在換電站及充電樁等補能基礎(chǔ)設(shè)施尚未大規(guī)模普及的情況下,普通用戶購買電動車最關(guān)心的還是車輛的續(xù)航能力。從這個需求場景處出發(fā),有利于降低整車能量消耗、提高整車?yán)m(xù)航能力的技術(shù)都值得主機廠工程師研究一番。
車輛在使用過程中的能量消耗一般包括以下三大類:
(1)車輛行駛時克服各種阻力消耗的能量;
(2)車輛熱管理消耗的能量;
(3)車輛各個控制器和執(zhí)行器工作時消耗的能量。
其中前兩類在車輛行駛中占據(jù)能量消耗的大頭,如果說一輛車的百公里能耗低,那勢必在這兩方面做到了很好的平衡。
第三類能量消耗與我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān),既會發(fā)生在車輛行使過程中,也會發(fā)生在車輛靜止的時候。開車時開個空調(diào)、停車時開個尾門都會產(chǎn)生不同程度的能量消耗。
這類能量消耗雖然總體占比不大,對整車?yán)m(xù)航能力影響有限,但螞蟻腿也是肉,如何節(jié)省這部分的能量成為主機廠架構(gòu)工程師日日忙碌的事情。
本文就來介紹一種可以降低此類能量消耗的技術(shù)方案;PNC+E-FUSE。
01PNC
在傳統(tǒng)整車網(wǎng)絡(luò)管理中,整車控制器要么同時被喚醒要么同時休眠。但在一些功能場景中,比如車輛充電場景、比如哨兵模式,我們只需要部分網(wǎng)段中部分控制器參與工作,而不是全部網(wǎng)段的全部控制器。
基于以上需求痛點,AUTOSAR在其網(wǎng)絡(luò)管理中定義了局部網(wǎng)絡(luò)(Partial Network,PN)的特性,允許通過采用些規(guī)則將整車網(wǎng)絡(luò)進一步劃分為不同的局部網(wǎng)絡(luò)。在特定功能場景下,與功能場景相關(guān)的局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的控制器處于工作狀態(tài),而無關(guān)的局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的控制器仍處于低功耗狀態(tài),以達到進一步減少能量消耗的目的。
局部網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能將整車控制器劃分為不同的網(wǎng)絡(luò)簇(Partial Network Cluster,PNC),每一個PNC就是一個虛擬的局部網(wǎng)絡(luò),PNC中的控制器可以在同一個網(wǎng)段,也可以跨不同的網(wǎng)段,且每一個PNC支持單獨的喚醒和休眠。
NM PDU是AUTOSAR中定義的CAN網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)報文,包括8個字節(jié),每個字節(jié)定義如圖1所示。
圖1 NM PDU定義
Byte1對應(yīng)的控制位向量(Control Bit Vector,CBV)中每個Bit定義如圖2所示。
圖2 CBV中各Bit定義
CBV中Bit 6表示局部網(wǎng)絡(luò)管理支持位(Partial Network Information Bit,PNI),等于0時表示不支持局部網(wǎng)絡(luò)管理,等于1時表示支持局部網(wǎng)絡(luò)管理。 如果整車要使用PN功能,發(fā)送NW PDU時,需要將該位置1。
圖1中的Byte2到Byte7通常用來存儲PNC信息,一共有6個Byte,每一組PNC使用其中的某一個bit位來表示,所以原則上整車最多可以有48個PNC。
02E-FUSE
E-FUSE本質(zhì)上是一種集成電路,通過在單芯片上集成MOSFET、驅(qū)動、檢測電路、邏輯電路、診斷等模塊,提供一種供電電路保護的半導(dǎo)體解決方案。
當(dāng)E-FUSE串聯(lián)進主供電電路時,其工作方式類似于傳統(tǒng)保險絲,能夠檢測過電流和過電壓情況并對其做出快速反應(yīng)。 發(fā)生過載情況時,設(shè)備會將輸出電流限制為用戶定義的安全值。 如果異常過載情況持續(xù)存在,則設(shè)備將進入打開狀態(tài),從而斷開負(fù)載與電源的連接。 過載電流限制可以通過一個外部電阻器進行編程。
