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)”

在換電站及充電樁等補(bǔ)能基礎(chǔ)設(shè)施尚未大規(guī)模普及的情況下，普通用戶購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)車最關(guān)心的還是車輛的續(xù)航能力。從這個(gè)需求場(chǎng)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(jī)廠工程師研究一番。

車輛在使用過(guò)程中的能量消耗一般包括以下三大類：

（1）車輛行駛時(shí)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(gè)控制器和執(zhí)行器工作時(shí)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(shuō)一輛車的百公里能耗低，那勢(shì)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(huì)發(fā)生在車輛行使過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生在車輛靜止的時(shí)候。開(kāi)車時(shí)開(kāi)個(gè)空調(diào)、停車時(shí)開(kāi)個(gè)尾門(mén)都會(huì)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(duì)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(jī)廠架構(gòu)工程師日日忙碌的事情。

本文就來(lái)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(shí)被喚醒要么同時(shí)休眠。但在一些功能場(chǎng)景中，比如車輛充電場(chǎng)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(diǎn)，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(guò)采用些規(guī)則將整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步劃分為不同的局部網(wǎng)絡(luò)。在特定功能場(chǎng)景下，與功能場(chǎng)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(wú)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(dá)到進(jìn)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(gè)PNC就是一個(gè)虛擬的局部網(wǎng)絡(luò)，PNC中的控制器可以在同一個(gè)網(wǎng)段，也可以跨不同的網(wǎng)段，且每一個(gè)PNC支持單獨(dú)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(bào)文，包括8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)定義如圖1所示。

圖1 NM PDU定義

Byte1對(duì)應(yīng)的控制位向量（Control Bit Vector，CBV）中每個(gè)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(shí)表示不支持局部網(wǎng)絡(luò)管理，等于1時(shí)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(shí)，需要將該位置1。

圖1中的Byte2到Byte7通常用來(lái)存儲(chǔ)PNC信息，一共有6個(gè)Byte，每一組PNC使用其中的某一個(gè)bit位來(lái)表示，所以原則上整車最多可以有48個(gè)PNC。

02E-FUSE

E-FUSE本質(zhì)上是一種集成電路，通過(guò)在單芯片上集成MOSFET、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路、邏輯電路、診斷等模塊，提供一種供電電路保護(hù)的半導(dǎo)體解決方案。

當(dāng)E-FUSE串聯(lián)進(jìn)主供電電路時(shí)，其工作方式類似于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，能夠檢測(cè)過(guò)電流和過(guò)電壓情況并對(duì)其做出快速反應(yīng)。 發(fā)生過(guò)載情況時(shí)，設(shè)備會(huì)將輸出電流限制為用戶定義的安全值。 如果異常過(guò)載情況持續(xù)存在，則設(shè)備將進(jìn)入打開(kāi)狀態(tài)，從而斷開(kāi)負(fù)載與電源的連接。 過(guò)載電流限制可以通過(guò)一個(gè)外部電阻器進(jìn)行編程。

E-FUSE具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）節(jié)省空間。 E-FUSE通過(guò)集成在PCB板上，相比于現(xiàn)在至少需要單獨(dú)兩個(gè)配電盒（前艙和乘員艙各一個(gè)），可以節(jié)省不少空間，對(duì)本就捉襟見(jiàn)肘的車內(nèi)布置空間來(lái)說(shuō)是一大福音；

（2）相比傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲通過(guò)不可逆的自毀方式保護(hù)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(guò)壓、過(guò)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(bào)廢。 所以從這個(gè)維度來(lái)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(yàn)；

（3）提高功能安全。 高等級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)關(guān)鍵供電線路的功能安全等級(jí)要求一般為最高的ASIL D。 采用傳統(tǒng)“黃金搭檔”方案很難達(dá)到此要求或者需要付出極大的代價(jià)，而讓一顆半導(dǎo)體芯片達(dá)到ASIL D，這是芯片巨頭的強(qiáng)項(xiàng)；

（4）診斷功能。 通過(guò)對(duì)每一條供電線路進(jìn)行檢測(cè)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(jí)。 通過(guò)在線升級(jí)可以靈活調(diào)整功能邏輯、及時(shí)修復(fù)BUG。

E-FUSE具有的缺點(diǎn)如下：

（1）單個(gè)E-FUS的成本高。 十幾塊錢(qián)的E-FUS相比幾毛錢(qián)的保險(xiǎn)絲，誰(shuí)用誰(shuí)敗家。 但是萊特定律告訴我們：產(chǎn)量每累計(jì)增加一倍，成本價(jià)格就會(huì)下降15％。 現(xiàn)在是缺點(diǎn)，產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模就是優(yōu)點(diǎn)；

