前序

什么是電子電氣架構？電子電氣架構包含了車上所有的硬件、軟件、傳感器、執行機構、電子電氣分配系統，電子電氣架構是通過系統集成化的工具把這所有的內容整合到一起，它包含了最軟件設施、硬件設施和高效的動力和信號分配系統三個基礎的要素，在軟件設施和硬件設施具備基礎上還要一套高效的動力和信號分配系統把這些軟件和硬件有機地結合到一起。現在的電子電氣架構不僅要滿足車輛本身的功能和車輛本身的服務，還要延伸到云端，實現車跟車之間的互聯、車跟交通設施之間的互聯、車跟人之間的互聯，這些都將通過電子電氣架構來實現，所以將來的電子電氣架構是互聯的電子電氣架構。

隨著智能化汽車的發展和新能源汽車的發展對電子電氣架構的要求會越來越高，隨著用戶體驗系統、娛樂系統、互動系統和主動安全功能的不斷完善，導致目前的電子電氣架構已經無法滿足這些需求，現在的電子電氣架構已經沒有足夠的空間和相應的成本增加，并且在物理安裝上也有很大的困難。如果在想繼續滿足自動駕駛和新能源汽車的相應功能，現在的架構已經超過負載，目前的架構需要更新。

注：以上摘錄自，安波福APTIV，亞太區產品工程總監，余寧，在2018年某次活動上的精彩分享。

汽車三大類別，車身、底盤和電氣。往往汽車電氣部門在公眾視野里是被忽視的一個群體。因為車身的好看不好看和底盤性能的好壞，公眾都有自己的一套評判標準。唯獨電氣性能卻不被人們所熟知。但為了實現汽車上的各種各樣的功能，卻離不開這一群默默無聞的電氣工程師。本文就從最看不見摸不著的電氣架構著手來扒一扒這一幫群體的工作內容。為有志從事這一行業的人才提供一點點的幫助。

電氣架構的起源:

1885年一個德國的中年人卡爾·佛里特立奇·奔馳研制出了世界上第一輛馬車式三輪汽車，汽車從此誕生了。

但起初汽車只是一個純機械產品，所以根本不存在電氣架構這一說法。

所以在強烈的客戶需求下，汽車大燈發明了。

發展到現在有部分車型已經配備了激光大燈。

科技改變生活啊。說不定若干年后汽車實現了完全自動駕駛。到那時，大燈可能也就不需要了。所以很多事情起點即是終點。

有了燈就得有電，所以有了蓄電池，有了電還得有連接回路，所以有了線束。白天不用開燈夜間需要開燈，所以有了開關控制。電池一直在耗電需要有補充，所以有了發電機。為了保證線束短路的時候不把車給燒了，所以有了保險絲。

但后來又發現這個開關通過大電流的時候容易有飛弧現象，而且開關的觸點也要做得很大以便承受大電流通過。所以有了繼電器來解決這個問題。

出于一個簡單的客戶需求，汽車上就需要增加這么多的電器件。

隨著汽車上電器件越來越多，電器架構也就有了最初的雛形。

?電氣架構的系統分類

1920年代以來，隨著電子技術的發展。越來越多的產品開始和電相關。對于汽車來說也是一樣。越來越多的電子產品被應用到汽車上。這就需要有一個好的電氣架構來管理這么多的電子產品。

后來越來越多的燈具被應用到了汽車上。就有了照明系統。

原先剎車時不可避免車輪會被抱死，汽車就失去了轉向能力，增加了車禍發生的可能性。但隨著電子技術的發展，通過傳感器控制器和執行器相互配合工作就能達到防止剎車時車輪抱死的情況發生這就有了ABS系統。

