智能網聯客車電子電氣架構設計

王法龍　溫長青　殷金澤　李佳

摘要：智能網聯客車作為現代科技發展的產物，其電了電氣架構設計必須充分考慮各種因素的影響。這一架構不僅要確保軟硬件之間的協同工作，還要為各類應用程序提供靈活的部署環境。因此，深入研究這一領域不僅具有理論價值，而且對實際應用也至關重要。本文重點探討智能網聯客車電了電氣架構設計的相關問題，以供相關人士參考。

關鍵詞：智能網聯；客車；電子電氣架構；設計

中圖分類號：U462 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.06.002

0 引言

智能網聯電動汽車架構（EEA）的設計與實踐在新型客車研發中的重要性不言而喻，它對客車的性能、功能和安全性產生直接的影響。正向的EEA設計能夠避免系統內設備的重復運行，實現資源的合理配置，從而有效減少整車電纜的使用量和制造時間，提高產品品質。同時，通過減輕客車重量和降低制造成本，更好地滿足用戶多樣化的出行需求和舒適性要求。

實驗驗證工作對于客車的故障率和駕駛人員的生命安全至關重要。本文對核心理論、技術路徑和手段、關鍵技術實踐和研究成果的應用進行了深入討論，為推動智能網聯客車行業的發展提供了有力支持?；谶@些研究的電子電氣架構頂層設計將顯著提升我國在該領域的科研能力，并帶來巨大的社會和經濟效益。

1 智能網聯客車電子電氣架構的設計意義

智能網聯客車電子電氣架構的設計意義重大，它對客車的行駛性能、安全性和可靠性產生了直接影響，為乘客提供了高質量的駕駛體驗。主要體現在以下幾個方面。

1.1 提高駕駛性能

通過集中式的電子電氣架構設計，智能網聯客車的電路結構得以優化，車輛的計算能力得到提升，反應速度和控制精度也相應增強，從而顯著提高了客車的行駛性能。例如，本研究中提出的一種新電子電氣架構，采用域間協同計算和面向服務的設計理念，實現了基于工具鏈的開發和基于模型的開發方法。同時，通過以太網技術，各控制域之間能夠進行高效的信息交互和信息共享。這種通用軟硬件架構和接口設計，進步提升了智能網聯客車的行駛穩定性和安全性。

1.2 提高安全性

電子電氣架構的設計能夠有效地提高智能網聯客車的安全性。例如，采用安波福的設計方案，包括安全網關處理器、自動駕駛處理器和中央處理器，負責處理所有的運算和數據傳輸。通過引入了整個生命周期的概念和容錯設計等要素，能夠確保車輛的安全性。再比如，在設計過程中，考慮了系統的靈活性，確保了系統在不同環境和情況下的可靠性。

2 智能駕駛域控制器方案

該款智駕域控器搭載了高效的英偉達orin處理芯片。英偉達在Orin芯片上引入了基于NVLink-C2C技術的“superchip”，可將Orin SoC的算力拔高到2000 TOPS。如果客戶有更高的算力需求，可以通過NVLink-C2C技術實現芯片間的互連互通，進步提升整體算力。一個Orin SoC便可滿足一輛L5級智能汽車上所需的一切A計算需求，為高階自動駕駛、車載操作系統、自動泊車、智能駕駛、車機、儀表盤、駕駛員監測等多個系統同時提供算力。除此之外，該款設備的傳感接口支持行業領先的四通道LVDS格式以及FAKRA接口，它能夠高效處理最高至720p分辨率下每秒30幀率高清視頻數據的能力。此外，該設備還配備4條速度高達1000Mbps的千兆位以太網接口、2條用于控制網絡連接的控制器區域網絡（CAN）接口，以及對符合高速傳輸標準的USB20及USB30接口（如圖1所示）。

為了保障L4級智能駕駛的安全性并實現最佳的決策控制效果，智駕域控器采用了Infinix TC397單片機處理數據和執行傳感器融合算法。這款TC397處理器最高可配備有6顆強勁核心，其運行工作頻率則可攀升至高達300MHz。其卓越的計算性能高達400DMIPS，并配備了16MB閃存和6MB RAM的內存配置。除了具備強大的通信接口外，還支持12路CAN/CANFD、2路FlexRay和12路LIN等多元化的通信方式。

