車載以太光互連網(wǎng)在電動和混合動力車輛中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
- o0 ?  {+ z4 E( Y7 _: \* |% ?隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，車輛電氣系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基于銅纜的網(wǎng)絡(luò)在這些新的高壓環(huán)境中面臨電磁兼容性、電氣隔離和可靠性方面的限制。光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，特別是使用塑料光纖(POF)的網(wǎng)絡(luò)，提供了理想的解決方案，可以克服這些挑戰(zhàn)，并為下一代車輛實現(xiàn)穩(wěn)健的高速通信[1]。

圖1：車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進

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  X, L$ h; H6 N8 ^. s圖2：Multi-Gigabit車內(nèi)光互連的場景

4 M- C. J1 M! b$ S4 u2 Q1 \2 ^光學(xué)汽車以太網(wǎng)的優(yōu)勢光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為汽車應(yīng)用提供了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：

電磁兼容性(emc)：POF天生對電磁干擾免疫，且不產(chǎn)生電磁輻射。這使其非常適合在電動推進系統(tǒng)等電氣噪聲較大的環(huán)境中使用。

電氣隔離：光鏈路在連接的系統(tǒng)之間提供完全的電氣隔離。這對于新的48V和高壓電氣架構(gòu)的安全性非常重要。

可靠性：POF電纜能夠承受惡劣的汽車環(huán)境條件，包括振動、極端溫度、彎曲和暴露于液體中。

安裝簡便：大直徑塑料光纖比屏蔽銅纜更靈活，安裝更容易。

成本效益：與屏蔽高速銅纜替代品相比，POF及相關(guān)光學(xué)組件的制造和安裝成本具有競爭力。

高帶寬：光鏈路可以支持從100 Mbps到10+ Gbps的數(shù)據(jù)速率，使用相同的電纜和連接器類型。
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圖3：電動/混合動力推進系統(tǒng)光連接優(yōu)勢示意圖。圖像展示了使用POF鏈路在高壓和低壓域之間實現(xiàn)電氣隔離。

0 C+ _4 H- t) q5 V' P車用光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用場景以下幾個關(guān)鍵應(yīng)用場景展示了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)在電動和混合動力車輛中的優(yōu)勢：推進系統(tǒng)噪聲隔離電動和混合動力推進系統(tǒng)包含多個分布在車輛各處的高功率電子控制單元(ECU)。這些ECU在控制電池、轉(zhuǎn)換器和電動機/發(fā)電機之間的功率流動時會產(chǎn)生顯著的電氣噪聲。
  X( _, L% D- v使用光學(xué)連接在ECU之間可以將這種噪聲限制在每個單獨的模塊內(nèi)，防止其傳播到車輛的整個電氣系統(tǒng)。這保護了信息娛樂和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等敏感系統(tǒng)免受電磁干擾。
# E5 T$ K3 M8 ?' C0 p嘗試用銅纜實現(xiàn)類似的噪聲隔離需要復(fù)雜和昂貴的屏蔽、濾波器和設(shè)計技術(shù)。光鏈路以更低的成本和復(fù)雜度提供了更優(yōu)越的性能。

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) c* ]5 a4 S# Y! O4 f圖4：簡化的混合動力推進系統(tǒng)架構(gòu)，展示了光鏈路如何隔離高壓組件之間的噪聲。
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- f0 U( v6 g& _; v: ?- H電池管理系統(tǒng)電動車輛的電池組被分成多個集群進行監(jiān)控和控制。電池管理系統(tǒng)(BMS)需要與每個集群可靠地通信，以收集有關(guān)電池溫度、充電狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
" N8 M! D- K" R中央BMS控制器和單個電池集群之間的光鏈路提供了幾個重要優(yōu)勢：高壓電池集群之間的固有電氣隔離消除可能在碰撞或火災(zāi)期間造成危險的接地環(huán)路在電氣噪聲較大的電池環(huán)境中具有高噪聲抗擾度減少傳導(dǎo)和輻射排放[/ol]

# R3 I" ?" N  j( C9 t% N圖5：電池組架構(gòu)圖，展示了光鏈路如何在電池監(jiān)控集群和中央BMS控制器之間提供隔離。
48V跳線啟動保護許多混合動力車輛正在轉(zhuǎn)向48V電氣系統(tǒng)，以支持更高功率的電氣部件。然而，這在從48V系統(tǒng)跳線啟動12V系統(tǒng)時會造成挑戰(zhàn)。
跳線啟動期間的高電流可能在底盤接地和電纜屏蔽中引起電壓尖峰。如果信息娛樂或ADAS系統(tǒng)使用銅網(wǎng)絡(luò)鏈路，這些尖峰可能會耦合到數(shù)據(jù)線上，并可能損壞敏感的電子設(shè)備。
6 C& t* y$ g% W0 }) f為這些系統(tǒng)使用光鏈路提供了電氣隔離，可以防止跳線啟動事件期間的感應(yīng)電壓和電流。

