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行业综述-新能源汽车电子

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行业综述-新能源汽车电子

作者:
魏学哲
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/04/14 10:50
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摘要:汽车电子技术是决定汽车功能和性能的关键技术,汽车电子控制技术和汽车电子信息技术的不断拓展使得汽车更加节能、安全、舒适、可靠,随着电动化和智能化的发展,汽车电子技术的发展出现了新的功能和新的需求,以电力电子技术和信息技术为代表的新型汽车电子技术开始在汽车上大规模应用,由此支撑汽车向低碳环保、安全智能的新型移动出行交通工具转型,汽车电子技术面临新的问题和挑战,同时汽车电子技术将更加开放包容,该领域将出现更加广阔的发展空间。

关键词:汽车,汽车电子,电动化,智能化

 

一、引言

 

自20世纪70年代以来,汽车开始了电子化过程,汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命,汽车电子化的程度被看作衡量现代汽车水平的重要标志,是用来开发新车型、改进汽车性能最重要的技术措施,目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统[1]。毫无疑问,增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的最重要的技术手段之一。

 

回顾历史,在汽车电子技术形成独具特色的知识体系之前,经历了以下三个重要的阶段:

 

1、电子-机械替代(20世纪50年代至60年代末):由分立元件组成的单一电子零部件被应用到汽车上,用来改善某些机械部件的性能或直接取代传统的机械部分,比较典型的应用有晶体管点火装置、晶体管电压调节器等,这一阶段电子技术在汽车上的成功开启了电子技术与汽车产业融合的大门,也在一度程度上提升了汽车使用性能。

 

2、独立模块电子控制(20世纪70年代初至80年代中期):这一阶段为了解决汽车的安全、燃油经济性和污染等问题,出现了以微型计算机和集成电路为基础的专用独立汽车电子系统,例如电子控制汽油喷射系统、制动防抱死(ABS)系统等。这些独立系统解决了机械结构无法应对的复杂控制问题,有效提高了车辆的可靠性、节能性和环保性。

 

3、分布式电子控制(20世纪80年代中期至90年代中期):随着大规模集成电路技术的发展、计算控制技术的突破、通信技术的发展,使得汽车电子技术可完成多种功能的综合系统成为这一阶段汽车电子产品的典型代表,例如集发动机控制与自动变速器控制为一体的动力传动系统控制系统等。在这一阶段,通过汽车电子技术,汽车已经从纯粹的机械产品转变成为了一个具有机电一体化显著特征的工业产品。

 

按照对汽车行驶性能作用的影响划分,可以把汽车电子产品归纳为两类:一类是汽车电子控制装置,汽车电子控制装置要和车上机械系统耦合在一起工作,即所谓“机电结合”的汽车电子装置,它们主要包括发动机、传动、底盘、车身电子控制等。典型系统如电子燃油喷射系统(Electronic Control Fuel Injection System,EFI)、制动防抱死控制(Anti-lock Brake System,ABS)、加速防滑控制(Acceleration Skid Control System,ASR)、牵引力控制系统(Traction Control System,TCS)、电子控制悬架(Eletronic Control Suspension System,ECS)、电子控制自动变速器(Automatic Transimission,AT)、电子动力转向(Electronic Power Steering,EPS)等。这一类电子系统的关键词是“控制”。另一类是车载汽车电子信息装置,它们和汽车本身的行驶性能并无直接关系,主要是辅助驾驶员驾驶和为车内成员提供信息支撑,包括汽车信息系统(行车电脑)、导航系统、汽车音响及娱乐系统、车载通信系统、上网设备等,第二类电子系统的关键词是“信息”。作为电子信息技术与传统汽车技术的结合应用,本文根据作用和目的将汽车电子分为汽车电子控制技术和汽车电子信息技术两大类别,前者实现汽车零部件的控制,而后者实现信息的处理。

 

(ECU: Electronic Control Unit,电子控制单元)

图1  汽车电子系统

 

