董少君

淺談某種車型全景天窗的設(shè)計(jì)缺陷

董少君

（華東交通大學(xué)，江西 南昌 330000）

近年來隨著人們生活水平的不斷提高，汽車逐漸成為人們出行的主要交通工具。而天窗作為汽車車身中的一個重要部件，也隨之得到廣泛應(yīng)用。由于天窗不影響整車的行駛功能，一般汽車生產(chǎn)制造商不會定義功能安全等級，因而具有潛在危險性。文章以某車型的全景天窗為研究對象，結(jié)合市場和試驗(yàn)問題的反饋，運(yùn)用質(zhì)量工具，對全景天窗功能安全的常見設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析和研究，并結(jié)合實(shí)例提出優(yōu)化方案，以提高全景天窗的功能安全。

全景天窗；功能安全；設(shè)計(jì)缺陷

引言

隨著家用轎車越來越普及，轎車的功能和配置逐漸提高，全景天窗車頂玻璃尺寸大，能提供更充足的光線，可使駕乘人員視野更開闊，消除車廂內(nèi)的壓抑感。因此，全景天窗已逐步成為一種汽車必備配置。全景天窗是一個典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)品，包含嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、功能組件等，存在系統(tǒng)性失效和硬件隨機(jī)性失效的可能性。而功能安全是指當(dāng)檢測到潛在的危險情況，啟動保護(hù)和糾正裝置，防止發(fā)生危險事件或提供緩解措施以減少危險事件的后果。因此，全景天窗的功能安全尤為重要。

目前，全景天窗僅依據(jù)GB11552—2009《乘用車內(nèi)部凸出物》對天窗功能進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)[1]。下面針對某車型全景天窗功能安全常見設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析和研究。

1 軟件邏輯設(shè)計(jì)缺陷

1.1 全景天窗玻璃與遮陽簾運(yùn)行不同步

全景天窗玻璃與遮陽簾運(yùn)行不同步會導(dǎo)致遮陽簾關(guān)閉而天窗玻璃打開的現(xiàn)象，也就是天窗玻璃和遮陽簾各自運(yùn)行，沒有聯(lián)動功能。這種情況會讓駕駛員認(rèn)為天窗和遮陽簾都關(guān)閉了，而實(shí)際天窗玻璃是打開狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)的問題就是典型的邏輯設(shè)計(jì)不合理，解決這種缺陷的方法為：增加硬線信號獲取位置信息，使天窗玻璃和遮陽簾各自通過控制器的硬線探測對方的位置，實(shí)時計(jì)算和對方的距離（如圖1），同時優(yōu)化軟件邏輯，通過判斷遮陽簾與天窗玻璃的相對位置來執(zhí)行相應(yīng)的動作（如圖2）。

圖1 全景天窗電氣原理圖

圖2 功能邏輯

1.2 軟件缺少過熱保護(hù)

由于全景天窗電機(jī)本身不帶過熱保護(hù)裝置，因此，天窗電機(jī)過熱保護(hù)需要從軟件實(shí)現(xiàn)，如果未考慮，天窗頻繁操作會導(dǎo)致電機(jī)過熱失效，甚至導(dǎo)致電機(jī)燒蝕。天窗電機(jī)的熱保護(hù)主要是控制繞組的溫度在絕緣等級的容限溫度以下，以防止絕緣材料的熱擊穿或老化使其壽命降低。為了防止電機(jī)過熱，直流電機(jī)的溫度能在模型中預(yù)估出來。電樞臨界溫度的檢測根據(jù)熱保護(hù)功能塊來決定中斷正在進(jìn)行的行為或阻止新的啟動。當(dāng)天窗在短時間內(nèi)過于頻繁的打開與關(guān)閉，ECU 將進(jìn)入電機(jī)熱保護(hù)模式，達(dá)到熱保護(hù)觸發(fā)點(diǎn)時，停止執(zhí)行開窗指令。電機(jī)熱保護(hù)功能由熱保護(hù)偵測模塊及熱保護(hù)動作模塊兩部分組成。熱保護(hù)偵測模塊用于收集偵測熱保護(hù)達(dá)到的條件，熱保護(hù)動作模塊則是向天窗控制系統(tǒng)輸出一系列動作條件：（1）只允許天窗關(guān)閉（響應(yīng)關(guān)窗按鍵）；（2）不允許天窗打開（不響應(yīng)開窗按鍵）；（3）到達(dá)全關(guān)閉點(diǎn)后，天窗不能打開（開、關(guān)窗按鍵都不響應(yīng)）。因此，增加軟件保護(hù)是很有必要的（如圖3和圖4）。

