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提高零部件的智能化率是自主车载网络产业化的重要途径

上网日期: 2004年11月23日 ?? 作者: 唐晓泉 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:车载网络? 汽车? 车载网络拓扑结构? POLO轿车?

一、车载网络——现代汽车中的通用技术

随着电子技术、信息技术在汽车中的融合,以燃油电子喷射、电子防抱死刹车系统(ABS)、电子制动力分配系统(EBD)、电控转向助力系统(EPS)、自动变速器、电子行驶稳定系统(EPS)......等集机械、电气和电子一体为代表的现代汽车技术由价格高昂的高级轿车应用逐渐渗透到面向百姓的家庭轿车之中,与这些技术密切相关的车载网络也随之进入家庭轿车之中。据作者统计,近两年在中国下线,售价在6~20万之间的轿车中都能发现车载网络的综影。图1是上海大众汽车有限公司2002年推出的POLO轿车上车载网络拓扑结构

图1中,POLO轿车中两条独立车载网络实现了整车信息的共享,一条车载网络服务于动力系统,它将发动机控制、自动变速箱、ABS、安全气囊和防盗控制等与汽车动力系统密切相关的部件连到一起,实现了整车动力系统的信息共享;另一条车载网络服务于舒适系统,它将与人们舒适度相关的车身电子系统连接到了一起,实现了整车车身电子系统的信息共享;组合仪表集中了两条车载网络的信息,用于整车信息的人机交互;而两条车载网络中的信息共享则通过车载网络控制单元实现。

在目前售价不到十万人民币的POLO中,从整车动力系统到与人们舒适相关的车身系统大量采用车载网络,这说明车载网络己由服务于奔驰、宝马等高级轿车的专用技术,转化为服务于普通家庭轿车的通用技术。

二、网络技术己用于量产的自主研发产品

车载网络主要有:CAN、Byteflight、FlexRay、LIN、MOST、IDB-1394,其中,FlexRay还没有正式发布,据报告道Byteflight目前仅用在宝马公司2002年3月上市的BWM-7系列轿车中,在量产的汽车中还没有发现LIN踪影;而MOST和IDB-1394是应用于车载电子设备的多媒体应用。在己量产的汽车中,只有CAN应用最广泛。

如果不局限于汽车,CAN在中国的应用己有近十年的历史,在这十多年中,国内各个行业都有CAN应用成功的实例,上个世纪九十年代末至今,CAN应用于己量产的自主研发产品有:在北京和利时公司DCS2000集散控制系统中,CAN用于控制站内部I/O模块之间的信息交互;在清华大学电机系的TH-3变电站微机保护系统中,CAN用于变电站内部微机保护装置之间的通信;国家863重大电动汽车专项将车载网络作为一个子项目进行研究,目前从事该项目的课题组己成功地研发出用于CAN车载网络规划和测试的一系列专用仪器设备;......。从1995年作者开发成功CAN应用系统至今,由作者亲自设计的CAN应用系统,并投入实际应用的不少于1万个CAN节点。这些成功的实例说明CAN在国内己不再是高不可攀的技术难题。

三、零部件智能化率低是自主车载网络产业化的瓶颈

虽然CAN在国内有大量应用的成功实例,但令人遗憾的是在量产的汽车中采用自主研发以CAN为代表的车载网络还没见报到。车载网络是汽车内部各电子控制单元(ECU)之间进行信息交互的桥梁,具备网络信息交互功能是现代汽车电子技术的主要特性,如果脱离了自主研发汽车电子控制单元这个基础,自主车载网络自然成了空中楼阁。

按SAE车载网络分类,其车载网络共分A,B,C三类总线:A类面向传感器/执行器控制的低速网络,数据传输位速率通常只有1-10kbps,主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制;B类面向独立模块间数据共享的中速网络,位速率一般为10-100kbps,主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统,以减少冗余的传感器和其它电子部件;C类面向高速、实时闭环控制的多路传输网,最高位速率可达1Mbps,主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统,以简化分布式控制和进一步减少车身线束。

现代汽车技术中,燃油电子喷射、电子防抱死刹车系统(ABS)、电子控制制动力分配系统(EBD)、电控转向助力系统(EPS)自动变速器、电子行驶稳定系统(EPS)......等是提高汽车性能,保证行车安全的关键领域,同时它们中的一些技术也是各个国家为了环保和安全的需要,在汽车中强制使用的技术,如燃油电子喷射、ABS......。这些技术的一个共同的特点是附加值高、对电子元件的成本不敏感,它们是不断发展的半导体技术和信息技术进入汽车领域的突破点。在上个世纪90年代32位MCU因成本等各方面的制约,其应用范围仅仅局限于一些特殊领域时,摩托罗拉32位系列MCU 68300己成为量产汽车的燃油电子喷射单元的首选MCU。令人遗憾的是这些涉及汽车制造的关键领域已被全球各大汽车公司和汽车电子公司垄断,虽然世界上每年生产的汽车是以百万为单位进行统计,但它们的燃油电子喷射单元却仅由德国博士、美国德尔福和日本电装三家公司提供,目前在中国市场销售价格不到3万元人民币的微型轿车上唯一的电子控制单元——燃油电子喷射单元也是采用德国博士的产品。到目前为止,在量产的汽车中还没有发现自主研发的电子控制单元在涉及汽车关键领域中的应用,自然其自主的C类车载网络也不可能在这些领域有所作为。

