車載以太光互連網在電動和混合動力車輛中的應用

逍遙設計自動化

引言
隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉型，車輛電氣系統(tǒng)和網絡面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基于銅纜的網絡在這些新的高壓環(huán)境中面臨電磁兼容性、電氣隔離和可靠性方面的限制。光學網絡，特別是使用塑料光纖(POF)的網絡，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穩(wěn)健的高速通信[1]。

& u4 C2 T* Q3 x" i) r7 C1 \圖1：車內網絡技術的演進


& W% p8 i5 I4 u, t/ U2 V0 _圖2：Multi-Gigabit車內光互連的場景
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光學汽車以太網的優(yōu)勢光數據網絡為汽車應用提供了幾個關鍵優(yōu)勢：

電磁兼容性(emc)：POF天生對電磁干擾免疫，且不產生電磁輻射。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及相關光學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的數據速率，使用相同的電纜和連接器類型。
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( O& S$ p0 x; o6 Q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電氣隔離。

" y7 u6 |& X; i9 X; [- Z車用光學以太網的應用場景以下幾個關鍵應用場景展示了光學網絡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、轉換器和電動機/發(fā)電機之間的功率流動時會產生顯著的電氣噪聲。
8 v' v) V# {; d. t' X: L使用光學連接在ECU之間可以將這種噪聲限制在每個單獨的模塊內，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。
嘗試用銅纜實現類似的噪聲隔離需要復雜和昂貴的屏蔽、濾波器和設計技術。光鏈路以更低的成本和復雜度提供了更優(yōu)越的性能。



3 N  x: h- X" x1 B圖4：簡化的混合動力推進系統(tǒng)架構，展示了光鏈路如何隔離高壓組件之間的噪聲。

- o: v8 C  ~& u. {" v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，以收集有關電池溫度、充電狀態(tài)等數據。
- w1 M+ a) p3 z6 s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和輻射排放[/ol]
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圖5：電池組架構圖，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。
% N5 }! m/ X1 n6 h7 v- g' m- T7 Z. n48V跳線啟動保護許多混合動力車輛正在轉向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)。
6 d' q6 B0 k- t8 S! s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)使用銅網絡鏈路，這些尖峰可能會耦合到數據線上，并可能損壞敏感的電子設備。
為這些系統(tǒng)使用光鏈路提供了電氣隔離，可以防止跳線啟動事件期間的感應電壓和電流。
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圖6：圖解展示了48V跳線啟動電流如何在銅數據鏈路中引起破壞性電壓。光鏈路可以防止這個問題。
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。
+ x/ S. p, m; m8 Q如果48V系統(tǒng)發(fā)生接地故障，可能會通過銅網絡連接使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)。
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+ {* ]7 }5 N3 ?; \2 o; g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。
3 [2 z# R  C* H, h' c  FEMC合規(guī)實現電磁兼容性(EMC)是汽車電氣系統(tǒng)設計中一個關鍵且具有挑戰(zhàn)性的方面。工作在100 Mbps以上的銅鏈路需要廣泛的屏蔽、受控阻抗和復雜的連接器，才能滿足嚴格的汽車EMC要求。
2 E+ @8 Z8 ^( N5 x* u1 M光端口在不需要復雜屏蔽的情況下，固有地具有出色的EMI和EMS性能。這簡化了線束設計，降低了連接器成本，并簡化了車輛平臺的EMC認證過程。
$ Q% d, ?, Q; @千兆光學汽車以太網技術為了實現這些光學汽車網絡應用，已經開發(fā)了新的物理層技術，以支持塑料光纖上的千兆以太網。該技術的關鍵方面包括：物理層實現汽車用千兆光學以太網使用16級脈沖幅度調制(PAM16)通過POF傳輸數據。關鍵的信號處理技術實現了可靠的通信：

多級余集編碼用于前向糾錯

Tomlinson-Harashima預編碼用于信道均衡

自適應均衡以補償信道變化
" s& W! p& T1 s; \( z/ [" ?
圖8：千兆光學以太網發(fā)送器信號鏈的框圖。
" y$ D; z$ R& e/ ^幀結構物理層使用自定義幀結構以支持可靠通信：