（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(wàn)分之一壞的可能），需要連著整個(gè)控制器都一起換，更換一個(gè)控制器的成本是一個(gè)保險(xiǎn)絲的幾百上千倍。

03PNC與E-FUSE的結(jié)合

下文以一個(gè)具體的使用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明對(duì)PNC進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的過(guò)程。

比如說(shuō)有一個(gè)遠(yuǎn)程座艙舒適功能的場(chǎng)景，需要把車內(nèi)溫度和座椅溫度達(dá)到用戶設(shè)定的值，這個(gè)場(chǎng)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(jìn)行控制，并且分布在不同的CAN網(wǎng)段上。 根據(jù)該場(chǎng)景需求，需要對(duì)ECU1和ECU4分別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，并在收到NM PDU Byte2Bit0 == 1時(shí)，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(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域控制器收到該請(qǐng)求信號(hào)，把對(duì)應(yīng)的NM PDU Byte2Bit0置為1，同時(shí)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(shí)會(huì)自行喚醒，此時(shí)控制器可正常工作。 其余的控制器因?yàn)闆](méi)有配置PNC1對(duì)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(huì)喚醒。

在沒(méi)有引入PNC的特性時(shí)，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(huì)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(huì)把整車所有節(jié)點(diǎn)都喚醒。

對(duì)于那些并不需要參與這個(gè)功能的控制器來(lái)說(shuō)，尤其是功率比較大的控制器，比如主機(jī)屏幕、激光雷達(dá)等，醒著就是浪費(fèi)車輛的能耗。

所以在不增加硬件成本的情況下針對(duì)特殊的使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同的PNC，能有效地降低整車的功耗，特別是該特殊使用場(chǎng)景持續(xù)使用的時(shí)間還比較長(zhǎng)，比如哨兵模式、露營(yíng)模式等，就可以運(yùn)用PNC進(jìn)行管理，以達(dá)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(jì)中，E-FUSE與PNC的組合設(shè)計(jì)成為主機(jī)廠架構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種潮流。

在沒(méi)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(gè)簡(jiǎn)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(huì)掛在KL15供電下面，像空調(diào)、娛樂(lè)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(huì)統(tǒng)一對(duì)下轄的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電源管理，也就是通過(guò)E-FUSE來(lái)實(shí)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(lái)進(jìn)行控制，通過(guò)區(qū)域控制器對(duì)下一級(jí)的ECU的電源進(jìn)行管理，這就是E-FUSE當(dāng)前的使用場(chǎng)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(fèi)了。 可以把不同的控制器放在不同的E-FUSE上，一個(gè)車上的E-FUSE越多，那么就可以更精準(zhǔn)的控制每個(gè)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(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)管理。 在沒(méi)有引入E-FUSE之前，需要區(qū)域控制器通過(guò)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?yàn)镵L15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(huì)同時(shí)工作，這樣就會(huì)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(guò)對(duì)使用場(chǎng)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(chǎng)景需求，在滿足場(chǎng)景需求的情況下可以把空調(diào)和座椅控制器放在同一個(gè)E-FUSE下進(jìn)行控制。

04寫(xiě)在最后

車輛剛誕生的時(shí)候，其實(shí)并不需要網(wǎng)絡(luò)管理，因?yàn)檐嚿暇蜎](méi)有幾個(gè)控制器。 隨著汽車的發(fā)展，車上的控制器越來(lái)越多，需要在整車OFF模式下工作的用電器也越來(lái)越多，如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)管理，那當(dāng)某個(gè)功能需要不同的控制器協(xié)同工作時(shí)，只能通過(guò)硬線的方式對(duì)需要的控制器進(jìn)行喚醒。 隨著控制器的增多，采用這樣的方式效率會(huì)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(huì)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(chǎng)景，如果僅僅只是滿足這個(gè)場(chǎng)景需求，其實(shí)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(lái)控制這兩個(gè)控制器。 當(dāng)用戶觸發(fā)該功能時(shí)，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(guò)梳理整車的功能場(chǎng)景，如果在滿足所有場(chǎng)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(guò)PNC進(jìn)行管理，這兩者相結(jié)合，這樣可以省掉一筆不菲的開(kāi)發(fā)費(fèi)以及帶來(lái)整車能耗的下降，這也是給消費(fèi)者帶來(lái)更實(shí)惠產(chǎn)品進(jìn)行的嘗試。

審核編輯：湯梓紅