隨著人們對生活品質要求的提高人們對車內娛樂的要求也越來越高。也就形成了一套車載的娛樂系統。

?既然談到了電氣架構，首先需要了解整個電氣架構都包含了哪些系統。

?我們可以大致把這些系統按上圖的分類來歸納，但這些分類并不是固定死的，各個汽車廠家對電氣架構會有自己不同的分類。

?分好類別之后，就可以對每個組單獨的制定電氣原理。

?當然還會加上各個組別之間的數據交換。這樣一整套電氣架構就組成了。

整車上每實現一個功能都需要有一個基礎的電氣架構來支撐。一個最基礎的電氣架構應該包括供電，控制，執行及反饋等回路。

整車的電氣架構就是由幾百上千個基礎架構所組合而成。這樣聽起來好像和拼圖一樣嘛，太簡單了。果真如此嗎？那么接下來我們就來講講怎么來創建這個架構的。

?電氣架構的創建方法

當一個汽車廠需要開發一款新車型的時候需要做大量的市場調研，和競品調研。這樣才能明確這個新車的市場定位。當然有的車企完全不用做這些，領導拍腦袋就行。

往往一個新車型開發需要3~5年左右時間，在明確市場定位和競品定位之后還得有一定的前瞻性，這樣才能確保定義的新車需要搭載的功能不至于落后其他車企。當然定義完功能表之后，隨著項目的推進，這些功能表也是會有一定的調整。在電氣架構的創建前期，首先必須要知道的是整車的配置清單。之后再根據配置清單來定義整車需要配備的電器件及控制單元。

隨著計算機技術的發展，原先一個信號必須有一個回路控制的情況徹底改變了。幾個回路就能傳輸幾百M甚至幾個G的數據。這樣也就大大減少了原先整車架構的回路數，線束的成本和重量得到了非常大的優化。

當網絡應用到汽車上之后，電氣架構發生了翻天覆地的變化，早期的原理圖里能很清楚的讀出每條回路的控制邏輯和作用，現在就算有了原理圖，有些控制邏輯由于是由控制器之間互相通訊來實現，所以如果沒有控制器之間的通訊協議就不能很清楚的知道各個功能之間的控制邏輯。

為了有一個清晰的網絡框架，在搭建架構的時候就需要根據控制單元類型，定義好各控制器之間的網絡傳輸種類。目前最常用的還是CAN通訊。

電氣架構雖然看上去只是一些電氣連接邏輯。但最終它是以物理表現所呈現出來的。如控制器的布置和線束的布置。

所以所有的這些物理布置都會影響到整個電氣架構。這就需要上面這種拓撲圖來做依據。根據拓撲圖來清楚的知道用電設備在整車上的布置以及用來劃分連接整車電器的線束。當然整車線束的劃分和主機廠安裝策略和整車的線束物理布置都有關系。這些物理表現也是最直觀的呈現在我們面前的。套用經濟學上的說法就是“看得見的手”而電氣架構就是“看不見的手”。整車電氣功能就是由這看的見得手和看不見的手共同作用而形成的。

以上所有內容定義清楚之后，就可以開始繪制電氣架構了。

總結下就是分模塊分功能一塊一塊的搭載到整個架構上。但每一塊的內容離不開三種類型的信號：電源分配，信號分配，接地分配。

到這兒，大家應該都能基本掌握了初始電氣架構的創建方法。下面再給大家談談如何提升創建架構能力，怎樣來評價一個架構的好壞。這就涉及到了架構的平衡優化。

?電氣架構的平衡優化

要知道如何進行架構的平衡優化首先需要知道整個架構原理包含了哪些信息在里面。

插件信息一般都是由定義的用電設備來決定。但也有一些特殊情況比如使用空間受限，需要重新對用電設備做空間優化設計，最常見的就是直頭插件換成彎頭插件。

回路連接信息也是最基本的信息，根據所應用的通訊網絡不同而有所不同。主要表示的是各用電設備之間的用電和信號傳輸邏輯。

根據車型配置的不同，有選配的也有標配的功能，對應的回路也就有選配和標配之分。所以回路選項信息主要作用就是顯示具體的功能所對應的回路。

保險絲的作用主要是在短路或有電流沖擊的情況下保護回路，防止導線溫度過高而起火。原則是每條用電回路都需要有保險絲控制。需要注意的是保險絲只能保護他下游的回路。所以現在越來越多的車型會在電池正極柱上就設計保險絲，從而實現源頭保護。

線束分類信息主要根據整車廠安裝策略和線束3D布置有關。需要注意的是線束分類的越多，物料成本也就越高。

導線信息包含了導線的線型，線徑和顏色信息。導線信息可以說是一個電氣架構的基礎。也很大程度的影響到整車線束的成本和重量。

前面講到做架構就像搭積木一樣把各個功能都往上堆，但是在整合的過程中卻需要注意到整個架構的平衡及優化。我們也知道了整個架構包含的信息有哪些了，那么我們就可以從每個信息著手來分析和優化整個電氣架構。主要考慮的如下幾點：

