塊分布圖?？梢钥吹剑耗繕?biāo)電動汽車由于使用了全新的電驅(qū)動總成+蓄電池管理，并且無傳統(tǒng)的自動變速器，因此需要去除基礎(chǔ)車的汽油發(fā)動機(jī)、控制模塊ECM、自動變速箱總成及TCM模塊；而另一方面，新儀表中控的使用，也使原車中的IPC、Sliver box和AMP等模塊需要移除。

圖2 基礎(chǔ)車型的整車通信網(wǎng)絡(luò)及控制模塊分布

在移除相關(guān)的模塊后，作者對移除模塊后造成的影響做一下分析。以ECM模塊舉例，去除ECM模塊后，ECM在總線上發(fā)出的消息都將消失。表2是原車控制模塊ECM發(fā)出的信號列表，因信號數(shù)量太多，篇幅所限只挑選其中若干。從表2可以發(fā)現(xiàn)：ECM發(fā)出的信號涵蓋汽油機(jī)轉(zhuǎn)速等工作狀態(tài)，相關(guān)扭矩狀態(tài)，油門踏板、節(jié)氣門開度、剎車踏板狀態(tài)以及自適應(yīng)巡航各種狀態(tài)等。而這些信號的重要等級相當(dāng)高，使用者涉及網(wǎng)絡(luò)上幾乎所有的重要模塊，如車身控制模塊、自動泊車模塊、ABS、物體距離計算模塊等。這些信號丟失后會導(dǎo)致使用者(模塊)內(nèi)部設(shè)置相關(guān)的故障CODE，使之無法工作。舉兩個例子：在自動泊車模塊中，車速及擋位是模塊判定是否能進(jìn)入泊車狀態(tài)的重要信號，接收不到車速狀態(tài)，模塊將自動進(jìn)入失效模式，無法實現(xiàn)功能；ABS模塊接收不到發(fā)動機(jī)扭矩狀態(tài)，就無法計算出自動剎車時的扭矩請求，也無法實現(xiàn)自動剎車功能等。

表2 原車控制模塊ECM發(fā)出的若干信號列表

因此，如果能將原車模塊的信號還原并使之符合相應(yīng)的物理值正常合理的參數(shù)范圍，保證相關(guān)的模塊能接收正確的參數(shù)，就能使原車相應(yīng)的模塊恢復(fù)正常工作。

2.3 電氣及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

圖3是作者設(shè)計的目標(biāo)電動車電氣及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。雙點劃線框內(nèi)的部分是作者為目標(biāo)電動車新增加的模塊，其中New ECU、MCU、DC-AC、BMS 4個模塊分別為電驅(qū)動總成及動力電池的相關(guān)控制模塊，這些模塊都會涉及高壓部分，因此作者使用一條獨立通信總線連接；而New IPC、New Silver Box是新的儀表和中控大屏，屬于娛樂信息系統(tǒng)，這兩部分新的網(wǎng)絡(luò)通過GW模塊和原車網(wǎng)絡(luò)連接。GW是一個三通道的網(wǎng)關(guān)模塊，使用GW模塊的原因是：新網(wǎng)絡(luò)和原車網(wǎng)絡(luò)的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層特性有所不同，需要進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換；避免新模塊節(jié)點管理策略對原車網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點管理造成影響；兩者在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的報文信號定義不同，需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行報文信號的重組和路由。

這么一來，將原車模塊的信號還原并使之符合相應(yīng)的物理值及正常合理的參數(shù)范圍內(nèi)，保證相關(guān)的模塊能接收正確的參數(shù)，就是GW模塊需要解決的任務(wù)了。

2.4 GW網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

對于網(wǎng)關(guān)來說，如何保證路由信號的實時性是網(wǎng)關(guān)最重要的目標(biāo)。由于目標(biāo)車輛的功能設(shè)計指標(biāo)包括自適應(yīng)巡航、車道偏離輔助、自動防碰撞剎車等功能， 對于實時性的要求是數(shù)個毫秒級別的，如果相關(guān)的控制報文經(jīng)過網(wǎng)關(guān)后無法及時傳至相應(yīng)的控制模塊，將導(dǎo)致無法及時執(zhí)行動作，影響設(shè)計功能指標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)延遲的計算有以下公式：