E-FUSE具有的優(yōu)點如下:
(1)節(jié)省空間。 E-FUSE通過集成在PCB板上,相比于現(xiàn)在至少需要單獨兩個配電盒(前艙和乘員艙各一個),可以節(jié)省不少空間,對本就捉襟見肘的車內(nèi)布置空間來說是一大福音;
(2)相比傳統(tǒng)保險絲通過不可逆的自毀方式保護整車的用電線路,E-FUSE具備自恢復(fù)的能力。 這也就意味著E-FUSE因過壓、過流、低壓等電路異常損壞的概率極小,不考慮芯片本身的故障,E-FUSE幾乎可以用到車輛報廢。 所以從這個維度來看,E-FUSE還能側(cè)面減少整車生命周期的維修成本,提供更好的用戶體驗;
(3)提高功能安全。 高等級自動駕駛對關(guān)鍵供電線路的功能安全等級要求一般為最高的ASIL D。 采用傳統(tǒng)“黃金搭檔”方案很難達到此要求或者需要付出極大的代價,而讓一顆半導(dǎo)體芯片達到ASIL D,這是芯片巨頭的強項;
(4)診斷功能。 通過對每一條供電線路進行檢測和診斷,可以提早發(fā)現(xiàn)故障,減少重大故障發(fā)生的幾率;
(5)在線升級。 通過在線升級可以靈活調(diào)整功能邏輯、及時修復(fù)BUG。
E-FUSE具有的缺點如下:
(1)單個E-FUS的成本高。 十幾塊錢的E-FUS相比幾毛錢的保險絲,誰用誰敗家。 但是萊特定律告訴我們:產(chǎn)量每累計增加一倍,成本價格就會下降15%。 現(xiàn)在是缺點,產(chǎn)量達到一定規(guī)模就是優(yōu)點;
(2)更換成本高。 一旦壞掉(雖然硬件失效的概率極小,但不排除百萬分之一壞的可能),需要連著整個控制器都一起換,更換一個控制器的成本是一個保險絲的幾百上千倍。
03PNC與E-FUSE的結(jié)合
下文以一個具體的使用場景來說明對PNC進行詳細(xì)設(shè)計的過程。
比如說有一個遠(yuǎn)程座艙舒適功能的場景,需要把車內(nèi)溫度和座椅溫度達到用戶設(shè)定的值,這個場景定義為PNC1(NM PDU Byte2Bit0)。
如圖3所示,假定空調(diào)和座椅分別由ECU1和ECU2進行控制,并且分布在不同的CAN網(wǎng)段上。 根據(jù)該場景需求,需要對ECU1和ECU4分別進行網(wǎng)絡(luò)配置,并在收到NM PDU Byte2Bit0 == 1時,ECU1和ECU4 可以被喚醒。
圖3 遠(yuǎn)程舒適功能架構(gòu)
當(dāng)用戶激活該功能時,對應(yīng)區(qū)域控制器收到該請求信號,把對應(yīng)的NM PDU Byte2Bit0置為1,同時發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)段(CAN1和CAN2),當(dāng)ECU1和ECU4收到該NM PDU時會自行喚醒,此時控制器可正常工作。 其余的控制器因為沒有配置PNC1對應(yīng)的內(nèi)容,所以即使在同一網(wǎng)段上收到該網(wǎng)絡(luò)管理幀也不會喚醒。
在沒有引入PNC的特性時,AUTOSAR的網(wǎng)絡(luò)管理一般是同一網(wǎng)段上只要有網(wǎng)絡(luò)管理幀,那么該網(wǎng)段上的所有控制器都會喚醒。 更有甚者是只要整車有任一喚醒源喚醒了網(wǎng)絡(luò),中央網(wǎng)關(guān)就會把整車所有節(jié)點都喚醒。
對于那些并不需要參與這個功能的控制器來說,尤其是功率比較大的控制器,比如主機屏幕、激光雷達等,醒著就是浪費車輛的能耗。
所以在不增加硬件成本的情況下針對特殊的使用場景設(shè)計不同的PNC,能有效地降低整車的功耗,特別是該特殊使用場景持續(xù)使用的時間還比較長,比如哨兵模式、露營模式等,就可以運用PNC進行管理,以達到節(jié)能的目的。
隨著最近幾年E-FUSE也引入了車輛的設(shè)計中,E-FUSE與PNC的組合設(shè)計成為主機廠架構(gòu)設(shè)計中的一種潮流。
