詳解汽車電子電氣架構(gòu)演進趨勢

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的不斷發(fā)展，汽車電子電氣系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜和龐大，從而促使汽車電子電氣架構(gòu)也不斷革新。介紹了電子電氣架構(gòu)的含義和基礎(chǔ)要素，并對電子電氣架構(gòu)的演進趨勢進行了深入研究，最后，探討了未來主流的域控制架構(gòu)和中央計算架構(gòu)的拓?fù)湫问健?/p>

1 引言

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化（新四化）不斷發(fā)展，汽車功能變得越來越豐富和人性化，從而使得電子元件數(shù)量也越來越多，各電子元件之間的交互邏輯也越來越復(fù)雜。而傳統(tǒng)的汽車分布式電子電氣架構(gòu)本身就存在著通訊帶寬低、計算能力不足和軟件升級不便的問題，如果再使用通過不斷的增加控制模塊和設(shè)計復(fù)雜的模塊交互邏輯來實現(xiàn)新增車輛功能的傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)，會使得控制模塊之間的總線通信交互越來越擁堵，以致于無法實現(xiàn)汽車的各種智能功能，因此，汽車電子電氣架構(gòu)必須能夠支撐汽車“新四化”的發(fā)展。新的電子電氣架構(gòu)必須具備高通訊帶寬、高計算力和高網(wǎng)聯(lián)安全性，并支持遠(yuǎn)程軟件升級（OTA），隨著“新四化”的不斷發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)也會不斷的進行革新，軟件集中化的域控制器架構(gòu)和中央計算架構(gòu)將會成為未來汽車電子電氣架構(gòu)的主流發(fā)展方向。

電子電氣架構(gòu)是指在功能需求、法規(guī)和設(shè)計要求的特定約束下，通過汽車上的控制器、執(zhí)行器、傳感器的電子元件來實現(xiàn)車輛的能量管理、網(wǎng)絡(luò)通訊、診斷方面規(guī)劃的電子電氣解決方案。先進的電子電氣架構(gòu)可以有效地減輕汽車整體質(zhì)量，降低汽車研發(fā)成本，縮短車輛研發(fā)周期，并能夠確保車輛的最佳性能。整車電子電氣架構(gòu)涵蓋了10 個基礎(chǔ)要素，分別是線束路由及分配、零部件布置策略、保險絲和接地分配、能量管理、電源模式管理、網(wǎng)路通訊、診斷、功能分配/特征集成、整車平臺化電子電器接口和控制器標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)軟件。通過對這些基本要素的逐步設(shè)計開發(fā)，從而實現(xiàn)整車的功能需求。

2 電子電氣架構(gòu)演進趨勢

電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜主要體現(xiàn)在不斷增加的控制器數(shù)量、網(wǎng)路總線類型和線束系統(tǒng)復(fù)雜性，為了降低電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜性，電子電氣架構(gòu)也需要不斷的升級和進化。目前行業(yè)內(nèi)普遍比較認(rèn)同的是博世提出的汽車電子電氣架構(gòu)演進趨勢（圖1），該演進趨勢包括3 個大階段和6 個小階段，3 個大階段依次是分布式電子電氣架構(gòu)，域集中電子電氣架構(gòu)，車輛集中電子電氣架構(gòu)。每個大階段又包含2個小階段，從而形成了6個小階段，依次是模塊化、集成化、集中化、域融合、車載電腦和車-云計算。隨著架構(gòu)的不斷升級，對軟件的代碼數(shù)量也在不斷增加，最終將實現(xiàn)車輛功能在云端計算，下面將對6個小階段的特點和演化趨勢進行詳細(xì)闡述。

圖1 電子電器架構(gòu)演進趨勢

2.1 第1階段：模塊化

該階段功能劃分明確，一個功能一個控制模塊，模塊與模塊之間界限明確，一切“越界”行為容易控制。模塊的設(shè)計通?；谔囟ǖ墓δ埽缥查T控制模塊（PLG）等，模塊與模塊之間通過CAN 總線進行通信。由于模塊間的獨立性較強，模塊開發(fā)者不用太過于考慮其它模塊的干擾問題。但其局限性在于功能控制模塊的獨立開發(fā)模式，雖然能夠確保模塊自身的功能要求，但是由于傳輸信號帶寬的局限性，導(dǎo)致了資源無法共享，大量運算資源浪費。

