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淺析-商用車的域控制器開發(fā)
2022-01-08 19:08:32· 來(lái)源：智能汽車開發(fā)者平臺(tái)
當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流商用車大多根據(jù)功能需要采用獨(dú)立的控制器來(lái)負(fù)責(zé)信號(hào)采集、邏輯處理、指令輸出等任務(wù)，每增加一項(xiàng)功能，就配套增加一個(gè)相應(yīng)的控制器，車輛上控制器的
當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流商用車大多根據(jù)功能需要采用獨(dú)立的控制器來(lái)負(fù)責(zé)信號(hào)采集、邏輯處理、指令輸出等任務(wù)，每增加一項(xiàng)功能，就配套增加一個(gè)相應(yīng)的控制器，車輛上控制器的數(shù)量可以代表電子功能的多寡。目前功能域內(nèi)具體的功能是隨著客戶需求和法規(guī)約束不斷演化的，從功能域到域控制器，體現(xiàn)研發(fā)能力和設(shè)計(jì)思路，本文在分析商用車特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了域控制器技術(shù)在車輛制造使用中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了商用車電子電氣中應(yīng)用域控制器設(shè)計(jì)方案，供廣大從業(yè)人員借鑒參考。
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前中國(guó)市場(chǎng)民用載貨商用車保有量達(dá)到2400余萬(wàn)輛、公路貨運(yùn)總量達(dá)到370多億噸， 是物流運(yùn)輸?shù)闹髁?，?duì)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)貢獻(xiàn)巨大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)加速轉(zhuǎn)型，商用車制造也從傳統(tǒng)的機(jī)械化向智能化發(fā)展。在未來(lái)商用車的制造使用中，高科技電子、大數(shù)據(jù)計(jì)算、人工智能指揮將成為核心“三要素”，構(gòu)成車輛駕乘便利性、穩(wěn)定性和安全性的基礎(chǔ)。域控制器技術(shù)能夠?qū)﹄娮涌刂茊卧?shù)據(jù)計(jì)算處理、網(wǎng)聯(lián)通訊交互等高效整合，精簡(jiǎn)布局、提高功效，在車輛運(yùn)行中發(fā)揮出“大腦”的指揮作用。
1 商用車的主要特點(diǎn)
商用車主要從事客運(yùn)、物流、生產(chǎn)等作業(yè)，在發(fā)動(dòng)機(jī)馬力、載重量、油耗數(shù)等指標(biāo)上，數(shù)值遠(yuǎn)高于普通乘用車，其表現(xiàn)出四大特點(diǎn)：一是電子電氣化程度低。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度講，商用車是生產(chǎn)工具，為保證利潤(rùn)最大化，必須盡可能壓低成本，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)主要保證機(jī)械性能，電子功能模塊主要應(yīng)用在動(dòng)力系統(tǒng)和車身控制部分，電動(dòng)化能力整體較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與普通家用轎車相比，商用車的電子控制單元、通信線路平均減少40%；二是客戶定制化多。針對(duì)客戶細(xì)分行業(yè)聚焦需求分析與思考，通過(guò)細(xì)化動(dòng)力、承載和里程等因素，提出工業(yè)品運(yùn)輸、快遞物流運(yùn)輸、
城市環(huán)衛(wèi)、煤炭運(yùn)輸?shù)葘Ｓ妙惍a(chǎn)品，根據(jù)運(yùn)輸區(qū)域，提出南方版、北方寒區(qū)版，根據(jù)安全效率提出安全之星、全勤王；三是運(yùn)行工況復(fù)雜。普通家用轎車絕大多數(shù)時(shí)間行駛在高等級(jí)公路上，運(yùn)行環(huán)境比較單一。與之相比，商用車要適應(yīng)郊外石子路、鄉(xiāng)間水泥路甚至野外泥濘路等路況，行駛環(huán)境惡劣，導(dǎo)致車輛行駛耗損尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、制動(dòng)的磨損比較大；四是駕駛?cè)藛T綜合技能不均衡。駕駛技能主要依賴責(zé)任心、警惕性和操作經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)培訓(xùn)和管理，尤其是處置突發(fā)情況能力不足，致使交通安全事故發(fā)生概率比較高。據(jù)某地交警部門統(tǒng)計(jì)資料，該區(qū)域每年發(fā)生的交通事故，系商用車駕駛員負(fù)全責(zé)的事故平均占比高達(dá)38.4%。
