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北京•中国国际展览中心
2021年06月09-11日
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文章正文
中国汽研雷剑梅:融合EMC性能管控的汽车电气系统架构开发,2021中国(北京)国际汽车零部件博览会
作者:    发布于:2020-10-30 16:26:41    文字:【】【】【

汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,中国汽车工程研究院股份有限公司雷剑梅在本次大会上发表了主旨演讲。

 

SAECCE,电磁兼容

 

 以下为演讲实录:

接下来由我跟大家分享一下,我们跟很多整车企业做电磁兼容正向开发的过程中,我们对于架构和电磁兼容的关系,以及如何通过架构设计去实现电磁兼容性能管控方面的思考。

首先汽车电子电气架构,大家知道电器件对车越来越重要了,老百姓买车很多时候看功能够不够便利、丰富,让我用起来够不够舒服,这里面很多是通过电子电气架构系统实现的。电子电气架构是车辆在设计开发的过程中最顶层的决定车辆电子电气系统性能的这么一个开发工作。电子电气架构开发包含几部分,一部分是功能架构的开发、网络架构的开发、电气系统物理架构的开发,以及到后端的测试验证。

车辆的电气化水平越来越高,电气系统在车辆成本里面的占比越来越高,老百姓对车辆的应用性,使用的体验要求越来越高,给我们车辆电气性设计带来非常多的挑战和压力。第一个是成本压力,车上实现各种便利性、功能性的电磁件增多了之后,总线上跑的数据量也会越来越大,我要在合理的速度下承载更多的数据量,对我总线的压力也会越来越大。同时无线通信在车上用的越来越多了,遥控系统、蓝牙、wifi、V2X、毫米波各种无线通信系统在上车。这些无线系统把车原来比较封闭的系统面向整个物联网打开了,现在车是大的物联网里面IoT的节点。

车接入物联网之后,我们从信息安全的角度来讲,车上面的从信息安全上对它可以攻击的供应链也会增多,在这样复杂的信息安全的威胁下,车辆如何保证自身的安全性,如何保证车上的用户信息不泄露,如何保证车上的控制信息和控制指令不被篡改,这也对车辆的信息安全要求带来很大的压力。功能安全电气驱动系统整个车辆里面,新能源车整个车辆的驱动系统电气化对它的功能性和功能安全性要求很高,智能网联车辆要通过智能化传感器的信息收集进来,不管是车上自己的传感器,还是通过V2X带来的其他传感器收集到的信息,把这些用起来做车辆的行驶、驾驶的决策,在这个过程中也会引用很多功能安全的问题,所以功能安全的压力也会变大。同时,车上电气系统增多之后,所有不同电气系统自兼容的风险会增大,因为高压系统会带来很大的骚扰,各种传感器都是敏感系统,容易被干扰。同时我们的道路环境里面的电磁环境也越来越严峻,徐立总也讲到了车辆所行驶的城市环境电磁背景越来越高,越来越恶劣,这些东西都给车辆的电磁兼容性带来很大的压力。

我们说了这么多问题,这些问题怎么去解决呢?这里就把整车开发的V型的流程拿出来了,我们从需求开发、功能开发、系统开发、零部件定义、设计、测试、验证,到集成测试,到整车的功能测试,到电气系统验证,这个过程里面EMC到底该做什么?在哪些环节该做工作?这就是我们今天提出的问题。EMC设计在我这个V模型里面从哪里开始到哪里结束?

为了回答这个问题我们看一下汽车电子电气架构开发流程梳理一下,并且在这个流程里面找EMC应该在哪些环节做哪些事情。流程最下面一排包括功能需求定义、网络开、零部件开发、电气开发、系统验证。功能需求层面,首先要做对标解析,我们自己也在做比较好的车辆的对标解析,解析的过程中要解析它的功能配置、网络、电气系统,甚至做性能的测试对标。

有一个解析的结果之后你就有一个大概的目标,我的对标车是这样子的,我应该做到什么水平。同时你的车要卖到哪些市场,你的目标消费者是谁,他有那些的需求你要去调研,这时候要求我们做基于场景化的需求开发,包括你的用户对于体验有多高的要求?因为体验的要求不一样,你电磁兼容的等级也是不一样的,零部件保护的成本也是不一样的。你的目标客户的车会在什么样的环境下使用,他们怎么使用的,这些都决定了你的需求应该定义到什么水平。