總體智能駕駛系統采用了多傳感器融合技術，利用慣性測量單元來維持穩定的車身姿態識別、精準的導航應用以及行為辨識。再借助128線主激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等感知設備，系統能夠識別出前方的路障和其他車輛的相關信息，從而實現L4級智能駕駛功能。此外，主攝像頭和激光雷達的融合算法確保了在陰雨天或黑暗環境下也能保證視野和環境監測的準確性。

3 通信域控制器方案

通信域控制器采用基于32位Arm@ Cortex@-M4F的S32K148微控制器，實現對WIFI、藍牙、GNSS導航天線及4G模組的精細調節。不僅如此，它還具備2路CAN總線和1路百兆以太網的數據傳輸性能，以及豐富的信號接口，如ADC和GPIO，以滿足客車控制的多樣化需求（見圖2）。

此外，飛思卡爾i.MX6Q處理器也是該智能網聯客車的重要組成部分。這款處理器擁有4個ARM Cortex-A9內核，每個內核的運行頻率高達1.2GHz，為音視頻處理提供了卓越的性能。該處理器具備64/32位總線，支持每秒12億條指令集（1.2GHz，MTBF 12億次／分）的高效計算。此外，它還內置了3D圖形加速引擎及2D圖形加速功能，最高分辨率可達4096x4096像素。視頻編碼不僅支持MPEG-4/H.263/H.264標準，而且能夠達到1080p30fps的編碼效果。同步解碼MPEG2/VC1／Xvid也支持到1080p@30fps。

器件還配備了1路HDMI、2路LVDS、2路CAN總線接口、3路音頻接口以及1路千兆級別的RGMII接口。搭配大唐LTE-V DMD31芯片，實現車-路以及車-車間的網絡互聯互通。

在車-車互動環節，搭載域控制器的車輛之間，均可利用LTE-V協議進行整車信息交換，實現V2V場景交互。實際檢測結果表明，域控制器的有效連接距離在500m以內。在車-路邊設施的溝通環節，域控制器憑借LTE-V協議與集成RSU（Road Side Unit，路側單元）的路邊設備進行有效通訊，收集并反饋路面狀況信息。

4 智能座艙域控制器方案

智能座艙即配備智能化及聯網化的車載產品，能實現人、路、車的智慧互動。其研發理念的一大核心在于對駕駛者與乘客日常行為資料進行精準收集并上傳至云端處理，以便能大幅提高車內環境在各方面的安全性、娛樂性和實用程度。智能座艙域控制器方案見圖3。

在智能座艙控制器的研發中，我們選擇了瑞薩公司的RH850系列高能效嵌入式微控制單元（MCU）芯片。這款集成電路憑借卓越的性能和安全性，成功達到了汽車行業最高的安全標準——車輛安全完整性等級（ASILD）。此外，瑞薩公司的R-CARH3片上系統（SoC）芯片也被應用其中。該款芯片嚴格遵循ASIL B的要求進行設計與生產，確保了產品的可靠性與穩定性。R-CAR H3是基于ARM公司先進的Cortex-A57/A53架構開發而成，配備了業界領先的64位中央處理器（CPU）內核，強大的處理能力可達至驚人的40000每秒指令數（DMIPS）。更為值得提的是，它還搭載有強勁的PowerVR GX6650圖形處理器（GPU）作為三維圖形引擎，這極大地提升了行車過程中的視覺效果及人機交互效率，為駕駛員提供精準且可靠的駕乘信息反饋。

通過運用虛擬化技術，實現了對CPU和GPU資源的有效利用，將多個操作系統集成在單集成電路片芯片（SoC）上。這種做法使硬件和軟件資源能夠根據產品需求在各操作系統之間靈活分配。例如，儀表板部分采用了QNX系統，而中央控制屏幕則選用了Linux系統。