2 域控制器的機(jī)理及應(yīng)用
在商用車上的優(yōu)點(diǎn)
2.1 域控制器的概念
目前對(duì)域控制器概念有兩種理解：一是特定功能域內(nèi)高度嵌入式控制器的集成；二是特定功能域內(nèi)整車層級(jí)軟件功能的集中化。
2.2 域控制器的原理
“域”就是將汽車電子系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為若干個(gè)功能塊，每個(gè)功能塊內(nèi)部的系統(tǒng)架構(gòu)由域控制器為主導(dǎo)搭建。域內(nèi)部的各個(gè)系統(tǒng)使用通信總線相互聯(lián)通，不同域之間由以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)信息交換。
2.3 域控制器的功能
能夠?qū)⑵囯娮与姎飧鲉卧δ苷铣啥鄠€(gè)領(lǐng)域，并利用處理能力強(qiáng)大的多核CPU/GPU芯片，將原本歸屬于各電子控制單元的功能相對(duì)集中到控制域內(nèi)，從而取代傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)集中化管理。
2.4 域控制器應(yīng)用在商用車上的優(yōu)點(diǎn)
由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和零部件供應(yīng)模式等因素的制約，汽車電子電氣系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)升級(jí)困難、電子部件冗余等問(wèn)題。域控制器在車輛上運(yùn)用，有效地緩解這一難點(diǎn)，在提高經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上確保了安全。該技術(shù)歸納起來(lái)共有四大優(yōu)點(diǎn)：
一是精簡(jiǎn)電子系統(tǒng)布局。現(xiàn)役車輛電子系統(tǒng)搭載的電子控制單元平均為25個(gè)（高端車輛甚至超過(guò)100個(gè)）、通信總線長(zhǎng)達(dá)6km，總重量超過(guò)70kg，并占據(jù)了大量的空間。域控制器技術(shù)的運(yùn)用，使電子系統(tǒng)布局大為精簡(jiǎn)，節(jié)省出大量空間，有效提高裝配效率。據(jù)分析國(guó)內(nèi)商用車生產(chǎn)廠家資料，采用域控制器，每輛車電子電氣系統(tǒng)搭載的電子控制單元平均為16個(gè)、通信總線長(zhǎng)3.7km，總重量不到44kg，與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)布局相比，精簡(jiǎn)了近40%；
二是提高智能化水平。域控制器使用的多核CPU/GPU芯片，其運(yùn)算、儲(chǔ)存能力非常強(qiáng)大，為諸多智能化功能的實(shí)現(xiàn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。如使用座艙域控制器，可以將原有7-8塊顯示屏的龐雜信息，選擇重要關(guān)鍵的匯集到1塊屏上，便于駕駛員第一時(shí)間掌握車輛動(dòng)態(tài)；同時(shí)，座艙域控制器還可以與抬頭顯示屏、空調(diào)控制、后視鏡、人機(jī)交互等模塊聯(lián)接，確保駕駛員清楚車輛行駛中的內(nèi)部狀態(tài)；又比如域控制器對(duì)收集到的信息進(jìn)行選擇處理，將核心信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給廠家數(shù)據(jù)庫(kù)，就針對(duì)車輛狀態(tài)及時(shí)提出養(yǎng)護(hù)和保險(xiǎn)建議；
三是降低車輛生產(chǎn)成本。域控制器的使用，可以大幅減少電子控制單元的數(shù)量、縮短通信總線長(zhǎng)度、降低電子系統(tǒng)重量，從而降低車輛制造成本。據(jù)國(guó)內(nèi)某汽車制造廠統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)布局的商用車相比，采用域控制器技術(shù)的商用車，生產(chǎn)成本平均下降3.1個(gè)百分點(diǎn)，市場(chǎng)銷售率增長(zhǎng)2.6倍；