圖3 主程序

圖4 電機(jī)保護(hù)算法流程

1.3 軟件缺少啟動保護(hù)

電子產(chǎn)品開發(fā)需要與整車匹配，必須考慮整車的使用環(huán)境以及其他零部件的匹配。如整車在啟動瞬間，需要使一般電子電器件停止工作，主要目的是讓蓄電池供電集中用于起動機(jī)啟動，如果未考慮有可能會導(dǎo)致整車電壓在啟動瞬間電壓過低而無法啟動。因此，全景天窗設(shè)計(jì)時需要考慮此種情況。

具體邏輯為：全景天窗需接收點(diǎn)火狀態(tài)信號，當(dāng)點(diǎn)火狀態(tài)信號（IGN信號）為啟動狀態(tài)（Cranking信號），天窗玻璃和遮陽簾立即停止動作，當(dāng)點(diǎn)火狀態(tài)信號切換為非啟動狀態(tài)，天窗玻璃和遮陽簾恢復(fù)之前動作。

2 硬件設(shè)計(jì)缺陷

EMC測試不合格。EMC性能是控制器必備的性能之一，相關(guān)電子電器產(chǎn)品必須要檢測達(dá)標(biāo)，全景天窗控制模塊屬于AX類零部件，需滿足EMC性能要求[2]。在PCB板設(shè)計(jì)完成后，需制樣進(jìn)行EMC測試，單件測試通過后仍需要進(jìn)行整車測試。如果EMC測試不合格，需要對PCB板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，影響開發(fā)進(jìn)度，所以在進(jìn)行電氣原理圖設(shè)計(jì)時就應(yīng)該要考慮EMC問題。下面通過某車型的全景天窗的案例進(jìn)行分析。

圖5 MCU原理圖

圖6 PCB板

案例：某車型在試驗(yàn)場進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時，駕駛員在未進(jìn)行任何操作的情況下，天窗自動運(yùn)行，且功能安全失效。通過對整車進(jìn)行EMC試驗(yàn)測試，在外部信號干擾的情況下，同樣出現(xiàn)天窗自動運(yùn)行，因此，整車EMC測試不合格。通過進(jìn)一步排查和測試，天窗控制器自由場抗擾能力不足和控制器抗大電流注入能力不足。

制定措施如下：

（1）控制器自由場抗擾能力不足：MCU電源端口增加兩個磁珠（L4和L5），通過磁珠消除高頻信號對MCU的干擾。

（2）控制器抗大電流注入能力不足：優(yōu)化端口電路及軟件濾波時間。

1）端口電路優(yōu)化

①調(diào)整開關(guān)輸入端口電路對地旁路濾波電容，降低輸入低通頻率截止點(diǎn)及降低輸入高頻阻抗，使干擾信號進(jìn)入旁路至地線，達(dá)到抗擾的目的。

②優(yōu)化MCU供電電源濾波退耦電容，降低電源供電紋波，提高電源瞬態(tài)響應(yīng)，提高電源線差模瞬態(tài)抗干擾能力。

③調(diào)整LIN總線物理接口輸入串聯(lián)磁珠元件參數(shù)，優(yōu)化高頻輸入抑制阻抗和頻率，提高LIN總線物理接口對高頻大電流干擾信號的抗擾性能。

圖7 開關(guān)輸入端口電路

圖8 MCU電源電路

圖9 LIN總線接口電路

2）PCB布線優(yōu)化

① 共模信號是作用在差分放大器或儀表放大器同相、反相輸入端的相同信號。共模信號的特點(diǎn)：大小相等，相位相同。PCB板層分布參數(shù)設(shè)計(jì)對共模干擾信號抑制至關(guān)重要。優(yōu)化PCB板層設(shè)計(jì)，對于分布參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)調(diào)整，進(jìn)一步完善了布線完整性，提高高頻屏蔽性能，對板層回路同時進(jìn)行了優(yōu)化。

② 增加軟件中抗干擾濾波的時間至2 s，用于抑制繼電器的粘連。

3 軟硬件不匹配

產(chǎn)品的硬件更改或者軟件更新沒有相互匹配，從而導(dǎo)致產(chǎn)品功能性問題。案例分析：硬件更改未切換導(dǎo)致靜態(tài)電流超標(biāo)；某車型遮陽簾控制器硬件更改后，硬件由HW:1.4（如圖10）升級為HW:1.5（如圖11），而軟件未變化，而軟件內(nèi)部設(shè)置的檢測IGN的端口號:P27，在HW:1.4硬件版本的情況，IGN端口為P31，軟件未能正確監(jiān)測到IGN信號變化，認(rèn)為IGN端口一直為打開狀態(tài)，造成控制器不能正常休眠，導(dǎo)致靜態(tài)電流超出標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 HW：1.4

