車(chē)載以太光互連網(wǎng)在電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-9-10 08:01:00

引言
隨著汽車(chē)行業(yè)向電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，車(chē)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(chē)輛實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的高速通信[1]。

圖1：車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)

圖2：Multi-Gigabit車(chē)內(nèi)光互連的場(chǎng)景 v0 r" T" K d

4 v% n, Y1 W6 f光學(xué)汽車(chē)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為汽車(chē)應(yīng)用提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

電磁兼容性(emc)：POF天生對(duì)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(dòng)推進(jìn)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(duì)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(chē)環(huán)境條件，包括振動(dòng)、極端溫度、彎曲和暴露于液體中。

安裝簡(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)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(lèi)型。

圖3：電動(dòng)/混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)光連接優(yōu)勢(shì)示意圖。圖像展示了使用POF鏈路在高壓和低壓域之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。) ^/ _3 i6 l1 P6 ^' W

車(chē)用光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景以下幾個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景展示了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛中的優(yōu)勢(shì)：推進(jìn)系統(tǒng)噪聲隔離電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)包含多個(gè)分布在車(chē)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(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)之間的功率流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的電氣噪聲。
使用光學(xué)連接在ECU之間可以將這種噪聲限制在每個(gè)單獨(dú)的模塊內(nèi)，防止其傳播到車(chē)輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。這保護(hù)了信息娛樂(lè)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等敏感系統(tǒng)免受電磁干擾。
嘗試用銅纜實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的噪聲隔離需要復(fù)雜和昂貴的屏蔽、濾波器和設(shè)計(jì)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。

圖4：簡(jiǎn)化的混合動(dòng)力推進(jìn)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。* e5 x. E+ x2 X7 J# Y: W. |5 {

電池管理系統(tǒng)電動(dòng)車(chē)輛的電池組被分成多個(gè)集群進(jìn)行監(jiān)控和控制。電池管理系統(tǒng)(BMS)需要與每個(gè)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)。
5 z& u; x# B& O# L) F中央BMS控制器和單個(gè)電池集群之間的光鏈路提供了幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：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(xiǎn)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]

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(dòng)保護(hù)許多混合動(dòng)力車(chē)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(dòng)12V系統(tǒng)時(shí)會(huì)造成挑戰(zhàn)。
跳線啟動(dòng)期間的高電流可能在底盤(pán)接地和電纜屏蔽中引起電壓尖峰。如果信息娛樂(lè)或ADAS系統(tǒng)使用銅網(wǎng)絡(luò)鏈路，這些尖峰可能會(huì)耦合到數(shù)據(jù)線上，并可能損壞敏感的電子設(shè)備。
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(dòng)事件期間的感應(yīng)電壓和電流。

圖6：圖解展示了48V跳線啟動(dòng)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(gè)問(wèn)題。
電壓域之間的故障保護(hù)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)混合了共用底盤(pán)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(dá)60V的部件。
如果48V系統(tǒng)發(fā)生接地故障，可能會(huì)通過(guò)銅網(wǎng)絡(luò)連接使12V組件暴露在破壞性過(guò)電壓下。光鏈路提供電氣隔離，以在48V故障情況下保護(hù)12V系統(tǒng)。

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(wú)法做到這一點(diǎn)。
EMC合規(guī)實(shí)現(xiàn)電磁兼容性(EMC)是汽車(chē)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)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(yán)格的汽車(chē)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(jiǎn)化了線束設(shè)計(jì)，降低了連接器成本，并簡(jiǎn)化了車(chē)輛平臺(tái)的EMC認(rèn)證過(guò)程。
千兆光學(xué)汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)這些光學(xué)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，已經(jīng)開(kāi)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(shí)現(xiàn)汽車(chē)用千兆光學(xué)以太網(wǎng)使用16級(jí)脈沖幅度調(diào)制(PAM16)通過(guò)POF傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵的信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可靠的通信：

多級(jí)余集編碼用于前向糾錯(cuò)

Tomlinson-Harashima預(yù)編碼用于信道均衡

自適應(yīng)均衡以補(bǔ)償信道變化

圖8：千兆光學(xué)以太網(wǎng)發(fā)送器信號(hào)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(gè)碼字塊