由于汽车上的电子电器装置数量的急剧增多,为了减少连接导线的数量和重量,网络、总线技术在此期间有了很大的发展。通信线将各种汽车电子装置连接成为一个网络,通过数据总线发送和接收信息。电子装置除了独立完成各自的控制功能外,还可以为其他控制装置提供数据服务。由于使用网络化的设计,简化了布线,减少了电气节点的数量和导线的用量,使装配工作更为简化,同时也增加了信息传送的可靠性。通过数据总线可以访问任何一个电子控制装置,读

 

取故障码对其进行故障诊断,使整车维修工作变得更加简单。

 

依赖于网络技术和多体动力学技术的进步,电子技术发展向集成综合控制发展,例如,将发动机管理系统和自动变速器控制系统,集成为动力传动系统的综合控制(Powertrain Control Management,PCM);将制动防抱死控制系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和加速防滑控制系统(ASR)综合在一起进行制动控制;将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统结合在一起,对各子系统进行协调,将车辆行驶性能控制到最佳水平,形成一体化底盘控制系统(Uniform Chassis Control,UCC)。

 

随着汽车电子装置的增多,车辆上的汽车电子系统的复杂程度也逐渐增加,随之而来开发过程也日益复杂,开发成本压力也越来越大、优化程度也越来越高,也就是说,汽车电子的问题从具体明确的机电耦合系统的控制问题演变成了复杂系统问题,复杂性成为了汽车电子的主要特点,为了更有体系性地解决汽车电子复杂性增加带来的问题,需要形成独具特色的汽车电子的方法论和工具链。

 

二、汽车电子学科体系的形成

 

自20世纪90年代中期至2010年左右,面对汽车电子系统日益增加的复杂性,为了进一步缩短开发周期、降低开发成本,人们已开始考虑以成本、质量、可重用性、可移植性这样一些非功能性需求驱动的开发架构体系的建立,出现了以电子电气架构、软件架构、开发流程为代表的汽车电子方法论的形成。其主要特点在于:

 

1、分布式电子电气架构

 

传统的原理以及线束设计已经远不能满足现今汽车平台化、模块化开发的要求,在这样的背景下,在CAN总线技术、LIN总线技术及FlexRay总线技术等通讯技术支撑下,汽车电子电气架构(Electronic & Electrical Architecture,EEA)的概念诞生了。EEA可以理解为汽车电子电气系统的总布置,是在功能需求、法规和设计要求等的特定约束下,综合考虑功能、性能、成本和装配等方面的因素后,得到的最佳电子电器模型。

 

汽车电子电器架构的宏观表现为物理架构和逻辑架构[2]。其主要内容包括:配置定义、电源管理、网络管理、路由规划、原理设计和线束设计等。EEA开发过程中需要处理庞杂的数据和流程,完备的模型库和合适的开发工具可以有效加快开发进度[3]。

 

2、模块化开放式软件架构

 

为了避免大量基本功能软件的重复开发造成的资金和资源的浪费,使汽车制造商和系统供应商可以专注于开发具有各自特色的系统应用软件,需要提出一个基于共享理念的开放的、标准化的架构。

 

AUTOSAR就是这样一个针对分布式嵌入系统软件开发的汽车开放系统架构,根据该架构的规范可实现基本系统功能(基本软件)标准化和功能接口标准化[4, 5]。其根本宗旨是要建立汽车电子电气架构的开放式标准,使其成为汽车嵌入式应用功能管理的基础架构,基于一个统一的由标准软件模块组成的开发设计平台,可以避免由异构子系统集成而产生的问题,使各电子系统在网络中的集成、匹配更加容易,同时也使得同步开发、缩短开发周期和实现差异化竞争成为可能。

 

3、V模式开发流程及其工具链

 

汽车具有移动性强、多样化、安全、舒适、低成本的和可靠耐用的商品属性,便要求汽车嵌入式系统应用具有很高的功能完备性和运行可靠性。

 

