先進線控底盤技術及其軟硬體開發要求
摘要：隨著車輛電動化、智慧化及自駕化發展，線傳控制(X-by-Wire)已成為先進車輛技術發展重點之一。本文依據國際車輛產業發展趨勢及業界共識，首先說明先進車輛底盤機電系統軟硬體開發要求，包含系統需符合車輛功能安全、AUTOSAR 軟體開放系統架構及車規。其次說明工研院機械所以自主開發且依循ISO 26262 功能安全及AUTOSAR 軟體架構並符合車規的整車線傳控制器為線傳控制核心，結合自駕控制系統的指令，整合驅控底盤各次系統的線控底盤技術。最後並輔以一5 噸等級之自駕物流車平台開發為案例，說明線控轉向、線控煞車與線控油門等次系統之開發與實施。
Abstract：With the trend of automotive electrification, intelligentization and autonomization, X-by-Wire
has become one of the focuses in the development of advanced vehicle technology. Based on the consensus
and development trend of the global automotive industry, this article first explains the software and hardware
development requirements of advanced chassis electric and electronic systems, including ISO 26262 functional
safety, AUTOSAR software open system architecture, and automotive-grade specifications. Then, this article
describes the automotive-grade powertrain and chassis control unit, PCCU, which is independently developed
by Industrial Technology Research Institute (ITRI) and follows the requirements of ISO 26262 and AUTOSAR.
ITRI employs the PCCU as the X-by-Wire controller for its chassis-by-wire technology. With the commands
from the self-driving controller, the PCCU activates and controls the related chassis-by-wire subsystems. Finally,
this article provides a case study of the development of a 5-ton self-driving logistics vehicle platform to illustrate
the development and implementation of chassis-by-wire technology including steer-by-wire, brake-by-wire, and
throttle-by-wire.
關鍵詞：線傳控制、車輛底盤、功能安全
Keywords：X-by-Wire, Automotive chassis, Functional safety
前言
隨著車輛朝向電動化、智慧化、聯網化及自駕化發展，線傳控制(X-by-Wire) 已成為先進車輛技術發展重點之一，配備線控系統的車輛可藉由控制器區域網路(CAN bus) 通訊介面傳送命令並控制及驅動各種系統，包括動力、轉向和煞車等系統。經由線傳控制的底盤系統之響應時間較傳統車輛大幅縮短，可提升行車操控性及安全性。此外，線傳底盤控制藉由電機、感測器、控制器等零組件取代傳統車輛部份的機構或液壓連接，使車輛系統零組件輕量化，對節能減碳也有顯著效益。
工研院機械所經由經濟部技術處科技專案「電動車輛線傳底盤關鍵次系統技術開發計畫」的車輛線控底盤技術建立，應用自主開發且依循ISO 26262 功能安全及AUTOSAR 軟體開放系統架構並符合車規的整車線傳控制器(powertrain andchassis control unit, PCCU) 作為線傳控制核心，搭配市售之馬達、電動動力轉向模組(electric power steering, EPS)、比例閥、電磁閥、電動煞車倍力器等，提出車輛線控動力、線控轉向、線控煞車及線控排檔方案，並已實際應用於物流車、貨卡車及巴士上。
本文依據先進車輛底盤發展趨勢及國際車輛業界共識，首先說明先進車輛底盤機電系統軟硬體開發要求，其次說明工研院機械所的線控底盤技術，最後輔以一5 噸等級之自駕物流車平台開發為案例，說明線控轉向、線控煞車與線控油門等次系統之開發與實施。
先進車輛底盤機電系統之軟硬體開發要求
隨著先進車輛底盤系統包含愈來愈多且複雜的機電系統，若產品設計不良或可靠度不足，對使用者而言不但可能造成人員傷亡、財產損失，對製造車廠而言也可能導致車輛召回、商譽損失及巨大財務賠償。依據全球車輛產業的發展趨勢，車輛機電產品除需確保環境可靠度及電磁相容性之車規要求外，更要符合車輛功能安全(functional safety) 規範，以避免或降低產品功能故障所導致的風險。另外，為縮短產品開發時程和降低成本，依循汽車開放系統架構AUTOSAR之軟體開發方式，已形成國際車輛業界共識。隨著先進車輛之聯網化，網路安全風險大幅提昇，ISO/SAE 21434:2021 道路車輛— 網路安全工程(Road vehicles Cybersecurity engineering) 於2021 年[1] 發佈，提供車輛機電系統從概念設計到除役之完整生命週期內的網路安全風險管理之工程要求。簡而言之，先進車輛底盤機電系統軟硬體開發需符合車規要求、車輛功能安全要求、網路安全要求及AUTOSAR 之軟體系統架構。