TDelayTime=TResource+TGW+TTarget

其中：TResource和TTarget分別是新增網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時間和原車網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時間。其中原車網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時間是由原車網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定傳輸速率所決定的，無法更改。而新增網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲時間則由新增網(wǎng)絡(luò)傳輸速率決定。在此項目中，新增網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與原車網(wǎng)絡(luò)傳輸速率相同，均為500 k/s，以網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率60%為前提計算(負(fù)載率越高意味著仲裁時間越長)，可以得出新增網(wǎng)絡(luò)上每傳輸一幀消息所需要的時間為：

TResource=TTarget=(1/500 000)×(64+11+8)/0.6=277 ns

而TGW為網(wǎng)關(guān)的傳輸延遲時間，即從收到源網(wǎng)絡(luò)的報文至發(fā)送到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所花的時間。網(wǎng)關(guān)的傳輸延遲時間主要受制于網(wǎng)關(guān)硬件本身的工作頻率、指令的運算速度以及代碼本身是否合理高效。作者在開發(fā)完成后對其進(jìn)行了測試，表3是網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)測試結(jié)果，測試證明每個報文的網(wǎng)絡(luò)延遲不超過250 ns。

表3 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)測試結(jié)果

總延遲時間TDelayTime=277+277+250=804 ns<1 ms，符合設(shè)計要求。

2.5 車輛功能的靜態(tài)驗證

作者將目標(biāo)車輛上的全部控制模塊以及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器件以及線束連接安裝完畢后，首先需要進(jìn)行靜態(tài)的通電測試。進(jìn)行靜態(tài)測試的目的主要有：確保各模塊及線束等的電氣特性無誤；進(jìn)行通信測試，確?？偩€基本通信正常無錯誤；確認(rèn)各模塊內(nèi)部是否設(shè)置了故障CODE，如有則需要排查原因并最終消除。在這些當(dāng)中，第三點是最難也是最花時間的。為了提高效率，作者將原車儀表暫時接回原車中，當(dāng)其他模塊內(nèi)部出現(xiàn)問題時，馬上就可以在儀表上讀出直觀的文字，這樣能提高排查效率。當(dāng)然，針對一些特定的問題，還是需要通過模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE來查找原因。舉個例子：圖4和圖5是靜態(tài)驗證過程中通過原車儀表獲取的故障文字信息。表4是在靜態(tài)驗證過程中讀取到的某些模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE信息?？梢钥吹綀D5中顯示的是車身穩(wěn)定系統(tǒng)故障，而在表4中，可以看到在EBCM模塊中設(shè)置了故障CODE，通過這兩者相結(jié)合作者馬上發(fā)現(xiàn)是總線通信上的若干信號不正確導(dǎo)致了錯誤。這些信號原本是由原車ECM發(fā)出，現(xiàn)由New ECU 經(jīng)由GW模塊發(fā)出。最終經(jīng)排查是由于GW模塊信號轉(zhuǎn)換錯誤造成的，修改后故障即消失。

圖4 靜態(tài)測試驗證

圖5 原車儀表獲取的故障信息

表4 模塊內(nèi)部設(shè)置的故障CODE

2.6 車輛功能的道路驗證

在排除了所有靜態(tài)驗證時發(fā)現(xiàn)的故障及錯誤現(xiàn)象后，作者進(jìn)行車輛的路測驗證。在路試中，除了測試車輛的常規(guī)行駛外，自適應(yīng)巡航、自動泊車、車道偏離保持、前碰撞預(yù)警、側(cè)盲區(qū)預(yù)警等ADAS功能為重點。在整個測試過程中，由于之前靜態(tài)測試的充分驗證，自動泊車、車道偏離保持、前碰撞預(yù)警、側(cè)盲區(qū)預(yù)警功能均順利測試通過。而在自適應(yīng)巡航功能的道路測試中，遇到了在進(jìn)入自適應(yīng)巡航后偶爾會自動退出巡航狀態(tài)的問題。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，扭矩需求不匹配以及輪胎半徑變化使車速出現(xiàn)偏差最終導(dǎo)致此問題，最終排除了問題。鑒于此文篇幅所限，道路測試驗證部分不再贅述。

3 總結(jié)

