任务1.3 线控底盘的电子电气架构-学生手册

任务1.3线控底盘的电子电气架构-学生手册【任务导入】在汽车电动化智能化背景下，由硬件定义的传统分布式电子电气架构有着底盘系统ECU间信息资源难以共享，系统耦合冲突，硬件成本剧增等缺点。为解决上述问题，整车电子电气架构由分布式架构逐渐向域集中式架构以及中央集中式架构演变，底盘域控制由此被提出。讲课前，先问问大家知道一辆整车一般分为哪几个域吗？SHAPE提示：此次任务我们将深入了解整车电子电气架构及提示：此次任务我们将深入了解整车电子电气架构及底盘域控制器，并理解基于底盘域控制器的底盘电气架构和域间数据交互方式。

【学习目标】素质目标通过了解整车电子电气架构及底盘域控制器，培养学生的严谨态度；通过理解基于底盘域控制器的底盘电气架构，加强学生综合分析能力；理解底盘域控制器与其他域控制器的数据交互方式，引导学生形成科学的发展思维。知识目标能正确了解整车电子电气架构及底盘域控制器[K7]；能正确理解基于底盘域控制器的底盘电气架构[K8]；能正确理解底盘域控制器与其它域控制器的数据交互方式[K9]。能力目标能正确描述整车电子电气架构及底盘域控制器[A7]；能正确分析基于底盘域控制器的底盘电气架构[A8]；能正确分析底盘域控制器与其它域控制器的数据交互方式[A9]。【知识准备】一、整车电子电气架构整车电子电气架构（EEA，ElectricalandElectronicArchitecture），是整车电气系统的基本结构，它包括功能，系统，组成系统的零件、零件与零件之间的相互关系、零件与环境之间的关系、以及指导系统设计和演化的原理。它可以包括硬件架构、软件架构、通信架构三个方面。电子电气架构包含了车上所有的硬件、软件、传感器、执行机构、电子电气分配系统，电子电气架构是通过系统集成化的工具把这所有的内容整合到一起，它包含了软件设施、硬件设施和高效的动力和信号分配系统三个基础的要素，在软件设施和硬件设施具备基础上还要一套高效的动力和信号分配系统把这些软件和硬件有机地结合到一起。电子电气架构涉及电子与电气两部分，它是在成本、重量、可靠性等一定约束条件下，能最优实现整车电子与电气需求的技术方案。电子电气架构是整车电子电气开发的主体框架，为具体的整车项目中的模块开发提供整车实现方案与规范指导，需具备前瞻性，平台化，可拓展性等特点。博世给出的电子电气架构路线图分为三个大阶段：分布式阶段、域集中式阶段、中央集中式阶段，如REF_Ref164430454\h图1-3-1所示。图1-3-SEQ图1-3-\*ARABIC1博世定义的EEA路线图1.分布式阶段（1）模块化阶段，每个电子控制单元（ECU）负责特定的功能，例如变速器对应一个控制器，制动对应一个控制器，转向对应一个控制器。随着汽车功能的增加，这种架构变得越来越复杂，无法继续使用。在传统的汽车EEA架构中，各个ECU相互独立，通过总线进行通信。每个控制单元负责特定的功能，例如发动机控制、制动系统控制等。尽管这些控制单元之间通过总线进行通信，但它们的通信较为独立，缺乏整体协调。这种架构存在硬件成本高、开发周期长、扩展性差等问题。（2）集成化阶段，一个ECU开始负责多个功能，因此ECU的数量比上一个阶段减少。在这个阶段中，汽车的电子电气架构仍然是分布式的，ECU的功能集成度低。2.域集中式阶段为了解决传统架构的问题，汽车电子电器架构逐渐向集中化发展。最常见的是如博世划分的五个功能域，包括动力域、底盘域、车身域、座舱域和自动驾驶域。这种域集中式架构是在传统分布式架构的基础上进行改进的。它将电子电气系统划分为多个功能域，每个域由一个主控制单元负责管理，并通过域总线进行通信，实现了域内的集中管理和域间的协调。在这样的架构中，多个ECU被集成到一个中央控制单元中，域控制器之间通过通信线相连。其中，座舱域和自动驾驶域由于要处理大量数据，算力需求逐步增长，而动力总成域、底盘域和车身域主要涉及控制指令计算及通讯资源，算力要求较低。跨域融合阶段，在功能域基础上，为进一步降低成本和增强协同，出现了跨域融合，即将多个域融合到一起，由跨域控制单元进行控制。比如将动力域、底盘域、车身域合并为整车控制域，从而将五个功能域(自动驾驶域、动力域、底盘域、座舱域、车身域)过渡到三个功能域(自动驾驶域、智能座舱域、车控域)。3.中央集中式阶段中央集中式架构是汽车电子电气架构的当前趋势。它试图将所有电子电气功能集中到一个中央控制单元，并通过高速总线与各子系统通信。其核心理念是将多个领域整合在一起，由一个跨领域控制单元控制。