同时电磁兼容在中国汽车的法规标准体系里面是有一套强制性的标准,我们的标准体系也相对比较完善和健全,一定要去考虑国际的法规标准对电磁兼容有什么要求。同时行业里面有很多相关的交流,包括第三方机构是不是也积累了很多的既往的因为电子电气架构问题导致车的功能性能出现了故障的这些失效案例,基于失效案例你再看做什么样的预防?考虑了这些因素之后,我们就可以去形成供应列表,并且定义整车的目标。这些东西告诉我们EMC的设计在整车开发流程中从哪里开始,我们要从需求最前端开始有EMC的理念。

有了配置列表之后按照分布式的架构来说,基本上有个零部件清单了,依据这些零部件清单就可以清理出零部件的EMC风险识别初步的矩阵,如果对于集中式的架构,我们至少应该形成基础模块的清单,基于此也可以形成风险识别的初步矩阵。

下面要做功能定义、功能逻辑、功能策略的设计,功能策略、功能逻辑的设计和电磁兼容也是有关系的,我们做后端电磁兼容的时候,比如我们发现整车的辐射发射有问题,这时候我们会排查问题从哪里来的?如果是动力系统的问题,我要看是不是在工况上出问题,就需要了解你整车的高压上电策略。对于智能化的车辆来说我们要做智能化工况下的EMC的抗扰测试,这时候我要在实验室里面把整车的智能化功能激发出来,这时候需要定义车速是多少,你的目标有多少,因为有的时候车辆不是在零速开始ADAS就能启动,它有一些速度的门限的设置和出发条件的设置,我们只有知道你的功能策略才能够很好的设计测试方案。在功能需求定义的阶段,功能策略是EMC后期测试的输入条件,EMC测试也需要了解这些信息。

接下来到了架构的阶段,我个人认为软件定义汽车是比较顶层的说法,软件定义汽车之后,其实是架构定义软件。我们现在汽车的电子电气架构发展趋势是比较明确的,是由分布式的架构向域集中,再向中央集中式的架构在发展。最传统的,现在大部分车辆采用的分布式的架构在这里面我们的整车厂是架构的定义者,定于好这个架构之后,由零部件厂商实现硬件和软件的开发设计,这时候我的软件在零部件里面也由零部件供应商做。到了中间的域控制器架构的形态下,整车企业要逐步参与一些域控制器的开发,他可以参与一部分的软件功能的定义,但是他和Tier1之间的分工没有本质的变化,到了集中式的中央控制单元的架构下,整车企业,当然现在很多整车企业在成立他的软件公司,因为不成立没有办法定义软件架构。到了集中式的架构下,软硬件已经是相对分离的了。

在这一页我们去解释在传统的分布式架构里面软件和硬件基本上是一一对应的、强吻合的,我的一个模块就可以实现某一个功能—这功能既有硬件参与,也有软件参与。到了集中式架构下我们最终的目的是要实现软硬分离,底层的架构定义好之后是一个个基础的功能模块,在顶层软件设计方可以对功能模块进行组合,它独立于我的硬件模块,零部件供应商不再能牵制整车企业对功能的定义了。从这个层面来说软件可以动态改变硬件系统中各个网络节点之间的聚合关系,去实现一些新的业务功能,这才是我们现在说OTA软件升级,软件定义汽车最基本的来源。

这和EMC有什么关系呢?我们认为软硬分离导致软件可以影响各个基础模块之间的信号关系,而各个基础模块之间的信号关系就和电磁兼容性能是密切相关的。所以我们认为到了中央集成式架构的阶段,电磁兼容的设计分析不只要考虑物理架构,就是整车电气活动的设计了,要同时考虑软件定义,也就是说软件定义了A模块的功能,它可能在某种模式下会去影响系统A的功能,在另外的模式下可能会影响系统B的性能或功能,你在做风险分析矩阵的时候必须考虑软件对于各模组之间信号关系的影响。

接下来到网络开发设计阶段,现在的汽车网络以太网已经开始慢慢走入汽车网络的市场了,CANFD、以太网制备、高数据率的总线引入,就要求我们在总线的设计开发过程中对零部件总线端口的处理,对我线束的选型和总线的拓扑要考虑EMC的问题,就是你的总线要连到哪些节点,你的节点从骚扰的角度来讲是不是个强骚扰源,从敏感角度来讲它是不是容易被干扰的,你的拓扑设计和线束显型上就必须要考虑,这部分是和EMC密切相关的。

