一、背景信息

在新能源汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)中，功能安全（Functional Safety）是確保系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍能安全運(yùn)行的核心要素。功能安全通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)流程，避免或減輕因電子電氣系統(tǒng)失效導(dǎo)致的危害，保障人員、車輛和環(huán)境的安全。

二、新能源汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)中的功能安全

功能安全標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)：這是全球汽車行業(yè)功能安全的核心標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、運(yùn)營的全生命周期。新能源汽車需遵循該標(biāo)準(zhǔn)，通過安全目標(biāo)（Safety Goals）、危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評估（HARA）、安全需求（Safety Requirements）等步驟，確保系統(tǒng)滿足安全完整性等級（ASIL）要求。

中國法規(guī)要求：中國《電動汽車安全要求》（GB 18384）、《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB 38031）等國家標(biāo)準(zhǔn)，對電池管理、高壓系統(tǒng)、電磁兼容性等提出具體安全要求，需與功能安全設(shè)計(jì)協(xié)同實(shí)施。

電子電氣架構(gòu)的功能安全設(shè)計(jì)原則

（1）系統(tǒng)分層與冗余設(shè)計(jì)

分層架構(gòu)：將系統(tǒng)劃分為感知層、決策層和執(zhí)行層，通過獨(dú)立的安全機(jī)制（如傳感器冗余、控制算法備份）降低單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。

冗余設(shè)計(jì)：對關(guān)鍵功能（如制動、轉(zhuǎn)向、電池管理）采用冗余硬件或軟件路徑，確保單一故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)失效。例如，雙通道制動系統(tǒng)或雙電池管理系統(tǒng)（BMS）。

（2）故障診斷與容錯機(jī)制

實(shí)時(shí)監(jiān)控：通過傳感器和算法持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，識別潛在故障（如電壓異常、溫度過高）。

容錯控制：當(dāng)檢測到故障時(shí)，系統(tǒng)自動切換至安全模式（如限速行駛、跛行回家模式），并通知駕駛員。

（3）安全通信與網(wǎng)絡(luò)安全

安全通信協(xié)議：采用加密和認(rèn)證機(jī)制（如CAN-FD、以太網(wǎng)通信中的安全協(xié)議），防止數(shù)據(jù)篡改或惡意攻擊。

網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)：通過防火墻、入侵檢測系統(tǒng)（IDS）和安全啟動機(jī)制，抵御外部網(wǎng)絡(luò)攻擊，保護(hù)車輛免受遠(yuǎn)程控制或數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)。

1、汽車電子電氣可靠性全生命周期管理

-> 概念設(shè)計(jì)階段

生命周期設(shè)計(jì)：考慮產(chǎn)品全生命周期（10~15年）的環(huán)境應(yīng)力（溫度、振動、EMC）、老化效應(yīng)（如電容衰減）、可維修性。

示例：電池包設(shè)計(jì)需預(yù)留傳感器冗余以應(yīng)對單體電池性能衰退。

危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評估（HARA）：基于ISO 26262識別功能失效場景（如MCU死機(jī)導(dǎo)致剎車指令丟失），輸出ASIL等級。

-> 研發(fā)階段

a. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

技術(shù)要求分解：將整車功能需求（如“百公里加速3秒”）轉(zhuǎn)化為電氣架構(gòu)指標(biāo)（如電機(jī)控制器峰值電流600A）。

環(huán)境分析：針對不同區(qū)域（如中國高寒/高溫地區(qū)）定制化設(shè)計(jì)（如低溫電池加熱系統(tǒng)）。

b. 硬件設(shè)計(jì)

器件選型與失效分析：

（1）、車規(guī)級芯片（AEC-Q100認(rèn)證）優(yōu)先，如MCU需支持-40℃~125℃工作范圍。

（2）、開展FMEA（失效模式與影響分析）預(yù)測潛在故障（如MOSFET過溫?fù)舸?