中央控制单元具有更强的处理能力和更高的集成度，可实现更复杂的功能和更高效的系统管理。（1）车载电脑和区域导向阶段。随着功能域的深度融合，功能域逐步升级为更加通用的计算平台，从功能域跨入位置域(如中域、左域、右域)。区域控制器平台(ZonalControlUnit，ZCU)是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接车上某一个区域内的传感器、执行器以及ECU等，并负责该位置域内的传感器数据的初步计算和处理，还负责本区域内的网络协议转换。位置域实现就近布置线束，降低成本，减少通信接口，更易于实现线束的自动化组装从而提高效率。传感器、执行器等就近接入到附近的区域控制器中，能更好实现硬件扩展，区域控制器的结构管理更容易。区域接入+中央计算保证了整车架构的稳定性和功能的扩展性，新增的外部部件可以基于区域网关接入，硬件的可插拔设计支持算力不断提升，充足的算力支持应用软件在中央计算平台迭代升级，更容易实现自动化线束组装。例如特斯拉按照左、右、前区域进行划分的域控制器，如REF_Ref164430629\h图1-3-2所示，这样可以更有效地减少总线长度。图1-3-SEQ图1-3-\*ARABIC2特斯拉三个域控制器按位置分工（2）汽车云计算阶段。将汽车部分功能转移至云端，车内架构进一步简化。车的各种传感器和执行器可被软件定义和控制，汽车的零部件逐步变成标准件，彻底实现软件定义汽车功能。目前前沿车企已经开始转向集中式和区域式架构。在分布式EEA体系中，功能在具有高度软硬件集成的ECU上。在域集中体系中，出现了核心域控制器，通过整合多个功能来实现成本优化和增加更多的功能。二、底盘域控制器1.底盘域控制器的概念底盘域控制器是基于域集中式电子电气架构，协调控制底盘各执行器，从而实现车辆运动控制的系统，包括域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等，是一个大的运算平台，在“中央集成+域控制器”架构下，底盘域控制器将作为汽车“小脑”，承担着以下任务：（1）接受上层感知层和决策层的指令。（2）建立统一的车辆动力学概率模型，实现多执行系统的优化协同控制。（3）将上层决策指令传递给各线控底盘子系统控制器（ECU），实现驱动、制动、转向、悬架等横向、纵向、垂向三向的控制功能，实现一体化协同控制。底盘域控器能够实现底盘传感系统整合与信号融合，优化整车功能安全等级与驾乘体验，是实现线控底盘运算集成化的必要构件。2.底盘域控制器的优势相比于传统底盘分布式控制，采用底盘域控制器控制的系统具有以下优势：（1）功能强大，集成度高域控制器拥有强大的硬件计算能力与丰富的软件接口支持。智能控制核心功能集中于域控制器内，实时性高，协调处理速度快，系统功能集成度高。（2）消除子系统间冲突，提升整车综合性能集成控制的目的就是通过控制不同系统，消除子系统间的干涉或冲突，再借助各系统功能间的互补以及垂向控制对路面附着圆的影响，尽量挖掘各子系统效能潜力，拓展车辆动力学控制边界，从而实现整车安全性和稳定性的提升。（3）优化软硬件系统结构，消除冗余算法，信息资源共享现阶段车辆中各功能软件存在部分算法重复开发、传感器信息仅供系统内部使用等问题。集成后，通过对整车控制架构的重新划分，实现整车软硬件资源优化以及信息融合复用，消除冗余算法并减少同数据源处传感器数目及线束长度。（4）优化功能控制目标现阶段车辆的侧向控制目标大多是基于线性二自由度模型得到的，采用稳态及部分简化限制，从而忽略纵向及垂向带来的影响。通过集成，充分考虑车辆三维动力学间的耦合关系，得到更为准确、更能代表驾驶员期望的车辆控制目标。（5）利于软硬件解耦，加快标准化进程底盘域系统架构和控制架构的设计，有利于软硬件解耦，推动感知、计算与应用的分层，保持上层应用软件可持续迭代升级；加快传感器和执行器标准化、统一化进程，部件兼容性强，适用范围广。三、基于底盘域控制器的底盘电气架构底盘电气架构直接影响底盘域控制系统的性能，现有的底盘电气架构可以分为分散式、集中式和分层式三种。1.分散式电气架构分散式电气架构是车辆集成控制早期研发的典型形式，其采用自下而上的设计方式，如REF_Ref164430619\h图1-3-3所示，各子系统在一定程度上依旧独立，但可通过车载网络实现系统间的通讯及信息交换。分散式电气架构没有整车统一的集成控制目标，且缺乏全局协调模块，各系统集成度较低，主要可进行硬件方面的集成，处理紧急工况的能力一般，因此分散式架构不适宜用作集成控制。