1.整車的電源及供電系統是否匹配

2.導線的選擇是否合適

3.回路是否最短路徑

4.保險絲和繼電器是否選擇合理

5. 插件是否合理，使用數量是否降到最低

6.回路數通過架構優化是否可以合并

7.其他

整車的電源及供電系統匹配需要考慮整車電瓶及發電機產生的電量是否能滿足整車用電高峰的需求。一般我們選取夏季雨夜為范本。這時大功率的用電設備如空調、雨刮器和大燈都是在工作的。發電機和蓄電池的電量應該大于此時的極限電量。

一般情況下蓄電池的電量只是用來給啟動機供電。正常情況下整車的用電由發電機提供。但當極限條件下蓄電池可以參與供電。所以蓄電池電池容量的選擇決定了汽車在極限工況下用電的持續時間。

在選取電池和發電機容量的時候就需要考慮到一個經濟平衡性。值得一提的是現在很多車都會有電瓶電壓監控，主要是防止在發動機沒有啟動的情況下（發電機不工作），用電設備卻還在工作，這時就需要保證電瓶的剩余電量能滿足啟動機的要求。

另外一個比較重要的課題是導線截面的選擇。學過物理大家都知道導體在傳輸電流的過程中會發熱，電流越大發熱量就越高。所以導線截面的選擇主要看導線能否承受所通過電流的發熱量。

但是在整車上，往往一個線束分支只包含一根導線的情況少之又少。導線經常是以成捆的方式出現布置在整車上。一捆線束的發熱量，中間導線的散熱環境是最差的。所以對整個線束的耐電流分析需要考慮的因素非常的多。目前也存在一些軟件來模擬分析。但最終還是需要通過整車電流溫升測試來判斷和優化設計。

導線的選擇除了截面還有類型。不同類型導線的絕緣層材料決定了導線的耐溫耐磨等性能。不同的絕緣曾對導線的柔軟度及最小彎曲半徑都是不同的。所以從這一點來說導線的絕緣層材料對線束的布置也會有影響。除了絕緣層的不同，整車上還會有一些特殊類型導線的應用，如雙絞線和屏蔽線。

學過物理的應該清楚，電流流過導體會產生磁場。當電流大小和方向一直變化的時候，所產生的磁場也會相應的變化，這個變化的磁場會影響到信號的傳播，這就產生了電磁干擾問題。所以汽車上通過使用雙絞線和屏蔽線的方式來解決電磁干擾問題。當然極端情況下還可以用在線束上加磁環濾波的方式。

雙絞線是通過磁場相互抵消的原理來實現抗干擾。理論上絞距越小，抗干擾能力也就越強。

屏蔽線是通過電磁籠罩原理，通過金屬屏蔽層接地來實現。但金屬屏蔽層是由銅絲編織而成，不可避免會有空洞產生，所以可以通過屏蔽網外面再覆蓋一層鋁箔的方式來加強屏蔽效果。

?新能源電氣架構的發展

全球每年從地下開采的石油超40億噸，約65%被汽車所消耗，全球石油的儲量是有限的，全球汽車保有量也在與日俱增，所以這種依靠石油的能源結構是不可持續的。

各國政府也意識到了這一點，紛紛出臺了各種嚴苛的油耗法規。比較著名的就是“咖啡法案”。

為了達到油耗和排放法規，各大車企也對應的研發了一些新能源車型。目前比較普遍的有BEV，PHEV，HEV和48V系統。雖然新能源車型種類很多，但對于電氣架構的影響可以分為兩大類：高壓和低壓。我們把60V以下的電壓稱之為安全電壓，也就是我們經常所說的低壓系統。相對應的60V以上的就是高壓系統。

說到48V，最核心的技術是通過ISG來驅動怠速或滑行時候的發動機曲輪，取代傳統通過燒油來推動凸輪軸運動從而帶動曲輪的方式。從而達到節省燃油的目的。當然除此之外還可以通過把傳統發動機上的高負載附件電動化，比如渦輪增壓器，空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等，降低發動機的負載來進一步達到節油目的。

48V主要改變的是電源分配系統的架構。

48V系統帶來的另一個好處是原先一些大電流的用電設備，如鼓風機、雨刮電機等等，通過重新設計升級成48V之后，所選用的導線截面也可以縮小。這樣能減小線束重量從而減輕整車重量來達到節油的目的。