測試驗(yàn)證：加速壽命試驗(yàn)（如85℃/85%RH條件下持續(xù)通電1000小時(shí)）。

c. 軟件設(shè)計(jì)

安全架構(gòu)設(shè)計(jì)：符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，隔離ASIL D模塊（如剎車控制）與QM模塊（如娛樂系統(tǒng)）。

測試覆蓋：單元測試（MISRA-C規(guī)則檢查）+ 集成測試（HIL臺架模擬總線故障）。

-> 生產(chǎn)階段

制程可靠性控制：關(guān)鍵工藝（如高壓線束焊接）需SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）監(jiān)控CPK≥1.67。

可追溯性：通過MES系統(tǒng)記錄每個部件的生產(chǎn)批次與測試數(shù)據(jù)（如BMS的絕緣阻抗測試值）。

-> 支持階段

供應(yīng)商協(xié)同：要求供應(yīng)商提供FTA（故障樹分析）報(bào)告，如IGBT模塊的失效率需≤1FIT（1次/10億小時(shí)）。

客戶反饋閉環(huán)：通過OTA收集車輛故障碼（如CAN通信超時(shí)），驅(qū)動設(shè)計(jì)迭代。

-> 安全等級分析

ISO 26262實(shí)施要點(diǎn)：ASIL分解：將高階需求（如ASIL D的轉(zhuǎn)向控制）分解為ASIL B（傳感器）+ASIL B（執(zhí)行器）。

安全機(jī)制設(shè)計(jì)：

硬件：冗余供電（雙路12V電源）。

軟件：心跳包監(jiān)控（如每10ms校驗(yàn)一次ECU狀態(tài)）。

三、基于 ISO 26262的功能安全

IEC61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全性》是國際電工委員會制定的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC61508針對由電氣/電子/可編程電子部件構(gòu)成的、起安全作用的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)(E/E/PE)的整體安全生命盾期，建立了一個基礎(chǔ)的評價(jià)方法，目的是要針對以電子為基礎(chǔ)的安全系統(tǒng)提出一個一致的、合理的技術(shù)方案，統(tǒng)籌考慮單獨(dú)系統(tǒng)(如傳感器、通信系統(tǒng)、控制裝置、執(zhí)行器等)中元件與安全系統(tǒng)組合的問題。

ISO26262是IEC61508對電子電氣系統(tǒng)在道路車輛方面的功能安全要求的具體應(yīng)用，ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為所有3.5t以下客車所搭載的電子電氣系統(tǒng)，目的是減少因電子器件失效造成的交通事故和降低潛在召回風(fēng)險(xiǎn)。

從ISO26262的結(jié)構(gòu)構(gòu)成可以看到，標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了全生命周期的安全要求功能安全管理、概念階段、系統(tǒng)研發(fā)、硬件研發(fā)、軟件研發(fā)、生產(chǎn)和操作過程、售后，但比例最大的是站在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段這個時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，考慮怎樣從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品安全，可以基于原有的功能實(shí)現(xiàn)安全，也可以額外添加功能實(shí)現(xiàn)安全。

在產(chǎn)品開發(fā)層面，功能安全以V模式的開發(fā)流程實(shí)現(xiàn)。V模式流程包括了整體開發(fā)的V模式流程，以及在硬件和軟件層面都采用的V模式流程，以確保產(chǎn)品的可靠性和可測試性。

汽車安全完整性等級劃分

汽車安全完整性等級(Automotive SafetyIntegration Level)簡稱 ASIL等級，用以描述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)指定安全目標(biāo)的概率高低。每個安全功能要求都包括兩部分內(nèi)容，即安全性目標(biāo)和ASIL安全等級。ISO26262將ASL分為四個等級，分別為 A、B、C、D。

在劃分ASIL等級之前，首先需要進(jìn)行危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評估。該過程是識別系統(tǒng)的功能，并分析其所有可能的功能故障以及可采用的分析方法是否有危險(xiǎn)與可操作性，對失效模式與影響進(jìn)行分析等。由于評估是針對產(chǎn)品的功能行為的，所以進(jìn)行危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，并不一定先要知道設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。評估危害風(fēng)險(xiǎn)級別包含三個因子–嚴(yán)重度、暴露率和可控性。其中嚴(yán)重度是指對駕駛員、乘員或者行人等涉險(xiǎn)人員的傷害程度:暴露率是指人員暴露在系統(tǒng)的失效能夠造成危害的場景中的概率;可控性是指駕駛員或其他涉險(xiǎn)人員能夠避免事故或傷害的可能性。

