整车级电气功能的分解与集成

随风1

分久必合，合久必分。

      《三国演义》第一回：“话说天下大势，分久必合，合久必分。周末七国分争，并入于秦。及秦灭之后，楚、汉分争，又并入于汉。汉朝自高祖斩白蛇而起义，一统天下，后来光武中兴，传至献帝，遂分为三国。”"分久必合，合久必分"就出此处。这句话本身是对历史规律的描述。硬要深究其中道理，不外乎一个“利”字，所谓分有分利，合有合利，分利大则人心思分，合利大则人心思合。古今中外，无不如此。治国安民，计皆出于驭利之术也。

        历史规律既然如此，那么任何事物也都遵循分分合合这个规律。在之前的文章笔者定义过：架构设计的核心工作是“组成”+“交互”，将汽车电气系统划分为不同的组成部分就是所谓的“分”，“分”的目的是为了更容易地理解、研究和开发错综复杂的汽车电气系统，但最后必须通过建立”交互“规则将使这些组成部分能够作为一个整体协同工作，将汽车电气系统作为一个整体交付用户使用，这就是所谓的”合“。优秀的架构工程师需要掌握汽车电气系统“分”与“合”的技术。对于整车级电气功能的设计和开发来讲（关于整车级电气功能的定义请参考之前的文章“汽车电气系统组成部分划分”），就是先将其进行“分解”，最后再进行“集成”。对整车级电气功能进行“分解”的主要目的是根据研发团队组成结构的需要，将其分解为可以落实到各个工程师去负责的零件级电气功能；而“集成"的目的是因为整车级电气功能最终必须作为一个整体进行测试验证后交付给用户使用。

       首先让我们从汽车电气系统开发的V模型（图1）出发来研究整车级电气功能的分解和集成问题，因为V模型的核心思想就是分解与集成，它包括三个设计阶段（整车需求定义、子系统设计、零部件设计）、一个开发阶段（零部件开发），以及三个测试验证阶段（零部件测试、子系统测试、整车需求确认）。



图1 V模型

      下面以“位置灯控制”这个整车级电气功能为例，对V模型各个阶段进行介绍。这里需要注意，以下介绍并不包括所有技术细节以及技术方案的准确性和通用性，举例的目的仅仅是说明V模型各个阶段的设计开发内容及相互之间的关系。

1. 整车需求定义（整车厂）：“整车需求定义”阶段是从市场、用户或者车型项目的视角对整车电气功能的各种需求（一般分为功能性需求、质量需求和约束，笔者后续的文章会针对如何进行“需求定义”进行详细说明）进行定义，它的目标是要明确”子系统设计“阶段应该“做什么”。例如：a）用户能够通过操作开关控制位置灯的点亮和熄灭；b）位置灯在车辆上电和下电情况下都可以控制；c）在车辆上电时，用户可以通过显示装置看到位置灯点亮的指示；d）从用户有效的开关操作到位置灯点亮的总时间不超过200毫秒。

2. 子系统设计（整车厂）：此阶段定义了”子系统设计“应该“怎样做”、以及”零部件设计”阶段应该“做什么”。请大家注意，这里的“子系统”并不是“物理子系统”，而是“电气功能子系统”，关于”电气功能子系统“的详细说明见笔者之前的文章”汽车电气系统组成部分划分“。例如：a）为了满足”位置灯控制“的”整车需求定义“，子系统需要包括哪些电气零件（位置灯开关、车身控制器BCM、车辆前后共4个位置灯、组合仪表）；b）这些电气零件应该“做什么“，即整车级电气功能的分解（可以参照图2的电气功能实现模型来进行定义，将模型中的各个部分都分解到电气零件即可满足电气功能分解的完整性。位置灯开关负责将用户的操作转化为电信号发送给BCM；BCM判断位置灯开关的信号输入，根据控制逻辑处理后驱动输出给位置灯（并输出位置灯点亮信号给仪表，仪表接收信号后点亮指示灯），位置灯接收驱动后点亮。



图2 电气功能实现模型

c）最后确定这些电气零件的硬线连接关系和网络信号交互关系。a）位置灯开关通过一根硬线连接到BCM，BCM通过一根硬线驱动4个位置灯。b) BCM和仪表通过CAN总线连接，发送一个位置灯点亮网络信号给仪表。

3. 零部件设计（整车厂&零部件供应商）：此阶段定义了”零部件设计“应该“怎样做”、以及”零部件开发”阶段应该“做什么”。经过了“子系统设计”阶段，每个零部件做什么，以及它们之间的硬线和网络接口已经明确，接下来需要详细设计电气零件的硬线接口电路以及所有的硬件电路、网络信号的各种参数以及控制类电气零件的功能逻辑。这些设计通常由整车厂和零部件供应商共同完成，越是有经验的正常厂，对零部件设计的掌控力度越大。

4. 零部件开发（零部件供应商）：零部件供应商根据“零部件设计"阶段所做的设计，进行具体的硬件和软件开发工作。这个阶段的工作通常是由零部件供应商来完成的，但有些整车厂已经采用自主开发或者合作开发的模式来进行零部件开发工作。

      介绍完V模型的前4个阶段，我们来进行以下总结：

1. “做什么”和“怎么做”：在整车级电气功能的设计开发过程中，“做什么”是指需求，“怎么做”是指技术方案，但需求和技术方案不是绝对的，而是相对的。“整车需求定义”对于“子系统设计”是“做什么”，“子系统设计”对于“整车需求定义”是“怎么做”；“子系统设计”对于“零部件设计”是“做什么”，“零部件设计”对于“子系统设计”是“怎么做”。上一阶段的“技术方案”对于下一阶段是“需求”，下一阶段的“需求”对于上一阶段就是“技术方案”。在我们需要判断是”需求“还是“技术方案”时，必须注意这依赖于涉众的特定视角。

2. “整车级电气功能”和“零件级电气功能“的关系：假设某车型一共有100个整车级电气功能，先分解到10个”电气功能子系统“中，最终再分解到25个电气零件中去实现。所有“零件级电气功能”集成以后必须能够实现所有“整车级电气功能”，但实现“整车级电气功能”并不是“零件级电气功能”的全部目标，比如娱乐主机控制器，在具体的中控屏HMI界面设计，人机交互的细节设计上都有零件级功能需求，而这部分不可能全部通过“整车级功能需求"进行定义。另外，诊断刷新和网络管理等设计需求通常也不属于”整车级电气功能“需求的一部分。

3. “子系统设计”是关键阶段：“子系统设计”是承上启下的关键阶段。所有整车级电气功能需要先归属到一定数量的“电气功能子系统”中，从而可以分配给“子系统功能负责人“进行”子系统设计“。“子系统设计”完成后则明确了每个电气零件的设计需求，确保“整车需求”向“电气零件”传递的准确性和完整性。

       下篇文章将介绍V模型剩余的三个测试验证阶段（零部件测试、子系统测试、整车需求确认），这也是”零件级电气功能“集成为”整车级电气功能“的过程。这次笔者向大家推荐的书籍为”大道至易“，见本文的封面图片，其中关于项目管理、技术实现与系统架构三者的关系论述非常精彩，非常值得一看。