圖11 HW：1.5

4 標(biāo)定不規(guī)范

對于功能件產(chǎn)品在開發(fā)完成后要進(jìn)行功能標(biāo)定，尤其針對活動結(jié)構(gòu)的功能件。全景天窗需要做整車靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定，只有全部標(biāo)定完成無問題后軟硬件才能凍結(jié)。此環(huán)節(jié)是在產(chǎn)品開發(fā)的末端，如果沒有規(guī)范的操作流程，將失去標(biāo)定的實(shí)際意義。如我們在標(biāo)定車窗噪音時，按照標(biāo)準(zhǔn)要求：開口風(fēng)噪≤70 dB（天窗全開，車速80 km/h），如果只標(biāo)定這一項(xiàng)合格，不考慮其他工況，將會導(dǎo)致標(biāo)定數(shù)據(jù)不全。在編制標(biāo)定用例的時候需要考慮多種工況，在不同速度和不同開度的情況下進(jìn)行測試，通過標(biāo)定最終確認(rèn)，全景天窗自動打開后不是直接開到機(jī)械位置最大（圖12），而是根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)選擇了一個最佳的最大開度，這個位置使駕駛員和乘客能感受最小的噪音，增加了乘車體驗(yàn)感（圖13）。因此，標(biāo)定尤為重要，編制標(biāo)定規(guī)范文件更為重要。

圖12 標(biāo)定前（天窗全開狀態(tài)）

圖13 標(biāo)定后（天窗全開狀態(tài)）

5 預(yù)防措施

5.1 建立問題檔案庫

設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，要對開發(fā)過程中的問題進(jìn)行分析，確定根本原因，并建立問題檔案庫，軟件更改要形成軟件版本變更履歷表，這樣為以后的產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)，提高開發(fā)效率。

5.2 設(shè)計(jì)FEMA優(yōu)化

不斷更新設(shè)計(jì)FEMA，增加電路保護(hù)及軟件保護(hù)相關(guān)內(nèi)容。

5.3 結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)區(qū)分

針對全景天窗這種機(jī)電控制裝置，要將結(jié)構(gòu)部分和控制單元分開設(shè)計(jì)。

5.4 建立軟件功能需求庫

對保護(hù)功能提出明確要求。

5.5 建立硬件接口電路選型庫

為后續(xù)控制器開發(fā)電路提供指導(dǎo)。

6 結(jié)論

作為一名設(shè)計(jì)工程師，在不斷學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，一定要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成組織記憶力，另外要加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)，了解相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及最終實(shí)現(xiàn)的效果。要開發(fā)產(chǎn)品的復(fù)盤，舉一反三，除了全景天窗以外，還有整車控制器、電動尾門控制器、防夾控制器、門模塊控制等，需要對所有控制器電源電路、接口電路進(jìn)行復(fù)盤，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)過程中形成的各種問題庫，確保EMC、靜態(tài)電流等基礎(chǔ)特性滿足開發(fā)需求。

[1] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.乘用車內(nèi)部凸出物:GB 11552—2009 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[2] 江淮汽車集團(tuán)股份有限公司.零部件電磁兼容技術(shù)條件總則:Q/JQ 3627.1—2015[S].合肥:江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,2015.

Talking about the Design Defects of the Panoramic Sunroof of Certain Vehicles

DONG Shaojun

（East China Jiaotong University, Jiangxi Nanchang 330000）

With the continuous improvement of people's living standards, the car gradually become the main tool for people to travel in recent years. The sunroof is one of the important parts in the car body, which is widely used in the automobile in recent years.Since the sunroof does not affect the driving function of the vehicle, the general automobile manufacturer will not define the functional safety level, which may cause potential danger to people.This article takes the panoramic sunroof of a certain car model as the research object, combines the feedback of market and test problems, uses quality tools,analyze and research common design flaws in the functional safety of panoramic sunroofs,and combined with examples to propose an optimization plan,in order to improve the functional safety of the panoramic sunroof.

Panoramic sunroof; Functional safety; Design defect

U463.8

A

1671-7988(2021)24-73-04

U463.8

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.016

董少君（1985—），男，就讀于華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè)，研究方向：車輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。