2.2 第2階段：集成化

集成化階段僅僅是模塊化階段的一個小規(guī)模升級，在架構(gòu)上減少了功能單一的模塊，將車輛功能小范圍向其它控制器中進行融合。如空調(diào)功能以往是由電子空調(diào)模塊控制（ECC），無鑰匙進入和無鑰匙起動功能通常是由PEPS模塊控制，經(jīng)過融合之后，可以將空調(diào)調(diào)節(jié)功能、無鑰匙進入和無鑰匙起動功能全部都集成到車身控制模塊（BCM）中，而刪除了ECC 模塊和PEPS 模塊。這樣帶來最大的收益是降低了成本，但卻依然無法彌補跨模塊之間通訊速率低的不足，模塊與模塊之間的壁壘仍然沒有打破。

2.3 第3階段：集中化

集中化架構(gòu)采用了域中心控制器（Domain ECUs），“域”概念的核心思想是靈活，在系統(tǒng)與軟件層面進行了集成，脫離了模塊軟件與硬件捆綁的限制。在架構(gòu)中引入車載以太網(wǎng)高速通訊，各域控制器之間采用以太網(wǎng)進行信息共享，打破了帶寬的局限性。該架構(gòu)中的核心復(fù)雜算法可以集成在域控制器中，而小型的控制器可以不再關(guān)注復(fù)雜算法，而是更多地關(guān)注自身控制器的硬件和驅(qū)動，如防夾算法、備份驅(qū)動、電壓補償?shù)人惴ǘ伎梢约稍谟蚩刂破髦?。這樣，不但大幅度減少了冗余軟件的開發(fā)量，而且也大大精簡和優(yōu)化了其它控制器。域控制器是按照整車系統(tǒng)功能進行域劃分的，一般可分為動力總成域、底盤系統(tǒng)域、車身電子域、智能座艙域和智能駕駛域這5個功能域。

2.4 第4階段：域融合化

域融合就是采用跨域中心控制器將2 個及以上的域控制器進行融合，核心復(fù)雜算法都集成在跨域中心控制器里，原來域下面的小型控制器都融合到跨域中心控制器下面。如果將智能座艙域和智能駕駛域進行融合，則可以形成一個包含自動駕駛及娛樂信息功能的跨域中心控制模塊。這樣的好處是將車輛域控制器進一步融合，減少控制器數(shù)量從而降低成本。

2.5 第5階段：車載電腦

上述Domain ECU 仍然是以功能為導(dǎo)向的，即將車輛的功能向域控制器里集中，但由于車輛上各執(zhí)行器的位置不變，勢必會導(dǎo)致線束長度的增加，從而增加線束成本。以車身后方的制動燈功能為例，該功能是由車身前方的車身電子域模塊控制，線束需要跨過80%的車身。為了節(jié)約線束成本，而又不丟失軟件集中的“域”核心概念，從而引入了區(qū)域控制器（Zone ECUs），取消了傳統(tǒng)的功能域控制器，取而代之的是車輛物理空間上的區(qū)域控制器，這種電子電氣架構(gòu)主要由中央車載電腦和多個區(qū)域控制器組成。這種劃分方式是按照物理布置方案來劃分的，采用就近原則，由繁至簡，通過各區(qū)域控制器之間的交互來實現(xiàn)整車功能。Zone ECUs 完全從軟件的角度去實現(xiàn)車輛的功能，很好的詮釋了“軟件定義汽車”。

2.6 第6階段：車-云計算

車-云計算架構(gòu)是最高階段的電子電氣架構(gòu)，指的是在中央車載電腦和在Zone ECUs的基礎(chǔ)上引入云計算的概念，將區(qū)域控制器中的部分復(fù)雜算法集成在云端，由云端算法來控制車輛的功能，從而實現(xiàn)車-云計算。第6階段也是電子電氣架構(gòu)演進的最高階段，未來隨著汽車智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子電氣架構(gòu)將逐步朝著最高階段進發(fā)

3 未來主流電子電氣架構(gòu)拓?fù)湫问?/p>

3.1 域控制架構(gòu)拓?fù)湫问?/p>

域控制架構(gòu)的拓?fù)湫问饺鐖D2，該架構(gòu)包含一個中央網(wǎng)關(guān)（Gateway）和多個功能域控制器（Domain ECU），各域控制器之間的信息交互是通過中央網(wǎng)關(guān)進行路由的，并通過以太網(wǎng)（Ethernet）來傳輸數(shù)據(jù)以突破帶寬的限制。根據(jù)各功能域控制器所控制的功能范圍不同，在功能域控制器的范圍內(nèi)再連接一些常規(guī)控制器，以實現(xiàn)不同的功能需求，內(nèi)部控制器之間的總線通訊方式采用比較靈活，可根據(jù)實際通信需求和成本設(shè)置成Ethernet、CAN FD、CAN 和LIN 總線的通訊方式。外部診斷設(shè)備Tester 可以通過DoIP 以太網(wǎng)診斷經(jīng)由網(wǎng)關(guān)路由來診斷車輛內(nèi)的任何一個ECU模塊。常見的功能域控制器有動力域控制器、底盤域控制器、車身域控制器、娛樂域控制器和自動駕駛域控制器，其中各域控制器之間可以進行進一步融合，如底盤域和車身域進行融合。