48V相對于12V來說更容易會有電弧產生。比如當保險絲熔斷時，當開關開閉時，當導線皮有破損的時候，當接地片有松動的時候等等。所以這就需要為48V重新設計新的一些電氣件。當然這也就影響到了整個電氣架構。

1.48V保險絲，它要求當產生電弧時，不至于把保險絲的外殼燒毀，避免引起燒車事故。

2.對于繼電器開關所引起的電弧，可以通過使用電子式半導體開關來替代傳統的繼電器。

3.對于絕緣破損，接地不良等引起的電弧可以通過在回路中加監控電路，當檢測到有電弧現象時可以切斷48V輸出以避免引起更大的事故

我們把電壓等級高于60V系統稱之為高壓系統。BEV，PHEV，HEV等都會涉及到在架構中增加高壓系統。所以這些車型的整車電氣架構是由高壓系統和低壓系統并存。電動車型的基本概念就是通過電機驅動汽車從而取代發動機驅動以達到節約燃油的目的。目前最大的瓶頸還是在電池，電池性能決定了續航里程和充電時間的多少。根據容量不同，現有車型配備的鋰電池包普遍需要5個小時以上的AC充電才能充滿。既是用DC充電，也需要1小時以上。這點也是電動汽車推廣比較困難的一個原因。

但是現在有些公司已經宣稱研發出固態電池和石墨烯電池等等。1分多鐘就能把電池充滿。如果屬實的話，那么我認為電動車時代會很快到來。唯一需要解決的就是如何把這些電池盡快投入到批量化和產業化的道路上來。

高壓系統我們也可以分為驅動部分和附件部分組成。

驅動部分主要由電機，控制器，分電盒還有電池包組成。一般情況只需配備1個電機，但有些車型會配備前后電機，更有配備4輪輪轂電機的車型。所以這個架構也是根據電機配備情況而有所不同。

高壓附件部分主要還是有加熱器，高壓空調，分電盒，電池包，充電機等組成。

由于電動或混動車型，發動機不是一直處于工作狀態，所以主要靠發動機來帶動的壓縮機這時就需要改成電氣化。冬天暖風也是同樣的道理，需要依靠電加熱來實現暖風功能。同樣的還有DC-DC是取代傳統的發電機來給低壓系統供電。

高壓系統未來的一個趨勢是集成化。

比如把高壓盒集成到充電機上，或者把控制器和電機集成，還有把高壓盒，電機和控制器一起集成的。目前，有些車企已經在應用這些新的方案。

這些新的方案也直接影響到了高壓架構。我們預測以后電動汽車上不會有單獨的高壓盒出現。而且從成本考慮，會像低壓一樣出現高壓splice。如上圖，就是增加了高壓splice的架構。這樣既能節省掉一對接插件，又可以節約一個高壓保險及與高壓保險配套的連接系統。所以成本優化的最高境界應該是從技術革新入手，而不只是一味的通過壓榨供應商來達到目的。

高壓系統的加入必然也會影響到整車低壓電氣架構。如高壓部件的一些信號反饋還是需要通過低壓信號的方式與整車控制器之間進行通信。但對低壓系統最大的影響應該還是BMS系統的加入。

由于高壓具有一定的危險性，所以需要通過一些技術手段來避免汽車在使用過程中對人體產生傷害。BMS這時就發揮了這個作用。

1.電動汽車需要實時對絕緣進行監控，來確保不會由于絕緣故障而引起觸電事件的發生。當發生絕緣故障的時候需要立即切斷高壓輸出。

2.考慮到安全性，任何插拔高壓插件的時候都必須切斷高壓輸出防止觸電，所以加入了interlock回路。

3.為了電池包的安全，BMS需要實時的監控電池包的溫度，當溫度過高的時候也需要切斷電源輸出防止事故。

4.由于鋰電池的特殊性，為了電池包的經濟性，BMS還需要監控單體電池的電壓，防止某個電池單體出現過充過放現象，從而影響整個電池包的壽命。

?電氣架構的未來展望

下面的內容聽聽就行，千萬不要當真了。

目前各大主機廠基本達成了對未來汽車發展方向的構想，那就是電氣化、智能化和互聯化。

電氣化其實汽車從誕生之初就一直在朝這個方向發展。越來越多的原來純機械的產品被電氣化產品所取代。十年內最大的變革應該是動力總成的電氣化之路。

我設想的智能化最終應該實現點對點之間的自動駕駛，只要輸入目的地系統自動選擇合理路線把乘客送到目的地不需要人類再操作汽車。所以未來的汽車可能是一個娛樂+移動終端。想象下汽車以后可能會變成一個移動影院，移動咖啡館或者移動網吧。