但分散式电气架构结构简单，出故障时减少互相干扰，易于子系统调试、开发，且技术发展成熟，因此现阶段大多车辆仍采用该种架构。图1-3-SEQ图1-3-\*ARABIC3分散式电气架构2.集中式电气架构集中式电气架构采用自上而下的设计，由一个中央控制器接收所有传感器信息，并统一对各子系统进行控制，因此其必须由整车厂与供应商共同开发，如REF_Ref164430606\h图1-3-4示。其优点是集成程度较高，控制性能也相对较好。但对于复杂系统，集成、开发难度大，整个系统灵活性较差，且对硬件如ECU等要求较高。整体而言，集成式控制需要从全局角度出发，对整个系统的优化目标以及时变性、耦合特性、非线性等特点具有清晰的认识，对技术成熟度及发开经验要求也较高，因此其目前并不适合于复杂的车辆动力学集成控制。图1-3-SEQ图1-3-\*ARABIC4集中式电气架构3.分层式电气架构如REF_Ref164430597\h图1-3-5所示，分层式电气架构介于集中式及分散式电气架构之间，兼具二者特点。通常上层及中层控制器用于计算全局优化目标并实现子系统解耦与控制协调分配，底层则基于不同执行器实现对各子系统控制目标进行跟踪输出。该种电气架构层级间相互独立且有着清晰的控制目标，具有良好的灵活性与功能扩展性，尤其对局部系统故障有良好的鲁棒性，该种架构也同样易于调试人员进行参数标定以及在线诊断。因此分层式电气架构的相关研究及实际应用较多，且在多维动力学集成控制中被广泛采用。图1-3-SEQ图1-3-\*ARABIC5分层式电气架构四、底盘域控制器与其它域控制器的数据交互数据交互是实现底盘域控制器与其他域控制器协同工作的关键。为实现有效的数据通信，有多种通信协议，每种都有其特点和适用场景。1.CAN总线协议CAN总线，全称为控制器局域网络（ControllerAreaNetwork），最早是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交互而开发的一种串行通讯协议。它是目前广泛应用于汽车工业的通信标准。它以其高可靠性、实时性和简洁的设计而被选用于各种车辆系统中。CAN总线协议支持多主机环境，允许不同设备同时进行通信而不会造成信息冲突。2.Flexray总线FlexRay总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准，专为车内联网而设计，采用基于时间触发机制，具有高带宽、容错性能好等特点，在实时性、可靠性和灵活性方面具有一定的优势。Flexray是一种用于汽车的高速的、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性特点，可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。Flexray可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中，也可以应用在两者的组合拓扑结构中。这两种拓扑均支持双通道ECU，这种ECU集成多个系统级功能，以节约生产成本并降低复杂性。双通道架构提供冗余功能，并使可用带宽翻了一番。每个通道的最大数据传输率达到10Mbps。目前Flexray主要应用于事关安全的线控系统和动力系统。3.车载以太网协议以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，1980年由DEC（美国数字设备公司）、Intel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合开发成为一个网络标准。车载以太网通过以太网技术将汽车内部电子单元互联互通，车载以太网技术在传输数据时只需要通过单对非屏蔽双绞线就能够实现每秒100兆比特更有甚者达到了每秒1吉比特的速率，并且符合汽车领域提出的功耗小、电磁辐射小、可靠性强的网络架构要求。目前在汽车上使用的是数据传输速率为100Mbit/s的IEEE802.3u标准。车载以太网技术已经被普遍承认为车载通信的大趋势，因为它具备以下四大优势：（1）高带宽。车载以太网和传统车载通信的带宽不是一个数量级，从100Mb/s起步，向上发展可到5Gb/s甚至更高。（2）已有成熟丰富的通信协议。以太网技术发展悠久，例如IP地址寻址和IP防火墙等网络技术都是现成可供使用的协议。车载应用只需针对不同层次的协议作