智能电动汽车电子电气架构的设计与优化措施

赵洪林，关志伟，杜峰，李俊凯

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

0 引言

汽车电子电气架构(Electronic and Electrical，EE)设计与优化作为汽车机构开发过程中的重要任务，遵循科学以及合理的设计能够降低汽车约1/5的质量，降低约1/3的生产成本，因此对智能电动汽车EE架构合理的设计和优化有着重要的意义。而智能电动汽车是未来汽车发展的方向，为提高智能电动汽车EE架构设计的科学性和合理性，相关操作人员需要做好电子电气系统需求分析工作，包括功能性需求和非功能性需求，分析智能电动汽车EE架构系统的可操作性来满足系统用户的外部需求，操作人员对系统进行操作过程中应分析该系统的各项需求并制定出示例分析图，分析出系统潜在的各项需求[1]。

制定智能电动汽车电子电气系统的功能需求和系统的运行状态是至关重要的，功能性需求模型中的行为体现的是真正需求的各项功能，模型动态化的运行保证系统行为的合理化。搭建如图1所示的智能电动汽车EE架构整体平台，以此为基础分析和研究电子电气系统。

图1 智能电动汽车EE架构设计平台化

1 智能电动汽车EE架构设计优化措施

1.1 标准数据库优化措施分析

传统汽车的数据库已经远远不能满足智能电动汽车数据库的标准，优化标准数据库是优化智能电动汽车EE架构的基础。数据库中的数据应包括世界范围内所有生产商和各种车型，所涵盖的内容应包括与汽车厂家相关的内容、不同档次车型相关的信息以及电子电气架构的有关信息内容。

1.2 市场发展趋势数据库优化措施分析

通过对市场整体发展趋势的分析和研究，掌握汽车的发展动态并抓住未来发展趋势，优化数据库；市场发展数据库应囊括世界范围内的最新汽车EE架构数据，了解下一步架构的发展趋势和需求，制定出科学合理的前沿架构设计方案，促进下一代架构的设计及优化。

1.3 解决设计方案的数据库优化措施分析

通过不断地更新优化标准数据库和市场发展趋势数据库，与电子电气架构设计数据库进行严格的横向对比，建立科学合理的数据方案解决平台，针对数据库的问题进行合理的分析从而提出科学的解决方案。

2 科学合理的EE架构优化工具

智能电动汽车电子电气架构设计与优化是一个复杂的过程，包括功能需求、逻辑功能分配、网络、原理、线束设计等多方面内容。因此，必须合理地选择智能电动汽车EE架构优化工具，保障电子电气架构设计与优化各项工作的有效落实。

在电子电气架构开发和优化过程中，优先选用一些技术成熟并具有代表性和先进性的优化工具。比如Vector下的PREEvision，是一个自上而下的开发和优化工具(Top-down)，可以在不同的层面进行电子电气架构建模，功能包括需求开发、逻辑功能设计、网络和部件架构、电气系统和线束设计以及拓扑结构设计；具备图形化的用户接口和数据库支持系统，电子电气架构设计的结果可以根据需求重新设计和修改从而可以进行学习和重复利用。

3 合理的通信网络设计和优化工具

通信网络设计与优化是电子电气架构设计与优化过程中的重要组成部分，对于通信网络设计优化需要选择具有代表性和成熟的工具，例如Vector函数库，在架构设计与优化过程中可以自动提高对象数组、优化结构拓扑设计和负载率，进一步满足电子电气架构的目标逻辑要求[2]。

4 合理的通信网络设计和优化工具

4.1 市场车型定位

企业车型战略部和市场策划部通过市场调研，分析目前市场上存在的车型和待开发的车型[3]。调研销售人员的需求，了解市场的具体动态情况，从而对未来汽车市场有一个合理的评估；针对不同的地区和不同的消费人群对车的功能需求、外形风格等实现准确的定位，预估后期不同车型电子电气设计与优化工作的可行性。

4.2 标杆车型分析

标杆车型分析又名标杆管理，在智能电动汽车电子电气架构设计中被广泛应用。将具有代表性和先进性的车型作为标杆车型进行分析，获取标杆车型的相关功能性和非功能性，包括性能配置、供电系统、拓扑结构和设计成本[4]。车型对标涉及的信息繁多，工作量大，应用电子电气架构设计优化工具不仅可以减轻相应的工作量，还可以针对现有车型的不足提出相应的改进措施并为新的车型设计提供数据参考。如图2和图3所示，选取5款车型作为示例，分别是H6、途观、翼虎、吉利、DX5，对该5款车型的高配和低配进行功能和价格分析以及安全性能相关配置和舒适性能相关配置分析。

图2 对竞标车型高配和低配进行功能和价格分析

图3 安全性能和舒适性能相关配置分析

4.3 需求开发并制定评估准则

根据市场车型定位和标杆车型分析进行车型需求开发，收集并分析客户需求以及法律法规要求来确定整体的功能需求，合理地安排与规划汽车配置，通过多种组合的方式来达到用户多样化的需求，制定相应的评估准则，包括对模型进行评估时需要考虑的影响因素以及各因素所占的比重。根据评判标准对架构模型进行评估[5]，如图4所示。