要實現上述構想，必須首先實現互聯化。而且不光是汽車是整個社會基礎設施的互聯化。通過大數據處理，讓汽車清楚每條道路或者停車位的情況

談到智能化，不得不提自動駕駛。，目前市面上已經推出了很多L2級別的自動駕駛汽車，即將推出的L3級自動駕駛汽車，如奧迪A8等，不僅僅是在一天之內產生上億字節的信息處理，還需處理數百個數十億字節的信息，而一旦實現完全自動駕駛之后（L5級別 ），將達到兆兆字節。當所需處理的數據增長了100,000倍，那么相關的系統都需要進行改變。

系統的改變也就意味著電氣架構的改變。這對傳輸速率和架構的穩定性提出了新的高要求。

比如在高速公路上的自動駕駛，以120Km/h的速度行駛的話，信號1秒鐘的延遲汽車就已經行駛了33m。這對于高速行駛中的汽車來說是非常危險的。所以自動駕駛對信號速率和穩定性都提出了新的要求。

實現自動駕駛就得配備ADAS系統，ADAS即先進駕駛輔助系統又稱主動安全系統，主要包括車身電子穩定系統ESC、自適應巡航系統ACC、車道偏移報警系統LDW、車道保持系統LKA、前向碰撞預警系統 FCW、自動緊急剎車系統AEB、交通標志識別TSR、盲點探測BSD、夜視系統NV、自動泊車系統APS等。

對于架構來說，首先改變的是需要增加的是與ADAS相關的各類傳感器和控制器之間的回路。以及ADAS系統與整車控制系統之間的通訊。

ADAS的主流趨勢是：以攝像頭和雷達系統為主體，結合多種傳感器的融合（夜視、激光雷達、超聲波等），再配合高精度定位與導航系統，以及車與車、車與基礎設施的融合。

為了實現上述功能，ADAS需要實現云端鏈接，以支持多媒體數據流量的系統鏈接，安全開機、安全識別與身份驗證、加密以及解密。所以需要支持以太網，Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE等網絡傳輸。

自動駕駛對于信號傳輸的穩定性也提出了新的要求。原則是不能由于某個回路的斷路或故障而影響到整個系統的運行。

這就對電源架構提出了新的設計思路，上圖這種環形冗余設計架構是一種域控制的概念。這種架構的特點是把整車電氣架構分割成幾個獨立控制的區域，每個區域之間通過CAN網絡來通訊。這種架構的好處是，可以把某些重要的功能同時放在2個或2個以上的區域里。這樣不會由于某一個區域出現故障，而使這些重要的功能失效最終影響自動駕駛的安全性。

在電信行業目前移動通訊技術已經發展到了4G時代，在不遠的將來5G時代也將隨之而來。5G具有以下5個特征：“無與倫比的快”、“人多也不怕”、“什么都能通信”、“最佳體驗如影隨形”、“超實時、超可靠”。

反觀汽車行業，汽車內部的信號通訊已經遠遠落后這個時代。不管是Lin通訊還是CAN通訊都還是硬線連接技術。個人認為未來移動通訊技術會被應用到汽車電氣架構中來。所有的執行機構和控制機構之間的信號傳輸不再是以硬線連接，取而代之的是無線互聯。唯一需要硬線連接的可能只有電源系統了。這種架構的變化可能會分為兩步走，首先配備在不影響安全的功能上，等到應用的安全性和穩定性得到驗證之后整個電氣架構都會被顛覆。

當然上面講的電源系統仍需硬線連接也不是絕對的。比如一些耗電功率較小的設備，完全可以做成有源的。而且可以確保在整個生命周期都不需要更換設備的電源。可以設想下把玻璃升降器開關做成有源的，開關與電機之間做成無線通訊。那么開關將會取消所有的回路，插件也會被取消。但是功率較大的用電設備還是會保留硬線電源連接。所以升降電機上只會保留電源和接地線回路。這對整個電氣架構來說是一個顛覆式的優化。

可以大膽的想象，未來電氣架構圖只能看到大電流的電源分配系統和接地分配，其他所有的信號通訊系統都會變成“看不見的手”。

審核編輯 ：李倩