为了保证这一要求的实现,必须采用建立科学的开发流程,对整个产品开发过程加以控制。从系统产品的功能定义和方案设计一直到产品完成后的集成测试/匹配/标定,可靠的功能性设计—实现—验证贯穿研发过程的每一个阶段。普遍应用于汽车电子系统产品研发的V模式开发流程是反映这种全新开发理念的一个代表,与专门针对汽车嵌入式应用软件开发的AUTOSAR体系规范以及其他一些由非功能性需求驱动建立的架构方法构成了汽车电子系统产品开发的方法论。

 

汽车电子系统产品开发的方法论与嵌入式系统实现技术都对汽车电子的发展产生重要的影响。汽车电子产品开发流程中任何一个设计、验证和按架构体系进行的任何设计与实现过程都需要有相应的符合规范的开发预测试工具,即所谓开发理念的工具化,将方法论物化成为开发工程师和项目管理者易于使用的软硬件工具。因此,汽车嵌入式产品开发工具对汽车嵌入式技术的发展具有重要的意义。

 

以汽车控制用嵌入式软件技术形成方法论和工具链为特征,汽车电子软件开发脱离了个性艺术,以电子电气架构、AUTOSAR软件架构、V模式开发和代码自动生成为典型技术的汽车电子技术进行了深度整合,形成了具有自身特征的方法论和工具链,形成了平台化、流程化的大型工程规范,大大提高了软件的生产效率和可靠性[6]。汽车电子技术因此成为具有自身明显特征的专业知识体系[7]。

 

自2010年至今,汽车电动化、智能化的两大趋势开始出现,在电子控制领域,电力电子技术被广泛应用在汽车上,控制技术从弱电扩展到强电;而在汽车电子信息领域,随着车内车外信息互联互通,信息来源极大丰富,其功能也从辅助驾驶员驾驶到逐步替代驾驶员驾驶,智能技术成为信息处理的主要技术手段[8]。电动化和智能化对汽车电子技术形成了很大的挑战,也带来了新一轮发展的可能。

 

三、电动化对汽车电子技术发展新需求

 

电动汽车包含混合动力汽车(含插电式混合动力)、纯电动汽车、燃料电池汽车等。电动化主要针对是动力系统的改变,其主要分类如图2所示。

 

图2 汽车的电动化

 

电动汽车带来了全新的动力系统控制对象,如锂离子电池、燃料电池等。虽然其特征与内燃机完全不同,但从控制方法论上,与内燃机控制并无根本不同。但电动汽车中电动机成为主要的动力源,电能变换成为主要的功率变换手段,电力电子技术也因此大规模应用,带来了电动化条件下汽车电子控制技术的主要差异,所涉及的主要技术问题包括:

 

1、高效能电力电子技术

 

传统汽车只有发电机和启动电机是千瓦级的用电负载,电压等级也是12V-24V的低压直流体系,而电动汽车把电功率提高到了百千瓦级别。

 

电动汽车的电驱系统和电能转换和变流系统是高电压、大电流、高功率的电力电子装置集合,从部件上看主要包括驱动电机控制器、发电机控制器、车载充电机、无线电能传输、高低压电源变换器和辅助电机控制器等功率变换控制器;从拓扑结构也有桥式电路、升压、降压和各种零电压、零电流谐振电路等;从功率开关器件看主要包括绝缘栅场效应管(IGBT)和金属场效应晶体管(MOSFET),以及新一代宽禁带电力电子器件如SiC、GaN等[9-11],大规模电力电子技术的应用,是电动汽车电子技术有别于传统汽车电子技术的根本特征。

 

2、高集成电磁兼容技术

 

与传统汽车相比,电动汽车集成了包括高压动力驱动系统和信息智能设备在内的更多的电子系统,这些高低压电子器件集中布置、混合使用,共同构成的强弱电共存的复杂电磁环境,而且这些电子电气设备的电气特性和功能特性都与电磁干扰密切相关。