憑借SoC強大的渲染能力和卓越的視覺表現，我們能夠精準地展現出三維立體畫面，為駕駛者提供嘆為觀止的人際互動體驗。同時，R-Car H3具備的三路視頻輸出與八路視頻輸入功能，使我們能夠輕松實現全方位360。全景圖像、后視鏡映射、行車記錄儀視頻存儲以及車內司機疲勞檢測等功能。值得一提的是，其通信模塊還配備有兩路CAN／CANFD以及千兆RGMII以太網接口，能夠無縫接入客車內部網絡，實現全面的車載顯示器控制功能。

5 電氣系統硬件方案

5.1 雙供電系統

為了滿足L4級智能駕駛系統的需求，建議采用具備雙回路電源系統的控制器，以便在任意條線路出現故障時，仍能保障自動駕駛系統的持續運行（見圖4）。

本系統包含主12V供電蓄電池和備份12V蓄電池2個獨立的電氣組件。其中，主12V供電蓄電池負責為全車的主要用電設備提供電力，而備份12V蓄電池則與PDU（電源分配單元）相連，專門負責為自動駕駛相關設備提供電力。

首先，主供電蓄電池的電能通過精心設計的蓄電池分配盒傳輸到車輛前端的配電盒、駕駛員艙內的配電盒以及行李箱區域的配電盒。在前艙配電盒內部，集成了整車前部設備所需電力的保險絲及繼電器。特別重要的是，這個區域還集成了自動駕駛所需的主要設備，如ADAS電源保險、攝像頭供電保險、MMR供電保險等。此外，主12V蓄電池的電能還會經由DCDC轉換器為車輛電器負載及其自身進行對應充電操作。

備份蓄電池安放置在前艙內，并與PDU電源分配單元并聯。這部分包含一個12V供電的DCDC和兩組控制開關S1和S2。備份蓄電池還連接至備份配電盒，該配電盒配備了自動駕駛系統的備用電源保險裝置。通過這個裝置，可以實現所有自動駕駛控制器的雙電源供電，但ESC（車身電子穩定控制系統）和iBooster控制器只接受單路供電。這是因為它們本身具有制動功能，如果ESC發生故障，iBooster可以完成應急制動動作，確保行車安全。

雙電源供電系統的運作模式如下啟動過程中，主導12V蓄電池經由電瓶分配盒以及前艙配電盒向智駕駛系統提供電力支持。之后，PDU電源分配單元中的控制開關S1關閉，此時由主導12V蓄電池接替開啟備用電路，確保系統可持續穩定運行。通過這種方式，系統能夠確保自動駕駛系統正常感知雙電源的變化，從而安全順利地展開各項工作。

該PDU電源分配單元可以實時監控智能駕駛系統控制器的主供電狀態。如果出現硬線診斷故障，它能夠迅速執行控制開關S2閉合、S1斷開的操作，為控制器提供備用電力供應。在這種情況下，PDU內的DCDC模塊將繼續運作，確保對ECU的持續供電。為了確保主電源失效診斷功能得以強化且更為安全穩定地運作，控制中樞具備自動監控主供電狀態的功能。一旦判定主供電出現故障，它會立即通過CAN總線傳達相關的故障警示信息。而PDU則負責與CAN總線上的數據交換通訊任務，一旦收到總線發出的故障警告信息，它還能夠同步執行硬件故障信號的排查工作。

5.2 接地點

隨著車輛電子設備的不斷增加和電路分布的日益復雜化，原有的隱患逐步顯現出來，例如電源擾動導致的安全問題、車載通信不穩定等。這些問題的根源在于用電器抗干擾接地的設計不當。為了確?？蛙囉秒娖鞯陌踩院头€定運作，需要對其抗干擾接地進行適當的調配和設計，以提高電器的抗干擾性能。

對于客車用電器抗干擾接地的主要任務，是降低接地線路的阻抗。地線上的電位差主要由地線本身的阻抗引起，因此應盡可能減小地線阻抗，從而控制電器接地阻抗。

客車接地的形式主要可以分為單點接地和多點接地兩大類型。

單點接地適用于工作頻率低于1MHz的電路架構。由于客車電氣設備大部分都遵循這工作頻率范圍，因此在客車上采用單點接地是相當適宜和可行的選擇。之外，由于客車上單條電纜線束的實際長度通常小于10m，采用單點接地可以增強信號強度，減少噪聲干擾。因此，即使工作頻率在10MHz范圍內，也可以適用單點接地。