如果说自主车载网络在以燃油电子喷射为代表的现代技术中应用遇到的是技术方面的障碍,而相对于技术门槛相对较低的车身控制来说,其面向车身控制的A类网络则遇到的是另一方面的问题——国产零部件智能化率低。

对于车身控制,其车载网络有助于简化安装工序、降低故障率和成本。但实现这些目标的前题条件是:车身控制己完成了电气控制向采用MCU为基础的智能控制过度,而且随着人们对汽车舒适度要求的不断提高,其复杂的车身控制系统及其内部繁重的信息交互,需要采用大量的线束才能实现。线束的增加,意味着汽车的安装工艺复杂、成本增加和故障率的上升。据摩托罗拉1998年报道,仅将BMW的四个车门用车载网络取代原有的传统线束,在增强了功能的同时,线束重量减少了15千克。2003年6月在南京菲亚特下线的新车派力奥·周末风由于采用了汽车整体车载网络技术,从而减少了23%的线束,降低元件重量2.8 千克。而上海大众汽车有限公司在2002年推出的POLO轿车,虽然全车大量采用车载网络,但从其销售价格来看,它并不比同类车型的价格高,这说明POLO在采用车载网络后至少成本没有增加多少。

但对于国内自主研发的汽车来说,整车控制系统中其零部件的智能化率很低,其车身控制基本上还停留在以电气控制为主。如果要在这些汽车中实现网络化,必需将控制系统中的相关零部件智能化,而且只有整车零部件的智能化达到一定量的突变之后,其车载网络在性能和成本控制方面的优势才能充分体现,推动自主车载网产业化的真正动力才能激发出来。

目前国内的零部件厂家生产的汽车零部件主要以机械电气为主,几乎没有涉及集机械、电气和电子一体的汽车电子领域。据作者最近一段时间调查,国内目前从事车载网络的研发者都是在现有以机械电气为主的汽车零部件之间增加MCU和与车载网络相关电子元件,构成车载网络控制单元,在汽车中实现了车载网络的实际应用。但这种方法网络与现有汽车零部件的设计相分离,不可能实现资源共享,使线束设计变得更复杂,成本呈上升趋势。因为车载网络单元与其控制的零部件之间的线束在数量上并没有减少,在以电气控制为主的汽车中,传输是以高电压(12V),大电流(毫安以上)的大信号为主,对线束的抗干扰能力要求低;而网络中传输的是5V、小电流(毫安以下)的小信号,对线束抗干扰能力要求高,在原有的控制系统中增加了网络这个中间环节造成成本上升。在汽车价格不断下调的今天,任何使成本增加的技术是很难被市场接受。

由于资源的分散,零部件在功能上的重复,在短时间内完成控制零部件的智能化,达到整车控制的网络化,实现具有成本优势的量产,这将是国内汽车界面临的机遇和挑战。

四、资源的有效整合是自主车载网络产业化的重要途径

整车控制系统网络化是建立在控制系统智能化的基础之上,而控制系统智能化的核心是零部件的智能化,解决零部件智能化是实现自主车载网络产业化的关键。

国内庞大的汽车零部件制造体系,在机械电气为主的汽车零部件的设计、制造过程中积累了大量的经验,具有一定国际竞争优势。作者在和一家世界知名汽车零部件供应商的一位工程师交谈中,他说:博士公司发明了产品,我们在推广产品,而产品的大量生产在中国的浙江。这位工程师的话无形中表露出对中国汽车零部件商实力的肯定;以汽车为背景的CAN在国内其它行业产业化成功的经验为我们发展自主的车载网络打好了基础;而中国在家电及其通信行业的国际竞争力的不断增强,证明了我们有能力发展大规模的电子产业。但我们又不得不面对中国汽车零部件在涉及汽车电子特别是在车载网络面临的困境,作者认为整车、零部件商和相关电子领域协同作战,组成统一设计、共同研发的战略同谋,实现资源的有效整合,使基于自主的车载网络控制系统在性能和成本控制上优于传统的电气控制系统,是自主车载网络产业化的重要途径之一。

作者:唐晓泉博士


中国科学院电工研究所






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