電動汽車電池管理系統(tǒng)為例介紹了如何進(jìn)行危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評估電動汽車電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括充電電壓電流管理、放電電壓電流管理電池溫度管理等，該系統(tǒng)的危害有過充電、過放電、充放電電流過大、電池溫度過高等。相同的危害在不同的場景下的風(fēng)險(xiǎn)是不一樣的，所以要對不同的駕駛場景進(jìn)行分析，電池工作場景包括正常行駛狀態(tài)、有人看管狀態(tài)、無人看管狀態(tài)等。這里僅對無人看管場景下的電池過充電功能故障進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。電池管理系統(tǒng)在不同場景、不同危害狀態(tài)下的等級不同，由于電池管理系統(tǒng)是一個獨(dú)立系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)應(yīng)考慮ASIL等級高的那個。

基于ISO 26262的功能安全：從標(biāo)準(zhǔn)到實(shí)踐的深度解析

1、標(biāo)準(zhǔn)背景與體系架構(gòu)

IEC 61508：功能安全的基石

定義與范圍：IEC 61508是國際電工委員會制定的基礎(chǔ)性功能安全標(biāo)準(zhǔn)，適用于由電氣/電子/可編程電子（E/E/PE）部件構(gòu)成的安全相關(guān)系統(tǒng)，覆蓋傳感器、通信系統(tǒng)、控制裝置、執(zhí)行器等全鏈條。

行業(yè)擴(kuò)展：該標(biāo)準(zhǔn)通過垂直細(xì)分形成多個子標(biāo)準(zhǔn)（如鐵路、工業(yè)自動化、汽車等），為不同領(lǐng)域提供定制化安全框架。

ISO 26262：汽車領(lǐng)域的具體應(yīng)用

定位：ISO 26262是IEC 61508在道路車輛電子電氣系統(tǒng)中的延伸，聚焦于3.5噸以下客車的功能安全。

目標(biāo)：通過系統(tǒng)性方法減少電子器件失效引發(fā)的交通事故，降低召回風(fēng)險(xiǎn)。

體系架構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)覆蓋全生命周期（功能安全管理、概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)/硬件/軟件開發(fā)、生產(chǎn)、操作、售后），強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)階段的核心地位——通過安全機(jī)制嵌入現(xiàn)有功能或新增功能實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)。

2、開發(fā)流程：V模式驅(qū)動的可靠性保障

V模式開發(fā)框架

整體邏輯：采用“V”型結(jié)構(gòu)，從需求分析到驗(yàn)證測試形成閉環(huán)，確保開發(fā)過程可追溯、可驗(yàn)證。

分層應(yīng)用：硬件與軟件層獨(dú)立遵循V模式流程，強(qiáng)化模塊化設(shè)計(jì)與測試覆蓋。

核心價(jià)值：通過早期驗(yàn)證降低后期修改成本，提升產(chǎn)品可靠性與可測試性。

3、汽車安全完整性等級（ASIL）

ASIL等級劃分

定義：ASIL（Automotive Safety Integration Level）衡量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)的概率，分為A、B、C、D四級，D級要求最嚴(yán)格。

劃分依據(jù)：基于危險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)評估（HARA），評估三個核心因子：

嚴(yán)重度（Severity）：對人員（駕駛員、乘員、行人）的傷害程度。

暴露率（Exposure）：人員暴露于危險(xiǎn)場景的概率。

可控性（Controllability）：駕駛員或涉險(xiǎn)人員避免事故的可能性。

HARA實(shí)施步驟

功能識別：明確系統(tǒng)功能（如電池管理系統(tǒng)的充電/放電管理、溫度監(jiān)控）。

故障分析：識別所有可能的故障模式（如過充、過放、電流過大、溫度過高）。

場景評估：結(jié)合駕駛場景（正常行駛、有人看管、無人看管）量化風(fēng)險(xiǎn)等級。

4、案例：電動汽車電池管理系統(tǒng)的HARA實(shí)踐

系統(tǒng)功能與危害識別

功能：充電/放電電壓電流管理、溫度監(jiān)控。

危害：過充、過放、電流異常、溫度過高。

無人看管場景下的風(fēng)險(xiǎn)評估

故障模式：電池過充。

風(fēng)險(xiǎn)因子分析：

嚴(yán)重度：高（可能引發(fā)電池?zé)崾Э亍⑵鸹穑?