 

EMC问题已然成为了制约电动汽车的瓶颈技术和保障车辆行驶安全和系统可靠性的巨大挑战[12]。整车层面上的EMC干扰问题主要来源于电驱主控、DC/DC、辅驱等电气设备,从相关研究和实验的结果上来看,有多达90%的电动汽车EMC干扰问题来源于电驱系统[13]。这些功率半导体器件在通过脉宽调制(PWM)进行能量变换过程中,会产生干扰强度高、耦合路径复杂且与工况密切先关的电磁干扰。

 

电力电子装置作为一个集成安装在车辆内部的强电磁干扰源,其对车辆内部电磁环境,尤其是对于弱电系统的影响是不可忽视的,针对电力电子系统车用环境下的电磁兼容问题,还需要在基础理论、系统设计和测试标准等方面加强研究。

 

3、高电压电气安全技术

 

电动汽车电气安全的问题主要包括绝缘监测、高压互锁和碰撞安全三个典型高电压安全问题。电动汽车的高压供电系统一般为电动汽车的能量储存装置其工作电压已经远远超过了人体安全电压的范围,一般为300V以上,有些车辆的工作电压已经达到了600V甚至800V,面对如此高的工作电压,许多潜在的风险都需要相对应的措施予以防范。

 

首先,在电动汽车上安装相应的绝缘监测系统,必要时断开高压回路对于有效防范乘员触电风险是非常有必要的。其次,在系统运行过程中如果高压回路连接不正常松脱或断开,车辆将断电并失去动力,并有可能在断开瞬间高压击穿两端口间的空气,产生电弧伤害。针对该风险需使用高压互锁设计进行有效防范。第三,电动汽车的高压风险在碰撞危险发生时将变得更为突出。

 

电动汽车在高速行驶过程中如果发生碰撞或充电过程中被其他车辆碰撞,都有可能造成车辆动力系统的高压漏电、短路等危险情况,车内乘员也可能遭受触电伤害[14],为了规避这一风险,就要求电动汽车在碰撞危险发生时能够主动切断高压回路防止电击伤人和起火。

 

四、智能化对汽车电子技术发展新需求

 

以移动互联、大数据、云计算、5G通讯以及人工智能等技术为代表的新一轮科技革命方兴未艾,在这些高新技术的强力推动下,互联网革命的浪潮正在席卷以汽车行业为代表的传统制造行业,汽车与信息的融合度不断提升,成为解决能源、环境、安全、拥堵等产业发展困局的关键手段之一,汽车也迈上了智能化的道路。如果说传统汽车的电子系统能够完成产生信息、处理信息和反馈信息的自我闭环,每辆车都是一个信息的“孤岛”,那么具备了先进环境感知和V2X通讯能力的智能网联汽车就是行驶在开放信息的“海洋”里。

 

借助现代通信和网络技术,以及先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,汽车正在逐步实现车与X(人、车、路、后台等)的智能信息交换,并逐步具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能,催生出了智能网联汽车的概念[15],智能网联汽车、智能汽车与车联网、智能交通等概念间的相互关系如图3所示。

 

图3 汽车智能化相关概念关系图

 

智能网联汽车被公认为汽车智能化发展的最佳方向,其整体技术架构十分复杂,涉及车辆、信息交互与基础支撑三个领域。云平台与大数据技术、高精度地图与高精度定位技术是智能网联汽车的基础信息平台,而V2X通讯技术是车联与基础信息平台之间交互的通道,环境感知、智能决策、控制执行、信息安全这5大技术则是与汽车电子信息系统的主要内涵。围绕信息展开的智能化对汽车电子技术需求主要体现在以下几个方面:

 

1、高可靠、高带宽、低时延信息传输技术

 