% a- @; q4 r* A7 l, C2 {6 Q7 W圖6：圖解展示了48V跳線啟動電流如何在銅數(shù)據(jù)鏈路中引起破壞性電壓。光鏈路可以防止這個問題。
5 r+ g6 P: f* p. w$ N! U電壓域之間的故障保護混合動力推進系統(tǒng)混合了共用底盤接地的48V和12V電氣域。48V域使用額定電壓更高的組件(70V+)，而12V系統(tǒng)通常使用額定電壓高達60V的部件。
' _7 ~' l' {* D0 ^+ @4 N4 L& c如果48V系統(tǒng)發(fā)生接地故障，可能會通過銅網(wǎng)絡(luò)連接使12V組件暴露在破壞性過電壓下。光鏈路提供電氣隔離，以在48V故障情況下保護12V系統(tǒng)。

: S- X- p& @* D9 h. ]0 q圖7：圖解展示了光鏈路如何防止48V故障損壞12V系統(tǒng)，而銅連接無法做到這一點。
. f; h& J1 i$ o! C: yEMC合規(guī)實現(xiàn)電磁兼容性(EMC)是汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計中一個關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的方面。工作在100 Mbps以上的銅鏈路需要廣泛的屏蔽、受控阻抗和復(fù)雜的連接器，才能滿足嚴格的汽車EMC要求。
光端口在不需要復(fù)雜屏蔽的情況下，固有地具有出色的EMI和EMS性能。這簡化了線束設(shè)計，降低了連接器成本，并簡化了車輛平臺的EMC認證過程。
. W3 Z" a) i8 Q6 R千兆光學(xué)汽車以太網(wǎng)技術(shù)為了實現(xiàn)這些光學(xué)汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，已經(jīng)開發(fā)了新的物理層技術(shù)，以支持塑料光纖上的千兆以太網(wǎng)。該技術(shù)的關(guān)鍵方面包括：物理層實現(xiàn)汽車用千兆光學(xué)以太網(wǎng)使用16級脈沖幅度調(diào)制(PAM16)通過POF傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵的信號處理技術(shù)實現(xiàn)了可靠的通信：

多級余集編碼用于前向糾錯

Tomlinson-Harashima預(yù)編碼用于信道均衡

自適應(yīng)均衡以補償信道變化

圖8：千兆光學(xué)以太網(wǎng)發(fā)送器信號鏈的框圖。
幀結(jié)構(gòu)物理層使用自定義幀結(jié)構(gòu)以支持可靠通信：

有效載荷數(shù)據(jù)分為28個碼字塊

用于同步和定時恢復(fù)的訓(xùn)練序列

分布在幀中的導(dǎo)頻序列用于自適應(yīng)均衡物理頭用于鏈路啟動、參數(shù)協(xié)商和解封裝同步
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圖9：千兆光學(xué)以太網(wǎng)使用的幀結(jié)構(gòu)圖，包括有效載荷、導(dǎo)頻和頭。
關(guān)鍵性能特征汽車應(yīng)用的千兆光學(xué)以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了：

100 Mbps或1 Gbps的數(shù)據(jù)速率

誤碼率-12

1 Gbps時延遲

鏈路建立時間

工作溫度范圍為-40°C至+105°C

1 Gbps時功耗
, s" G/ Q) k$ R+ |; L光收發(fā)器專門設(shè)計的光收發(fā)器在電信號和光信號之間進行轉(zhuǎn)換：

帶線性驅(qū)動器的LED發(fā)射器，用于PAM16信號

帶線性跨阻放大器的光電二極管接收器

針對成本和汽車環(huán)境要求進行了優(yōu)化

重復(fù)使用現(xiàn)有100 Mbps POF系統(tǒng)的LED和光電二極管
/ F- k; @% ]' X* m4 y標準和合規(guī)性汽車用千兆光學(xué)以太網(wǎng)在以下標準下進行了標準化：

IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHY

VDE 0885-763定義完整系統(tǒng)規(guī)格

ISO 21111指定汽車特定功能
  U$ e1 w* s8 B, j& {設(shè)備符合AEC-Q100 Grade 2汽車應(yīng)用認證。
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圖10：IEEE 802.3標準制定的歷程。

圖11：Multi-gigabit 的標準，包含ISO PWI24581及IEEE P802.3cz。
  X' t2 M' I% D) N3 t- Y. ~光學(xué)車用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)光學(xué)以太網(wǎng)為下一代車輛實現(xiàn)了靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：分區(qū)架構(gòu)高帶寬光鏈路允許轉(zhuǎn)向分區(qū)電氣/電子架構(gòu)：