有效載荷數據分為28個碼字塊

用于同步和定時恢復的訓練序列

分布在幀中的導頻序列用于自適應均衡物理頭用于鏈路啟動、參數協商和解封裝同步


, u$ _( B: e1 b6 t2 E圖9：千兆光學以太網使用的幀結構圖，包括有效載荷、導頻和頭。
- c- I1 s; w& ^: }關鍵性能特征汽車應用的千兆光學以太網技術實現了：

100 Mbps或1 Gbps的數據速率

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
1 u( D6 }% B2 b. J  u光收發(fā)器專門設計的光收發(fā)器在電信號和光信號之間進行轉換：

帶線性驅動器的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

重復使用現有100 Mbps POF系統(tǒng)的LED和光電二極管
標準和合規(guī)性汽車用千兆光學以太網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
設備符合AEC-Q100 Grade 2汽車應用認證。

, P9 Y* ?6 Q$ r) }/ g% k圖10：IEEE 802.3標準制定的歷程。
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圖11：Multi-gigabit 的標準，包含ISO PWI24581及IEEE P802.3cz。
光學車用以太網網絡架構光學以太網為下一代車輛實現了靈活的網絡架構：分區(qū)架構高帶寬光鏈路允許轉向分區(qū)電氣/電子架構：

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)網關

連接區(qū)域和HPC的光學以太網主干
與傳統(tǒng)的基于域的架構相比，這降低了整體網絡復雜性和電纜重量。

' z! u  a5 j6 t' r3 F8 h. \圖12：比較傳統(tǒng)的基于域的架構和由光學以太網主干實現的新分區(qū)架構的圖表。
2 {' n6 t( M0 \& J' n9 i傳感器連接光學以太網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)
光鏈路為這些對噪聲敏感、高數據速率的連接提供EMI抗擾性和減少的電纜重量。
冗余安全網絡光鏈路固有的電氣隔離和EMI抗擾性使功能安全冗余網絡的實現變得簡單：

重復的光鏈路提供冗余

主備之間沒有共模故障風險

實現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
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圖13：智能天線。
1 x2 b; E: b- x( W光銅混合網絡雖然光鏈路在許多應用中表現出色，但銅纜在某些領域仍有優(yōu)勢�；旌瞎忏~網絡利用了各自的優(yōu)勢：

光學主干和高速傳感器鏈路

銅纜用于短距離、低速連接

光學用于跨越電壓域

  U- I2 p$ t  h  A
. O0 I/ p% E, I6 X1 r( l: `圖14：展示同時使用光學和銅鏈路的混合網絡圖。
未來發(fā)展光學汽車以太網技術繼續(xù)發(fā)展，以滿足未來車輛網絡需求。
% h9 Y2 I) I; `% P多千兆速度正在進行多千兆光學以太網標準的汽車應用開發(fā)工作：

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

重復使用與1 Gbps相同的電纜/連接器

未來可能達到25/50 Gbps
集成光電子技術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：

在單個封裝中結合集成電路、光電子器件和光學器件

減少占用空間和物料清單

簡化EMC和環(huán)境保護
, }2 p: D! Q! W# ~1 w. L增強車載網絡新興的車輛應用將利用高帶寬光網絡：

自動駕駛系統(tǒng)

高分辨率傳感器融合

增強現實顯示

多屏幕娛樂

. ~; E) H1 Q/ l1 F! ?' e+ E- h  P結論
( x( [3 F$ S# y0 S" n( j0 S- F; T隨著汽車行業(yè)向電動和混合動力推進系統(tǒng)轉型，車輛電氣系統(tǒng)在EMC、隔離和高速網絡方面面臨新的挑戰(zhàn)。使用塑料光纖的光學以太網技術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。
目前已經實現千兆速度，并且有10+ Gbps的路線圖，光網絡有望成為下一代車輛架構的骨干。該技術實現了新的分區(qū)設計、高帶寬傳感器集成和安全關鍵冗余網絡。
通過克服傳統(tǒng)銅纜的限制，光學汽車以太網允許汽車制造商實現先進的電動推進系統(tǒng)和自動駕駛功能，同時降低復雜性并提高可靠性。隨著車輛變得更加電氣化和計算機化，光網絡將在未來汽車中發(fā)揮越來越關鍵的作用。
. L- X& m8 A' v0 N) h4 d" z# B7 |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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