我举一个例子,我们在处理新能源车辆电磁兼容问题的时候,曾经批量化发生过一些问题。车辆上的CAN总线像人身上的神经系统一样,伸到你各个角落。比如车上的某一个电驱动系统,你的EMC系统做得更好,你是个强骚扰源。同时你这个驱动系统又是挂在动力线上的,挂在动力CAN上的,它的骚扰就可以通过你的动力CAN走到车上的各个地方,一个它可以造成你,因为线束一旦总线比较长可以造成整车辐射率超标,另外它可以通过线束之间的耦合或者零部件之间的耦合造成一些低压敏感系统功能出现问题,这就是新的总线架构,包括新的总线技术的引入,也对我们电磁兼容的设计开发提出了新的要求。

再下来一步到零部件的设计开发阶段,这个是汽车电磁兼容长期以来一直在关注的事情,零部件管不好电磁兼容不可能做好的,我们一定要在零部件开发的时候对零部件厂商的端口处理,你的封装形式、线束选型都要提要求。

零部件管控的过程有很多手段,包括我们可以做零部件EMC成熟度评估,我们可以做零部件EMC风险识别,从设计层面、报告层面都可以做风险识别。可以做设计审核,对试验报告、试验方案做审核,包括发现问题如何做排查和整改。

零部件设计开发完之后整车层面也要去做电气系统开发,我们这里列出了一系列电气系统开发要做的事情,整车电平、电源分配、线束走线、原理设计,这里面80%的工作都是和电磁兼容有关系的。所以我们认为整车厂做电磁兼容的工程师一定要懂架构,或者懂得如何和架构工程师如何密切的合作。

在这过程中你对整车的电气布置前期应该介入,你要评估它到底布置得合不合理,线束的设计合不合理,电流分配和接地分配做的合不合理。这里举了几个例子,因为时间关系我不细讲。左边的例子是我们在设计过程中发现的问题,比如鼓风机和全息影像在保险上放到一块了。鼓风机工作的时候就可能导致全息影像系统里的图像出现问题,右边是喇叭和燃油泵,这是安全性的问题,喇叭长期工作导致保险熔断的话,导致燃油泵不上电不工作了,就可能导致安全性的问题。

这里是接地可能会导致的问题,左边的例子是PPMS胎压和油控电机、座椅调节电机在接地点上,这就可能可能导致胎压监测的部分出现问题。右边是PTC接地的问题,PTC是非机组封装,在接地上是假接地的,在设计评审中也可以发现这些问题。这是布线设计中发现的风险,我们在整车的模型阶段就可以考察你的一些骚扰线和敏感信号线,它们之间的位置关系是不是符合你设计的要求。我们在做整车正向开发设计,或者在设计的评审过程中遇到大量的问题,企业不愿意改。这时候我们就要把问题造成的后果分析出来,由企业和零部件供应商做评估,如果他们认为这个问题可以不改,这类问题一定要留下来作为我的风险项,在我后期的摸底测试中要重点考察,这些东西是不是真正出现了问题。

另外一个,刚刚说到无线控制系统在车上用的越来越多,原来车上就是收音机天线,现在车上有几十根天线。上汽的王工后续也会专门对于天线的设计开发做一个报告。天线对于网联汽车变得越来越重要,行业里面现在也在大量的讨论单体天线和整车搭载天线的性能如何做测试评价、测试方法,在设计开发阶段样车还没有出来之前,天线的设计唯一的手段就是通过仿真,仿真是天线在整车开发过程中天线性能优化的一个非常非常的手段,而且目前天线的仿真做的相对于电磁兼容的仿真来说准确度应该要高一个数量级,这是很多整车厂都已经在做的事情,我们也都做

接下来设计完了,就是你让车出来了,就需要做集成测试,包括功能测试、电性能测试、网络测试、诊断测试、EMC测试。这里面单独把EMC测试拿出来了,这里的EMC测试指的是传统的整车EMC测试。我们认为在所有的这些测试中,除了电性能测试以外,基本上所有的测试都和EMC性能有关系。

功能测试和EMC有什么关系呢?我们做整车电测兼容设计开发的过程中有一个概念叫“自兼容性能”,自兼容性能指的是车里的电机系统相互之间的兼容性能,如果自兼容性能做的不好可能在某些特定的工况下,比如我按喇叭的时候,很多车都有这个问题,你一按喇叭收音机同时开启,你的收音机会“咂咂咂”的响。这个问题你说它重不重要呢?如果消费者不在意这个功能没什么影响,但是有些消费者很喜欢听收音机,他也很喜欢按喇叭,就会出问题,就会投诉。这种自兼容问题可以在功能测试阶段被摸出来的,我们认为功能测试可以用于发现车辆自兼容问题。