图4 架构评判标准

由图4可以得出架构评判标准权重主要由5个部分组成，分别是主准则、权重、子准则、子权重、占主权重。用PREEvision搭建架构方案模型，计算出各指标从而确定各方案的评分。

4.4 架构模型设计

整车电子电气架构设计与优化涉及多个领域和多个方面，包括功能需求、逻辑功能分配、网络设计、原理设计和线束设计[6]。需要企业不同部门进行协调合作，通过分层设计的理念展开设计需求，同时在架构设计过程中进行不断优化与评估，最终确定最佳的方案。架构模型设计根据功能需求和标杆车型分析的新技术搭建功能列表，然后再结合零部件列表确定功能分布，由功能分布推出功率分布进行线束设计，同时设计智能电动汽车架构网络拓扑图并搭建CAN/LIN矩阵，最后进行负载率的测试和诊断从而完成智能电动汽车电子电气架构模型设计流程。图5所示为电子电气架构模型设计流程图，其中在架构建模过程中主要会涉及到5个方面。

图5 电子电气架构模型设计流程

(1)功能需求定义。该层主要包括3个部分，分别是需求、车辆配置和特性功能网络：需求层描述电子电气架构要实现的功能需求和非功能需求，是架构模型设计的起点；车辆配置描述购车客户平时关心的车辆配置信息，该层通常用来交互市场信息；特性功能网络描述系统内部的功能情况，包括系统内部因果链之间的相互关系。功能需求定义了电子电气架构设计的目标，图6所示为在PREEvision里搭建的功能需求图。

图6 功能需求

(2)功能逻辑设计。该层描述各功能模块之间的关系，包括模块框架和各模块之间的接口关系。该层分为逻辑架构层和系统软件层，其中逻辑架构层注重系统功能可以实现的所有逻辑关系，系统软件层注重系统实现的过程中各软件相关的逻辑关系。

(3)硬件系统设计。该层包括部件层、网络层和原理层：部件层用来描述部件内部的构成细节和对外接口详细信息，其中内部构成细节涉及到硬件接口、处理单元和逻辑接口等，通常称该层为电气框图；网络层用来描述各部件逻辑连接的方式；原理层用来描述网络层连接具体的实际情况，包括电势属性、超声波焊接点等[7]。

(4)线束层设计。原理层和逻辑层之间的关系会在该层实施，该层将线路原理层连接关系在电缆和电线方面更进一步地细化并加载到模型中，例如线束的物理属性即单位长度质量、成本、负载率等信息。线束层的设计是拓扑层设计的基础，决定了拓扑的布局。通常线束设计包括8部分，分别是前线束、发动机线束、IP线束、Body线束、PDC线束、Roof线束、门线束和尾门线束。

(5)域控制器拓扑层设计。随着汽车电子化程度越来越高，车内ECU的数量也随之增多，使汽车电子变得复杂，此时需要强大的硬件计算能力和支持多软件接口的域控制器。根据汽车电子部件功能主要分为5个域控制器，包括车辆安全域、智能驾驶域、动力总成域、车身电子域、智能座舱域。该层用来描述电子电气架构实际的布置情况，相关操作人员根据具体实际情况，例如温度、碰撞风险、摩擦风险以及是否存在暴露在腐蚀性环境中的可能等因素来确定线束的安装位置和线束的长度。

图7所示为智能电动车辆的域控制器架构，该架构采用了中央网关和域控制器：中央网关通过新建路由机制增加了路由的复杂性和通信吞吐量；域控制器通过整合平台的几个叠加软件组建来提高运算能力；基本系统ECU专注于深层系统的具体功能，提高了整车的信息处理能力，为智能电动汽车功能的实现提供了支撑。

图7 具有高级网关和域控制器的EE架构

4.5 总线仿真测试

运用PREEvision完成搭建架构模型设计后，需要对智能电动汽车EE架构总线进行仿真测试，测试总线的通信情况。CANoe软件是Vector公司开发的针对汽车电子行业的总线分析工具，具有建模仿真测试开发的功能，测试总线负载率是否过高、报文是否延迟、信号是否异常。

5 结语

电子电气架构设计与优化是一个复杂的工程，涉及到多个方面和多个领域。通常来说，电子电气架构设计的科学性与合理性决定了这部车的技术水准，因此对架构设计与优化的重视程度不容忽视。传统的电子电气架构已经远远不能满足智能电动汽车对架构的需求，需要更加科学合理的电子电气架构。文中的研究主要针对智能电动汽车架构设计与优化展开思路，提出相应的优化措施，进一步提高电子电气架构设计的合理与科学性，对智能电动汽车的功能予以支撑，促进无人驾驶行业的发展。