多點接地各個子系統分別與統一的接地導體或接地平板相連接，旨在縮短接地線長度以減小地線帶來的干擾。該方法更適合工作頻率超過10MHz的電路體系。然而，對于客車電氣系統而言，大部分都是低頻信號，僅少部分（如遙控器、音頻信號）涉及高頻信號，因此客車電氣的接地通常采取單點接地策略，并以并聯的方式實現。

5.3 整車電平衡

必須高度重視電動客車整車電平衡設計這一至關重要的任務。這意味著，DC/DC充電機、儲能設備和用電負荷在電能產生和消耗過程中應該保持相互制約、平衡的狀態。當DC/DC充電機輸出電壓超過蓄電池的正常運行水平時，DC/DC充電機將為蓄電池充電，并為各項負荷提供所需的電能，而當DC/DC充電機輸出電壓低于蓄電池的額定電壓時，蓄電池會執行反向放電功能，與DC/DC充電機起為負荷提供所需的電能。關于蓄電池容量的設定原則，需要考慮以下因素：第一，要確保DC/DC充電機具有良好的啟動性，特別是在高寒環境中的啟動效果；第二，需要對充電系統故障進行充分防護，即依靠蓄電池來提供全車電力基礎，保障客車可持續行駛約3h 15min。

在制定整車電平衡設計策略時，應優先考慮保證大多數工況下，DC/DC充電機能同時為整個電子設備供電，并確保為蓄電池提供充足的能源。

為了準確地核算蓄電池、發電機或者DC/DC轉換器的輸出功率等參數，必須要先研究車輛的最大電流消耗情況，這包括考慮行車情況、電器使用情況、天氣狀況等多種情況。通常對比日常白天工作時間、晚上工作時間、夏季白天工作時間、晚上工作時間、下雨天晚上工作時間、冬季白天工作時間、冬天晚上工作時間、冬天雪地工作時間的電氣負載電流，我們發現夏季雨夜和冬季雪夜這2種氣候環境對低壓供電系統的承載力要求最為嚴格。

在炎夏的夏季和寒冷的冬季這2個極具代表性的季節中，我們對多種類型的低壓電器設備進行了深入的研究。在白天光照充足、夜晚安靜以及雨夜濕氣彌漫這3種自然環境中，展開了深度細致的運行狀況剖析及研究。憑借電流加權值u與等效電流的精密計算與對比，甄選出適應此類條件的電氣設備，使得運作總電流達到最優效果。3種自然環境中客車整體所需的電量消耗如下

晚上整車低壓耗電量（夏）（kWh）=0273+1.220+0.20=1693，

雨夜整車低壓耗電量（夏）（kWh）=0.273+1229+0.238=1.740，

白天整車低壓耗電量（冬）（kWh）=0.273+0714+0.468=1.455：

晚上整車耗電量（冬）（kWh）=0.273+0.779+0.468=1.520

雪夜整車低壓耗電量（冬）（kWh）=0.273+0.795+0.546=1.614，

白天整車低壓耗電量（夏）（kWh）=0.273+1.164+0.196=1.633，

總體來說，我們可以清楚地看到，在夏日雨夜里，客車整體所需的低壓電能消耗最高。

6 結束語

綜上所述，隨著商用車逐步向電動化、智能化、網絡化以及共享化的方向快速邁進，構建自主可控的智能網絡商用車電子電路體系架構已成為個至關重要且具有國家戰略意義的話題。因此，本文闡述了智能網聯客車電子電氣架構的設計意義，并重點研究了自動駕駛域控制器方案、通信域控制器方案、智能座艙控制方案等，并對電氣系統的硬件方案進行了說明。此外，本文還提到了最新的研究成果，包括基于有效性控制系統的經濟和性能控制等方面，這些內容將會成為未來研究不可或缺的工具和資源。

參考文獻

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（責任編輯：王作函）