在沒有用到E-FUSE之前,整車的電源管理一般只分為三種狀態(tài),分別為OFF、ACC、ON,這里我做一個簡化,把ACC和ON狀態(tài)合并叫做KL15供電,OFF狀態(tài)叫做KL30供電。 KL15供電一般是由BCM控制繼電器吸合后供電,KL30為接入蓄電池的常電。
一般只有需要在整車OFF下工作的用電器才掛在KL30下,像BCM、PLG、T-BOX、SCM等控制器。 而不需要在整車OFF下工作的用電器通常會掛在KL15供電下面,像空調(diào)、娛樂大屏等控制器,KL30和KL15供電示意圖如圖4所示。
圖4 KL30和KL15供電示意圖
很顯然這樣的電源管理方式是比較粗獷的,在當(dāng)前流行的區(qū)域控制器中,區(qū)域控制器會統(tǒng)一對下轄的子節(jié)點進行電源管理,也就是通過E-FUSE來實現(xiàn)電源的供給與切斷。 不同的ECU以及執(zhí)行器按照就近原則被放在不同的區(qū)域控制器下面來進行控制,通過區(qū)域控制器對下一級的ECU的電源進行管理,這就是E-FUSE當(dāng)前的使用場景,如圖5所示。
圖5 區(qū)域架構(gòu)下E-FUSE應(yīng)用案例
既然已經(jīng)用了E-FUSE這么高端且智能的控制芯片,那么如果僅僅只是為了電源的管理豈不是太浪費了。 可以把不同的控制器放在不同的E-FUSE上,一個車上的E-FUSE越多,那么就可以更精準(zhǔn)的控制每個用電器的電源。
回想一下前面提到的PNC1的管理,也就是遠(yuǎn)程座艙舒適功能場景的網(wǎng)絡(luò)管理。 在沒有引入E-FUSE之前,需要區(qū)域控制器通過網(wǎng)絡(luò)的方式喚醒座椅和空調(diào)控制器,并且控制KL15繼電器吸合,因為KL15供電下的控制器不止空調(diào)控制器,在該供電下的其他控制器也會同時工作,這樣就會導(dǎo)致整車的能耗增加。
如果有E-FUSE的精細(xì)化管理控制,區(qū)域控制器可以精準(zhǔn)的控制空調(diào)和座椅控制器所在的E-FUSE。 雖然也有可能有其他的控制器掛在空調(diào)或者座椅所在的這一路E-FUSE上,但是通過對使用場景的分析,可以盡可能的把功耗小的控制器掛在該E-FUSE上,甚至如果分析完所有場景需求,在滿足場景需求的情況下可以把空調(diào)和座椅控制器放在同一個E-FUSE下進行控制。
04寫在最后
車輛剛誕生的時候,其實并不需要網(wǎng)絡(luò)管理,因為車上就沒有幾個控制器。 隨著汽車的發(fā)展,車上的控制器越來越多,需要在整車OFF模式下工作的用電器也越來越多,如果沒有網(wǎng)絡(luò)管理,那當(dāng)某個功能需要不同的控制器協(xié)同工作時,只能通過硬線的方式對需要的控制器進行喚醒。 隨著控制器的增多,采用這樣的方式效率會很低,所以網(wǎng)絡(luò)管理孕育而生。
正所謂天下合久必分,分久必合。 汽車的發(fā)展也由之前的控制器極少變成控制器超多,到現(xiàn)在慢慢的控制器在減少。 所以在控制器變少的情況下,網(wǎng)絡(luò)管理是不是也會有相應(yīng)的變化。 前文提到的遠(yuǎn)程座艙舒適功能的單一場景,如果僅僅只是滿足這個場景需求,其實可以把座椅控制器和空調(diào)控制器放在同一路E-FUSE下,直接由區(qū)域控制器來控制這兩個控制器。 當(dāng)用戶觸發(fā)該功能時,E-FUSE工作,而不需要用到PNC的管理。
AUTOSAR的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議棧并不便宜,通過梳理整車的功能場景,如果在滿足所有場景的情況下部分的用電器可以直接由E-FUSE控制,其余的通過PNC進行管理,這兩者相結(jié)合,這樣可以省掉一筆不菲的開發(fā)費以及帶來整車能耗的下降,這也是給消費者帶來更實惠產(chǎn)品進行的嘗試。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:整車電子電氣架構(gòu)——PNC與E-FUSE打響的整車能耗“保衛(wèi)戰(zhàn)”
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