怎么发现呢?你在前期做风险分析了得时候把你设计开发中可能存在的电磁兼容风险项提取出来的,在功能测试节钻你就可以依据风险项做测试计划。我设计在车上,测试工程师按喇叭的同时听收音机有没有问题?一个零部件工作的时候你去观察另外一个零部件或者性能会不会出现你不想要的偏差,或者按喇叭的时候看你的空调风量会不会发生变化,我们经常遇到这类的问题。也就是说功能测试也可以用来检验电磁兼容的问题。

网络测试里面也可以做电磁兼容的问题,打个比方CANFD和以太网已经速率很高了,你在诊断测试过程中肯定要读总线上的很多数据,我们刚刚说功能测试用来做自兼容测试,你看的是现象,但是在诊断测试过程中你看的是总线上的数据,这个时候有些情况下你的总线容错性比较高的时候,可能总线数据上已经发生了错误,但是你在现象上没有表现出来,这个时候就可以在诊断测试当中通过读数据的方式观察它有没有问题。

另外一个是整车的一些新的智能化和网联化的功能整合,对EMC测试也提出了一些新的挑战。比如说以前的车是一个独立的系统,我做电磁兼容测试,车在路上能跑、灯能开、空调能开就可以做发射的干扰测试,现在不行?现在的车为什么叫智能网联车?就是因为它们环境有交互,智能化系统意味着车辆的传感器和道路环境有交互,网联化系统意味着车辆的无线通信,我们也把它叫做传感器,和你环境中其他车辆的信号,或者其他道路设施,甚至是行人的一些便携式设备之间会有交互。这样的车辆做电磁兼容试验的时候,如果交互模拟不出来,是测不出工况的,这时候需要我们在实验室做一些新的测试方法。

中国汽研从2017年开始就已经在实验室里面实现了ACC工况的模拟,我们应该是国内最早实现这些功能的,就是做了这些实验的研究机构之一。基于我们的研究成果,我们目前正在写学会电磁兼容分会的标准,叫做《智能网联车辆的电磁抗扰技术要求和测试方法》。这里面有几个视频,是我们做试验时候的一个视频,第一个视频是关于ACC功能的,我们看到车辆轮子的转速和仪表上的显示是可以一一对应的,我可以在实验室里面去实现我的前方没有目标的情况下模拟前方有车靠近我的时候我减速,前方车子加速远离我的工况。下一个视频是前车碰撞预警的视频,前方的目标靠近我到一定程度的时候,我是会有碰撞的预警。下一个视频是ADW的视频,车辆在越线的时候是会检测出你的车道偏离。这是一些简单的视频,告诉我们大家我们在做相关的事情。

基于前期的研究工作,我们牵头的标准目前已经进入报批阶段了,这个标准做的时间比较长,对于一个团体标准而言,一般团体标准一年就要报批,我们这个标准做了两年,这是目前全球的第一份面向智能网联汽车的电磁兼容标准,而且这个标准我们不去考虑抗扰、发射。方法的研究,包括测试系统的布置还是花了很多经历。这个标准现在在报批阶段,看今年能不能批下来,我们也希望在座的整车企业的同行们,我们做这标准的初衷就是给大家提供参考的方法,给大家一些提示我们可以怎么做这个事情,在座的各位工程师如果有兴趣也可以去研究研究,在这个基础之上你们也可以开发一些自己的方法。目前基于这个标准中国汽研也在开展相应的智能网联车辆的电磁抗扰电磁测试的服务,有兴趣的同事们可以跟我们联系。

讲了这么多我就把整车电气架构开发和电气系统开发的全过程拿出来跟大家分享一下我们在这过程中发现哪些环节和EMC相关的,我们如何做和EMC相关的工作,真的看下来EMC设计从哪里开始到哪里结束?基本上我们从整车设计开发的,最初的阶段,从需求阶段必须介入,整个EMC设计贯穿了整车开发的全过程。我今天的结论就是EMC设计和架构设计是一对“焦不离孟,孟不离焦”的好兄弟,这也要求我们做EMC的工程师了解汽车架构,紧跟汽车架构发展的步伐。你即便不做架构,也要跟架构工程师密切合作,才能让我们车辆的电磁兼容性能真正做到从设计阶段就优化它的水平,减少后期整改或者出问题的概率。

我的演讲就是这些,谢谢大家。

2021中国(北京)国际汽车零部件博览会
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注 :本次展会规模较大,涉及汽车制造整个产业链,望新老客户及时提前安排参观参展!


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