用于同步和定時(shí)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(dòng)、參數(shù)協(xié)商和解封裝同步

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。
# _2 J: j" ^+ Z: ~$ }關(guān)鍵性能特征汽車(chē)應(yīng)用的千兆光學(xué)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了：

100 Mbps或1 Gbps的數(shù)據(jù)速率

誤碼率-12

1 Gbps時(shí)延遲

鏈路建立時(shí)間

工作溫度范圍為-40°C至+105°C

1 Gbps時(shí)功耗
光收發(fā)器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的光收發(fā)器在電信號(hào)和光信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

帶線性驅(qū)動(dòng)器的LED發(fā)射器，用于PAM16信號(hào)

帶線性跨阻放大器的光電二極管接收器

針對(duì)成本和汽車(chē)環(huán)境要求進(jìn)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
標(biāo)準(zhǔn)和合規(guī)性汽車(chē)用千兆光學(xué)以太網(wǎng)在以下標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)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(chē)特定功能
設(shè)備符合AEC-Q100 Grade 2汽車(chē)應(yīng)用認(rèn)證。

圖10：IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定的歷程。

圖11：Multi-gigabit 的標(biāo)準(zhǔn)，包含ISO PWI24581及IEEE P802.3cz。
光學(xué)車(chē)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)光學(xué)以太網(wǎng)為下一代車(chē)輛實(shí)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(jì)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
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。

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(shí)現(xiàn)的新分區(qū)架構(gòu)的圖表。
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(dòng)駕駛用攝像頭(1-10 Gbps)

雷達(dá)模塊(1-10 Gbps)

激光雷達(dá)傳感器(1-10+ Gbps)
光鏈路為這些對(duì)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。
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(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單：

重復(fù)的光鏈路提供冗余

主備之間沒(méi)有共模故障風(fēng)險(xiǎn)

實(shí)現(xiàn)ASIL-D評(píng)級(jí)：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(hù)天線靈敏度

長(zhǎng)距離傳輸支持天線放置

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(shì)。混合光銅網(wǎng)絡(luò)利用了各自的優(yōu)勢(shì)：

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

圖14：展示同時(shí)使用光學(xué)和銅鏈路的混合網(wǎng)絡(luò)圖。2 K: k7 U% U) C0 z6 I
未來(lái)發(fā)展光學(xué)汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，以滿足未來(lái)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)需求。
多千兆速度正在進(jìn)行多千兆光學(xué)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作：

IEEE 802.3cz任務(wù)組正在開(kāi)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(lái)可能達(dá)到25/50 Gbps
2 t2 m) A% v$ O集成光電子技術(shù)為進(jìn)一步減小尺寸和成本，正在推進(jìn)集成光收發(fā)器的工作：

在單個(gè)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(jiǎn)化EMC和環(huán)境保護(hù)
4 o# m: W" {% F; ~9 G! M( G; ^增強(qiáng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)新興的車(chē)輛應(yīng)用將利用高帶寬光網(wǎng)絡(luò)：

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

高分辨率傳感器融合

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示

多屏幕娛樂(lè)

) W z+ [" B( h! ~* H6 w結(jié)論
隨著汽車(chē)行業(yè)向電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，車(chē)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(shí)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(chē)輛架構(gòu)的骨干。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新的分區(qū)設(shè)計(jì)、高帶寬傳感器集成和安全關(guān)鍵冗余網(wǎng)絡(luò)。
通過(guò)克服傳統(tǒng)銅纜的限制，光學(xué)汽車(chē)以太網(wǎng)允許汽車(chē)制造商實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛功能，同時(shí)降低復(fù)雜性并提高可靠性。隨著車(chē)輛變得更加電氣化和計(jì)算機(jī)化，光網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)汽車(chē)中發(fā)揮越來(lái)越關(guān)鍵的作用。
參考文獻(xiàn)[1]KDPOF, "Optical Automotive Ethernet for Electrical and Hybrid Powertrains," KDPOF, Madrid, Spain. [Online]. Available: www.kdpof.com.

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