传统的车载通信仅仅局限在车内通讯,使用总线、蓝牙、WiFi等通讯方式,完成是的车辆系统内部的信息传输功能,但是在汽车智能化的背景下,车载通信模式也出现了向车际通讯、广域通讯的方向发展的趋势。V2X通信技术能够为车辆的自动驾驶提供先验信息,提高车辆环境识别效率和准确率,消除车辆视野盲点安全隐患,起到提高行车安全和疏导交通流量等作用。

 

V2X车联网通信技术的通信需求包括:

1)极短的网络接入时间;

2)低传输时延;

3)高传输可靠性;

4)高信息安全性和隐私保护;

5)在有限的范围内,使频谱再利用和低干扰;

6)拥有足够的通信带宽。

 

目前应用较为广泛的通讯技术方案是DSRC和LTE-V。DSRC基于802.11p协议及其延伸扩展,起源于20世纪90年代,适合应用在V2V(车与车)和V2I(车与路边设施)场景下,尤其是一些和安全相关的场景[16],而且DSRC目前的技术成熟度和标准化程度也较高,但是它也存在可容纳用户数受限和商业化推广困难等问题[17]。LTE-V是基于第四代移动通信技术的扩展技术,是专门针对车间通讯的协议而设计的V2X标准,目前的LTE-V版本属于4.5G 技术,未来可以平滑演进到5G,相较于DSRC,LTE-V的部署也更加容易,频谱带宽也可根据实际情况进行灵活分配,传输更为可靠,覆盖范围也可以更广[18]。随着今年以来5G技术开始步入商用时代,基于5G通讯的车联网技术将成为网联汽车信息传输最有效的解决方案[19]。

 

2、复杂环境感知与信息融合技术

 

环境感知中的信息融合就是指把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合,采用计算机技术对其进行分析,消除信息与信息之间可能存在的冗余和矛盾,加以互补,降低其不确实性,获得被测对象的一致性解释与描述,从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性,使系统获得更充分的信息[20, 21]。

 

信息融合技术可以通过整合不同来源的数据来提高系统的可靠性、安全性以及信息的精度和可信度。环境感知获得的驾驶环境信息是智能网联车辆的决策基础,毫米波雷达、视觉传感器等先进传感器的出现和图像识别技术的发展提高了车辆对环境的自适应能力,催生了一批包括自适应巡航、车道保持、主动避撞、全景倒车辅助等在内的系列高级驾驶辅助技术。

 

但是单一传感器都有其局限性,以激光雷达为例,其优点是方向性好,波束窄,测角、测距精度高,不受地面杂波干扰,但是其在浓雾、雨、雪天气就无法工作,因为它对环境的探测效果受大气的光传输效应影响很大。所以在复杂的车辆行驶环境(包括各种天气情况)下,单一传感器不能够完整地完成对全部环境的感知,因此智能汽车必须配备多种类型的传感器,并利用传感器融合技术,将各种类型的传感器采集到的信息加以融合,为智能网联汽车决策终端提供更加真实可靠的环境信息,保障其高级辅助驾驶或自动驾驶的安全性[16]。

 

3、高可靠决策技术

 

基于环境感知技术得到的信息,结合车辆的行驶意图及其当前位置,考虑安全、舒适、节能、高效的行驶目标,系统对车辆做出最合理的行为决策即为智能决策技术,其主要包括驾驶员多样性影响分析、群体决策和协同技术、危险事态建模技术、危险预警与控制优先级划分、局部轨迹规划及轨迹跟踪等。

 

在车路互联架构下,车端的信息获取和决策与路况信息获取和决策的界面划分、分工协作机制是亟需厘清和界定的关键技术。

 

4、高精度运动控制技术

 

运动控制系统任务是将行为决策的宏观指令解释为带有时间信息的轨迹曲线,从而控制车辆的速度与行驶方向,使其跟踪规划的速度曲线与路径。

 