圖2 域控制架構(gòu)拓?fù)?/p>

聯(lián)合汽車電子公司設(shè)計開發(fā)的擴展型域控制器架構(gòu)就是一種功能域控制架構(gòu)（圖3），根據(jù)未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能需求，頂層為云端服務(wù)平臺，中間層為計算與控制層，底層為標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行器與傳感器層。該架構(gòu)分為信息娛樂域、車身域、動力總成域、底盤域、輔助/自動駕駛域。這種架構(gòu)可以通過底層進行數(shù)據(jù)收集，在中間層進行數(shù)據(jù)處理與分析，最終反饋到云端，由云端服務(wù)器根據(jù)需要處理的信息，為不同車輛提供靈活性的調(diào)度處理。

圖3 拓展型控制器架構(gòu)

3.2 中央計算架構(gòu)拓?fù)湫问?/p>

中央計算架構(gòu)拓?fù)湫问饺鐖D4，該架構(gòu)由中央計算模塊和區(qū)域控制器組成，并且區(qū)域控制器按照車輛物理空間的布置方式進行分布，各控制器之間采用Ethernet）通訊。中央計算模塊集成了核心的智能駕駛和智能座艙相關(guān)的復(fù)雜算法，為避免中央計算模塊故障帶來的車輛安全問題，需設(shè)計一個備用中央計算模塊。各區(qū)域控制器則根據(jù)就近原則分布在車輛周圍，區(qū)域控制器會連接一些簡單的ECU 或執(zhí)行器，并接收傳感器數(shù)據(jù)，通過復(fù)雜的軟件算法來實現(xiàn)整車所有的功能需求。

圖4 中央計算架構(gòu)拓?fù)?/p>

特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)就是一種中央計算架構(gòu)拓?fù)湫问?，由中央計算模塊、前車身控制器、右車身控制器、左車身控制器所構(gòu)成，如圖5所示。按照車輛的實際分布位置對車輛控制進行了區(qū)域劃分，這樣布置簡化了線束，提高了系統(tǒng)效率。中央計算模塊主要作為整車的決策中心，負(fù)責(zé)處理所有輔助駕駛相關(guān)的傳感器，并對主要核心控制器進行數(shù)據(jù)處理和決策仲裁。

圖5 特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)

3.3 域控制架構(gòu)和中央計算架構(gòu)對比

域控制架構(gòu)和中央計算架構(gòu)各有優(yōu)勢（表1），域控制架構(gòu)的功能劃分明確，控制邏輯清晰，分析排查車輛問題時便于定位問題，同時對軟件算法要求較低，實現(xiàn)起來較容易。中央計算架構(gòu)對軟件算法要求較高，算法相對集中，需求的控制器數(shù)量和線束布置較少，車輛各控制器之間的信息交互相對較簡單，但因為其對軟件開發(fā)的能力要求較高，實現(xiàn)起來較復(fù)雜。未來這2 種電子電氣架構(gòu)將會成為主流的汽車架構(gòu)，且會并存很長一段時間，但隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，最終都將會邁向中央計算架構(gòu)。

表1 域控制架構(gòu)和中央計算架構(gòu)對比

4 結(jié)束語

汽車“新四化”技術(shù)的不斷發(fā)展促使了汽車電子電氣架構(gòu)不斷進行革新。傳統(tǒng)OEM 公司基于自身現(xiàn)狀，無法大刀闊斧地切換自己的電子電氣架構(gòu)，但技術(shù)發(fā)展的趨勢又無法阻擋，會利用現(xiàn)有資源按照電子電氣架構(gòu)演進趨勢的6 個階段逐步升級完善公司的電子電氣架構(gòu)。而有互聯(lián)網(wǎng)背景的新興OEM 公司為了實現(xiàn)越遷式發(fā)展，則會利用自身的軟件開發(fā)優(yōu)勢，直接從較先進的第3 階段或第5 階段架構(gòu)開始開發(fā)，以實現(xiàn)汽車上先進的智能駕駛和智能座艙技術(shù)。伴隨著智能駕駛時代的到來，所有OEM 公司最終將朝著車輛功能在云端計算的電子電氣架構(gòu)方向發(fā)展。

審核編輯 ：李倩