目前，越來越多的新興廠商不斷嘗試進(jìn)入電動車研發(fā)制造領(lǐng)域。通過和不少新型廠商交流作者發(fā)現(xiàn)：出于各種目的，他們對使用三電一屏系統(tǒng)快速開發(fā)出一輛具備先進(jìn)駕駛輔助功能的全功能樣車的需求十分迫切。通過使用文中闡述的開發(fā)方法，對某公司電動車樣車項目進(jìn)行了實踐，最終僅僅在4個月內(nèi)就成功完成了這輛具備ADAS功能的全功能樣車從設(shè)計到最后道路測試的開發(fā)任務(wù)。同時，這種設(shè)計方法還具備可擴(kuò)展、可迭代性，可從三電一屏系統(tǒng)擴(kuò)展至其他模塊直至全車模塊，也為其他電動汽車項目的樣車開發(fā)提供了一種可操作的設(shè)計方案。

【1】Robert Bosch GmbH.Bosch CAN Specification V2.0[M].Stuttgart,1991.

【2】ISO 11898-1 Road Vehicle-Controller Area Network(CAN):Part 1:Data link layer and physical signaling[S].

采埃孚推動主動安全技術(shù) 應(yīng)對保護(hù)行人和騎行者的全球性挑戰(zhàn)

采埃孚股份公司正在推進(jìn)“觀察、思考和行動”系統(tǒng)的開發(fā)，以幫助避免交通事故，遏制每年涉及行人、騎行者和其他弱勢道路使用者的死亡率的增長。

例如，據(jù)美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)統(tǒng)計，2015年的前9個月，行人事故死亡率(10%)和自行車騎行者事故死亡率(13%)較去年同期呈雙位數(shù)增長。為了降低這兩類事故的發(fā)生率、并應(yīng)對同期總體道路交通死亡率近8%的狀況，美國交通部加大力度出臺指導(dǎo)性新政，推進(jìn)能減少碰撞事故的自動化安全技術(shù)的開發(fā)。

采埃孚(ZF)在駕駛輔助領(lǐng)域優(yōu)勢顯著，擁有一系列能通過傳感和數(shù)據(jù)分析，對關(guān)乎行人和騎行者的事故風(fēng)險做出反應(yīng)的技術(shù)，尤以自動化制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)著稱。

采埃孚(ZF)推出的自行車路口穿行測試裝置，模擬相應(yīng)的歐洲NCAP標(biāo)準(zhǔn)，展示了自動緊急制動(AEB)的技術(shù)能力。公司的行人保護(hù)自動緊急制動已經(jīng)在輕型車平臺應(yīng)用并量產(chǎn)，現(xiàn)致力于開發(fā)滿足新測試要求的技術(shù)組合，通過產(chǎn)品升級，例如用更廣角的攝像頭，及時監(jiān)測到運動速度高于行人的騎行者，從而幫助系統(tǒng)做出更迅速的反應(yīng)。

采埃孚(ZF)董事會成員、集團(tuán)市場主管LAKE總結(jié)說：“采埃孚(ZF)擁有卓越的安全和駕駛輔助技術(shù)產(chǎn)品組合，憑借在安全電子和先進(jìn)底盤系統(tǒng)方面的專長，我們創(chuàng)造的智能化機(jī)械系統(tǒng)，將有助于同時提升駕乘人員和弱勢道路使用者的安全。采埃孚(ZF)的目標(biāo)之一，即幫助我們涉足的所有車輛類別、市場和運輸系統(tǒng)增強(qiáng)安全性?！?/p>

(來源：采埃孚)

A Rapid Development Method of EV Demo Car with ADAS Functions

YANG Zhenye

(Auto-linked (Shanghai) Information Technology Co.,Ltd., Shanghai 201210,China)

The design and development of an EV with ADAS functions was focused on, which was based on the existing gasoline vehicle platform. The completed EV has new ECU, power battery, BMS and control panel screen. The original functions such as ACC, APA, LKA etc are still available. The goal to develop an EV full function demo car with ADAS functions in the shortest time is achieved.

EV; CAN bus; Electrical architecture; ADAS; Gateway

2016-07-08

楊振業(yè)，男，本科，工程師，研究方向為車輛總線、CAN通信、整車電氣架構(gòu)、高級駕駛輔助系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)等。E-mail：meteor_2003@sohu.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.003

U469.72

A

1674-1986(2016)10-011-06