1. 車輛功能安全規範
ISO 26262-1:2011~ ISO 26262-9:2011 道路車輛 — 功能安全(Road vehicles — Functional safety) 於2011 年發佈，適用範圍為重量不超過3.5噸的乘用車，主要是定義車輛機電系統開發過程中與安全相關的功能以及流程、方法和工具所需要滿足的要求，透過有效的安全措施，以避免或降低系統故障所導致的風險，著重失效安全(failsafe)。ISO 26262-1:2018~ ISO 26262-12:2018 最新版[2] 將適用範圍延伸至卡車、巴士及機車，並將功能安全重點由失效安全擴展至失效仍可運作(failoperational)，以因應自動駕駛車輛之安全要求。另外，由於車輛機電系統與半導體應用之緊密結合，最新版也增加針對半導體應用之指引ISO26262-11:2018。ISO 26262 雖然不是法規，但全球車輛產業現況為愈來愈多車廠要求供應商的機電系統產品通過ISO 26262 認證。ISO 26262 不但詳細規範車輛機電系統開發從概念設計、系統設計、硬體設計、軟體設計等等之流程及方法，也規範開發過程中使用的軟體工具品質，表1 為本文藉由車輛業界知名的軟體工具廠商之ISO 26262 認證聲明，彙整通過ISO 26262軟體工具認證的常用軟體範例。相較於ISO 26262 針對車輛機電系統發生故障時的功能安全，2022 年發佈的ISO 21448:2022道路車輛 — 預期功能安全(Road vehicles — Safetyof the intended functionality)[3] 則著重系統在無故障時，應用複雜的感測器組合及演算處理法，獲得適當的車輛及環境狀態感知，以確保重要的預期功能(intended functionality)，尤其是確保自動駕駛等級L1-L5 的車輛機電系統及緊急干預系統的預期功能。ISO 21448 就實現和維護預期功能安全所需的適用設計、驗證和確認措施以及運行階段的活動等提供相關指引。
表1 通過ISO 26262軟體工具認證的常用軟體範例
- 汽車開放系統架構AUTOSAR
汽車開放系統架構(AUTomotive Open System Architecture, AUTOSAR)是自2003年以來，由全球知名車廠(GM、Ford、BMW、Daimler、PSA、Volkswagen、Toyota…等)、供應商(Bosch、Continental、Aptiv、Denso…等)、半導體廠商(infineon、NXP、Renesas、intel…等)和軟體廠商(MathWorks、dSPACE、Vector、ETAS…等)共同發展的全球開發合作夥伴關係，擬定一個開放式及標準化的軟體架構協議，推動軟體模塊化(modularity)、可配置性(configurability)及介面標準化，以供車輛機電系統軟體開發依循。截至2021年，AUTOSAR全球夥伴廠商已超過300家[4]。藉由AUTOSAR軟體架構實現車輛機電系統的硬體獨立性，以及軟體組件的可轉移性、可擴展性和可重複使用性，達成縮短開發時程、降低成本等的機電系統開發效益。圖1之AUTOSAR架構主要包含應用層(application layer)、執行環境(runtime environment, RTE)、基礎軟體(basic software, BSW)及微控制器(microcontroller)等四層，並以執行環境層將完全與硬體獨立的應用層及與硬體相關之基礎軟體層隔開。基於AUTOSAR架構，車廠可專注開發其特定的應用層軟體，而汽車機電廠商則可專注於標準化的基礎軟體層開發。以工研院機械所自主開發且軟體架構遵循AUTOSAR的整車線傳控制器(PCCU)為例，工研院與某車廠的服務方式為工研院提供PCCU硬體及標準化的基礎軟體層，該車廠除自行開發其特定的整車控制器(VCU)應用層軟體外，並自行整合成完整的VCU軟硬體，且已實際應用在其特定車型上。另外，工研院機械所及其衍生之科飛數位新創公司也提供PCCU一站式方案(turnkey solution)給其他車廠，依據各客戶的特定應用功能需求，開發客製化應用層軟體，最終交付各客戶可立即使用的PCCU產品。基於工研院機械所在開發PCCU的AUTOSAR技術經驗，工研院機械所也技轉AUTOSAR實施技術予某公司，以協助該公司後續之汽車機電產品開發。
圖1 AUTOSAR汽車開放系統架構
- 車規符合性
環境可靠度驗證及電磁相容性(EMC)驗證是車輛機電產品是否符合車規要求的重要判斷依據。ISO 16750-1:2003~ ISO 16750-5:2003道路車輛—電機電子設備的環境條件與試驗(Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment)於2003年發佈，最新版審查和修訂於2018年，主要是針對電力、機械、氣候及化學等環境負載之車輛機電設備可靠度驗證規範[5]。如圖2所示，電磁相容性測試分成電磁干擾(EMI)及電磁耐受(EMS)，主要測試規範依循CISPR 25、ISO 7637、ISO 11452及ISO 10605等。在車輛產業界，車輛機電系統廠商提供之產品車規符合性認證結果，僅是成為車廠供應鏈的入門條件之一，其產品還需符合車廠的廠規要求。
圖2 車輛電磁相容性測試規範
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