暴露率：中（無人看管場景下暴露概率較高）。

可控性：低（用戶無法及時(shí)干預(yù)）。

ASIL等級判定：綜合評估后確定為ASIL D（最高等級）。

設(shè)計(jì)對策

冗余設(shè)計(jì)：增加電壓傳感器冗余，確保單點(diǎn)失效時(shí)系統(tǒng)仍可監(jiān)測。

安全機(jī)制：實(shí)施充電截止策略，結(jié)合溫度閾值動態(tài)調(diào)整充電參數(shù)。

測試驗(yàn)證：通過加速壽命試驗(yàn)與HIL仿真驗(yàn)證過充保護(hù)邏輯的有效性。

5、總結(jié)與啟示

標(biāo)準(zhǔn)價(jià)值：ISO 26262通過全生命周期管理、V模式開發(fā)與ASIL分級，為汽車電子電氣系統(tǒng)提供了系統(tǒng)性安全框架。

實(shí)踐要點(diǎn)：

早期介入：在概念設(shè)計(jì)階段即需開展HARA，明確安全目標(biāo)與ASIL等級。

分層驗(yàn)證：硬件與軟件層獨(dú)立驗(yàn)證，確保功能安全與性能平衡。

持續(xù)改進(jìn)：通過售后數(shù)據(jù)（如OTA故障碼）驅(qū)動設(shè)計(jì)迭代，形成閉環(huán)優(yōu)化。

ISO 26262不僅是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更是汽車電子電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的“方法論”。通過標(biāo)準(zhǔn)化流程與風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動設(shè)計(jì)，行業(yè)得以在創(chuàng)新與安全之間找到平衡點(diǎn)，推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全發(fā)展。

四、關(guān)鍵系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)

1、電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池狀態(tài)監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓、電流、溫度，防止過充、過放或熱失控。

故障響應(yīng)：在檢測到電池故障時(shí)，立即切斷高壓回路，啟動冷卻系統(tǒng)，并通知駕駛員。

2、高壓系統(tǒng)

絕緣監(jiān)測：持續(xù)監(jiān)測高壓系統(tǒng)絕緣電阻，防止漏電導(dǎo)致觸電風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)充電與放電控制：通過預(yù)充電電路避免高壓沖擊，確保系統(tǒng)安全啟動和關(guān)閉。

3、自動駕駛與輔助駕駛系統(tǒng)

傳感器冗余：采用多傳感器融合（如攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)），提高環(huán)境感知的可靠性。

決策算法驗(yàn)證：通過仿真測試和實(shí)際道路測試，驗(yàn)證自動駕駛算法在各種場景下的安全性。

4、車身電子系統(tǒng)

安全氣囊與預(yù)緊器：確保在碰撞時(shí)快速、準(zhǔn)確地觸發(fā)安全裝置。

車門與車窗控制：防止在碰撞或故障時(shí)意外開啟，保障乘員安全。

新能源汽車的可靠性與功能安全需貫穿“設(shè)計(jì)-研發(fā)-生產(chǎn)-運(yùn)維”全鏈條，通過標(biāo)準(zhǔn)化的流程（ISO 26262）、精準(zhǔn)的測試驗(yàn)證（HIL/EMC）和跨領(lǐng)域協(xié)同（供應(yīng)商/客戶），才能突破技術(shù)瓶頸。未來需重點(diǎn)關(guān)注跨域融合（三電+智能駕駛）和數(shù)據(jù)驅(qū)動的可靠性優(yōu)化。