四是提升安全防護(hù)性能。受車輛用途的影響，商用車行駛頻率高、距離長(zhǎng)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、軸承等關(guān)鍵部分，磨損面積大、功能失效快、保養(yǎng)難度高，因此發(fā)生交通安全事故的概率居高不下。采用域控制器技術(shù)，可以第一時(shí)間采集諸如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)械部件磨損情況、電子系統(tǒng)軟硬件錯(cuò)誤報(bào)告等信息，方便售后維修中心同步讀取并制定排故方案，盡快對(duì)車輛進(jìn)行針對(duì)性維修，有效降低交通事故發(fā)生率。據(jù)隨機(jī)調(diào)研20名商用車駕駛員，使用域控制器技術(shù)后，車輛行駛故障率平均下降了4個(gè)百分點(diǎn)、出勤時(shí)間平均延長(zhǎng)17%?？偟恼f(shuō)來(lái)，在商用車上運(yùn)用域控制器技術(shù)，大幅提升了使用性價(jià)比，有非常廣闊的市場(chǎng)前景。
3 在商用車電子電氣系統(tǒng)中
應(yīng)用域控制器設(shè)計(jì)方案推薦
目前，業(yè)界一般將汽車電子電氣系統(tǒng)劃分為五個(gè)功能域，分別是動(dòng)力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂(lè)域和輔助/自動(dòng)駕駛域。因此，上述5要素再加上以太網(wǎng)通訊、無(wú)線通訊2個(gè)要素，一共七大要素，電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)都圍繞這七大要素組織。下面，推薦三種方案供參考借鑒。
3.1 基于功能域的分布式方案
（1）方案原理。域控制器可分為性能型域控制器和集成型控制器兩類。性能型域控制器具有硬件加速器以支持高性能計(jì)算。信息娛樂(lè)域和輔助/自動(dòng)駕駛域?qū)儆谛阅苄陀蚩刂破?。集成型域控制器提供通用的?jì)算和通訊資源，以及標(biāo)準(zhǔn)化的軟件創(chuàng)新平臺(tái)，動(dòng)力總成域、底盤域、車身域?qū)儆诩尚陀蚩刂破鳌?/span>
（2）方案設(shè)計(jì)。為每個(gè)功能域設(shè)置一個(gè)域控制器，域控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)關(guān)進(jìn)行聯(lián)接。功能域內(nèi)的車輛層級(jí)功能和域內(nèi)頂層協(xié)調(diào)控制功能集中起來(lái)，優(yōu)先在輔助/自動(dòng)駕駛采用域控制器。
（3）方案缺點(diǎn)，會(huì)由于增加域控制器導(dǎo)致成本相應(yīng)提高。
3.2 域融合集中化方案
（1）方案原理。域融合集中化，就是將兩個(gè)或多個(gè)集成型控制器整合成一個(gè)。通過(guò)不斷整合，在精簡(jiǎn)布局的同時(shí)使功能愈加復(fù)合、強(qiáng)大。
（2）方案設(shè)計(jì)。先是將動(dòng)力總成域與底盤域融合為車輛運(yùn)動(dòng)域控制器。由于動(dòng)力總成域和底盤域的功能安全和信息安全級(jí)別要求相似，通過(guò)域控制器的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)兩個(gè)域的協(xié)同，合并為一個(gè)域控制器；其次將運(yùn)動(dòng)域控制器與網(wǎng)關(guān)融合，并在硬件虛擬化技術(shù)的支持下，與車身域再度整合，成為車輛層級(jí)的集成型域控制器（既車輛計(jì)算機(jī)），具備中央核心控制能力；最后輔助/自動(dòng)駕駛域、信息娛樂(lè)域再整合進(jìn)集成型域控制器，完善核心控制能力。
（3）方案優(yōu)點(diǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是使車輛電子電氣系統(tǒng)功能集中，同時(shí)將系統(tǒng)原材料成本嚴(yán)格控制在一個(gè)既定范圍內(nèi)。（見(jiàn)圖1）
圖1 域融合集中化
3.3 基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算機(jī)的集中化方案
（1）方案原理。區(qū)域控制器不以功能為導(dǎo)向劃分控制器邊界，而是以車輛待定物理區(qū)域?yàn)閷?dǎo)向定義控制器。
（2）方案設(shè)計(jì)。采用以功能為導(dǎo)向的高度嵌入式控制器設(shè)計(jì)，多數(shù)嵌入式控制器繼續(xù)作為執(zhí)行器、傳感器控制器的存在與電子電氣架構(gòu)中，其接口將被標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)較好的硬件抽象。將區(qū)域內(nèi)功能型控制器集成入?yún)^(qū)域控制器，完成集中化以提高效率。
（3）方案優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)減少控制器、線束的數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本。（見(jiàn)圖2）
圖2 區(qū)域控制器和中央計(jì)算機(jī)
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