集中式高性能計算(HPC)單元

聚合本地傳感器/執(zhí)行器的分區(qū)網(wǎng)關(guān)

連接區(qū)域和HPC的光學(xué)以太網(wǎng)主干
! a3 Q! U' f0 c" ~; Y. w# d與傳統(tǒng)的基于域的架構(gòu)相比，這降低了整體網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和電纜重量。

; a9 l! b, `# r3 q' _& K! d& B8 h% t8 x圖12：比較傳統(tǒng)的基于域的架構(gòu)和由光學(xué)以太網(wǎng)主干實現(xiàn)的新分區(qū)架構(gòu)的圖表。
3 s  h- @* d0 e1 K% T% a傳感器連接光學(xué)以太網(wǎng)支持高帶寬傳感器的直接連接：

ADAS/自動駕駛用攝像頭(1-10 Gbps)

雷達模塊(1-10 Gbps)

激光雷達傳感器(1-10+ Gbps)
9 @+ y1 |2 v3 b& q2 ]+ @( i. c& m光鏈路為這些對噪聲敏感、高數(shù)據(jù)速率的連接提供EMI抗擾性和減少的電纜重量。
# ^4 Q, ]% j" ~' D冗余安全網(wǎng)絡(luò)光鏈路固有的電氣隔離和EMI抗擾性使功能安全冗余網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)變得簡單：

重復(fù)的光鏈路提供冗余

主備之間沒有共模故障風(fēng)險

實現(xiàn)ASIL-D評級：ASIL-B + ASIL-B
智能天線連接光鏈路非常適合連接智能天線模塊：

高帶寬用于4G/5G蜂窩、V2X、GPS等

出色的EMI性能保護天線靈敏度

長距離傳輸支持天線放置

3 U* y: m0 z- I% e圖13：智能天線。
光銅混合網(wǎng)絡(luò)雖然光鏈路在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出色，但銅纜在某些領(lǐng)域仍有優(yōu)勢。混合光銅網(wǎng)絡(luò)利用了各自的優(yōu)勢：

光學(xué)主干和高速傳感器鏈路

銅纜用于短距離、低速連接

光學(xué)用于跨越電壓域

7 I* w/ l2 Y. @, A/ M0 K* I! s
* j' M# O- a: r' N" ]) o圖14：展示同時使用光學(xué)和銅鏈路的混合網(wǎng)絡(luò)圖。
未來發(fā)展光學(xué)汽車以太網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，以滿足未來車輛網(wǎng)絡(luò)需求。
多千兆速度正在進行多千兆光學(xué)以太網(wǎng)標準的汽車應(yīng)用開發(fā)工作：

IEEE 802.3cz任務(wù)組正在開發(fā)2.5/5/10 Gbps規(guī)范

重復(fù)使用與1 Gbps相同的電纜/連接器

未來可能達到25/50 Gbps
( j/ U3 B# i6 U; q( s1 l" f集成光電子技術(shù)為進一步減小尺寸和成本，正在推進集成光收發(fā)器的工作：

在單個封裝中結(jié)合集成電路、光電子器件和光學(xué)器件

減少占用空間和物料清單

簡化EMC和環(huán)境保護
增強車載網(wǎng)絡(luò)新興的車輛應(yīng)用將利用高帶寬光網(wǎng)絡(luò)：

自動駕駛系統(tǒng)

高分辨率傳感器融合

增強現(xiàn)實顯示

多屏幕娛樂

結(jié)論
隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，車輛電氣系統(tǒng)在EMC、隔離和高速網(wǎng)絡(luò)方面面臨新的挑戰(zhàn)。使用塑料光纖的光學(xué)以太網(wǎng)技術(shù)提供了理想的解決方案 - 以可靠和具有成本效益的方式提供高帶寬、固有的EMI抗擾性和電氣隔離。
目前已經(jīng)實現(xiàn)千兆速度，并且有10+ Gbps的路線圖，光網(wǎng)絡(luò)有望成為下一代車輛架構(gòu)的骨干。該技術(shù)實現(xiàn)了新的分區(qū)設(shè)計、高帶寬傳感器集成和安全關(guān)鍵冗余網(wǎng)絡(luò)。
& H0 _- |9 m1 H( v" I$ B  q通過克服傳統(tǒng)銅纜的限制，光學(xué)汽車以太網(wǎng)允許汽車制造商實現(xiàn)先進的電動推進系統(tǒng)和自動駕駛功能，同時降低復(fù)雜性并提高可靠性。隨著車輛變得更加電氣化和計算機化，光網(wǎng)絡(luò)將在未來汽車中發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用。
參考文獻[1]KDPOF, "Optical Automotive Ethernet for Electrical and Hybrid Powertrains," KDPOF, Madrid, Spain. [Online]. Available: www.kdpof.com.
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