具体而言,运动控制执行技术是解决在一定的约束条件下优化某个范围内的时空路径问题,包括面向驱动/制动的纵向运动控制,面向转向的横向运动控制,基于驱动/ 制动/转向/ 悬架的底盘一体化控制,融合车联网(V2X)通信及车载传感器的多车队列协同和车路协同控制等。运动控制中的执行器需要线控执行控制单元(X-By-Wire),具体包括线控驱动[22]、线控转向[23]和线控制动[24],自动驾驶和驾驶辅助技术对线控系统的精度、可靠性和失效安全性提出了很高的挑战。

 

5、高可信信息安全技术

 

汽车智能化的发展,将消费者对于安全问题的担忧从实体物理层面拓展到了虚拟数字空间。随着智能网联技术的不断发展,互联网原有的安全问题可能会派生到车载系统中,由于车辆自身是一个高速移动系统,一旦遭受到针对性的安全攻击,造成的危害将不仅仅存在与数字层面,会扩展到其周围的实体区域。此外,智能网联交通系统需要根据采集的大数据,利用电脑和软件来进行机械化控制,这中间涉及到信息采集、储存、交换和处理等多个环节,流程的复杂程度增加可能会使得安全风险进一步加大[25, 26]。

 

此外,车载系统中的很多数据也与用户隐私相关,例如行程路线、日程安排等等,所以必须要有一个完整的网络安全机制保障智能网联汽车的信息安全。

 

在智能网联汽车通信环境下的信息安全需求主要包括:

1)数据机密性,即在信息传输过程不能被窃听以及被中间恶意节点获取其中的内容,数据机密性可以通过加密机制实现;

2)数据完整性,是指消息不能被中间节点修改,修改包括增加、删除等。一般通过数字签名的技术实现数据完整性的保护;

3)数据的不可抵赖性(数据的不可否认性),是指在通信过程中实体不能否认自己发出的消息。该性质主要是预防恶意节点模仿合法节点发送数据,一般可通过电子签名技术来保护;

4)身份认证性,是指在智能网联汽车通信中,只有身份认证通过的用户才被授权参与V2X通信等过程。身份认证一般是通过第三方可信机构实现的,恶意节点无法通过第三方可信机构的注册,这样可以保证整个通信系统中的节点的身份可靠;

5)数据隐私性,是指不仅仅是要求非法的恶意的用户不能得到用户的隐私,在有关的政府部门在未经用户许可的情况下,同样不能获取用户隐私消息。

 

五、汽车电子技术发展趋势

 

在半个多世纪的发展过程中,汽车电子已经深刻改变了汽车技术和汽车产业,而汽车电动化和智能化又对汽车电子提出了新的挑战。汽车的电动化的意义是车辆的能量来源将完成由化石能源向电能的切换,这也意味着汽车将成为以电能作为工作基础的电气化产品。汽车的智能化过程的意义是汽车驾驶中处理信息的主体从驾驶员向车辆本体切换,以上两个趋势的叠加将使得汽车向一个集成了高效能源转换、复杂运动控制和智能信息处理的全新的产品方向演化,这既是汽车产品进化的必然方向,也是汽车电子技术发展的必然方向。

 

汽车作为人们重要的出行工具之一,是人的第三空间,在使用过程中会和用户的生命财产息息相关,汽车在安全性、私密性、可靠性方面也将比其它电子信息产品有更高的要求。所以汽车电子并不是其他领域中的电子技术简单向汽车中迁移,依然需要对通用电子技术附加“汽车级”的专业化改造。而汽车产品数量巨大,涉及的零部件众多、产业链长的特点,也使得复杂性这一导致汽车电子学科体系化的基本动因依然存在,甚至在电动化和智能化这一新的挑战下,复杂性这一问题更加突出。因此,需要在新的知识融入的过程中,发展新的理念,形成新的规范,确定新的流程,建设新的工具。

 

因此,在电动化和智能化的大趋势下,电力电子技术和智能信息处理技术的加入,必然会要求重新定义汽车电子的概念,重新规范其开发理念、方法和体系,这也必将为汽车电子带来更为广阔的发展空间。

 

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