E/E架構的發展趨勢

李瑋

（中國第一汽車集團有限公司 智能網聯開發院，長春 130011）

主題詞：E/E構架 電子電氣 功能 控制器

1 前言

E/E(Electrical and Electronics)架構是整車電子電氣功能總布置，是整車各電子電氣系統間的總體規劃與協調，是從全局考慮的整車電子電氣總體設計。E/E架構的設計內容包括功能需求分析、功能定義、功能分配、網絡通訊、線束拓樸、功能安全等內容。

隨著汽車向自動化及智能化的發展，汽車上的電子電氣部件越來越多，電子技術的發展及在汽車上的廣泛應用，造成車輛的功能也越來越復雜，整車各個系統實現電子控制已成為發展趨勢。在車輛控制方面，從早期的控制發動機到現在的控制底盤，比如轉向、懸架以及制動等傳統的機械系統也都增加了電子控制裝置或線控系統；從車載系統方面，車身的控制、空調的控制、音響的控制、座椅的舒適性控制及人機界面的人性化設計，已經導致整車各種控制器數量大大增加，尤其是目前汽車輔助駕駛及自動駕駛的白熱化，必然導致功能需求的急驟增加，對汽車E/E架構設計提出更高的要求，傳統的架構已不能滿足適應未來發展的需求。在如此的背景之下，本文聚焦E/E架構，對未來發展趨勢進行粗淺分析。

2 E/E架構的發展歷程

2.1 E/E架構的雛形

早在70年代中期，汽車電氣的主要控制方式是由開關來直接驅動實現的。比如轉向燈的控制，開關接入轉向燈控制模塊（閃光器），按一定閃爍頻率來驅動轉向燈的閃爍。如果增加控制功能也是為這一功能而設計獨立的控制模塊。整車電氣系統由所謂的電線束將整車各電氣功能串聯起來。在汽車舒適系統中只有暖風風扇系統和收音機，其控制也很簡單。因此，早期的電子電氣也不存在E/E架構設計。而隨著電控系統的飛速發展，汽車電子的應用越來越多，就在“功能需求越來越復雜，功能之間越來越緊密”的疑無路之時。1982年的德國博世可謂“大道至簡、悟在天成”，提出了車載總線通訊技術，把原來由許多線束連接才能完成的功能，僅僅用兩根雙絞線通過一定的數據幀傳輸來實現信號的傳遞，從而使得整車的控制出現了柳暗花明，也就有了汽車E/E架構設計的雛形。

2.2 E/E架構的演變

新的思維與理念成就了汽車電子電氣部件的大量應用，汽車的電子化功能需求推動了E/E架構設計，現代汽車不僅要實現駕駛功能，對駕駛的舒適性也有更高的要求，整車各功能之間的關系也變得錯綜復雜。圖1是功能與模塊發展的關系。

圖1 控制模塊的發展[1]

在架構設計之初，因汽車上可以控制的模塊很少，設計思路是每個獨立的功能設計成一個獨立的控制模塊，而隨著整車各控制功能復雜度和各功能相關性的增加，模塊與模塊之間需要有信息共享的數據也不斷增加，可以通過通訊的方式來實現信息共享。比如車速信息，不僅動力領域控制需要，車身控制領域也需要該信號，因此可通過整車E/E架構來完成這樣的信息傳遞的分配。而隨著整車功能復雜度及各功能相關性的升級，一些控制功能的執行需要反饋執行結果以達到閉環控制，因此控制模塊的關系更加復雜，也推動了E/E架構的發展。

2.3 E/E架構的分級與現在的處境

E/E架構即是整車功能的總布置，是將用戶需求轉變成整車E/E功能特性，再進行功能分配的全過程。結合SAE對自動駕駛的分級以及E/E架構的各發展階段歸納如圖2。

圖2 E/E架構的發展[2]

從圖2可以看出，E/E架構的發展是從獨立模塊開始的，整車增加一個控制功能就增加一個控制器（ECU），也就是一功能一盒階段，該階段的駕駛行為完全由駕駛員掌控，也沒有相關的輔助功能，也就是L0階段。

架構發展的第二階段為模塊集成階段，該階段由于功能的增加，車上的控制器也增加，而且隨著電子產品的發展，可以將功能相近的功能的軟件和硬件集成到一個控制器中，可減少控制器數據，降低成本。現階段國內外大部分傳統動力的汽車仍采用模塊集成的架構模式，從十幾年前的單模塊控制發展到如今大部分模塊集成的方式進行E/E架構設計，比如原來獨立的座椅加熱模塊、座椅通風模塊以及座椅按摩模塊，在現在的E/E架構設計中，將這幾個功能一般都集成在一個控制模塊中，這樣可將控制對象相同、負載類似的控制模式放在一個模塊中，可節約成本而且控制更加靈活。這個階段出現了駕駛輔助的簡單功能，如前、后雷達、全景影像等泊車輔助功能，該階段性屬于駕駛輔助等級L1階段。

在市場需求及技術創新的推動下，功能之間的交互越來越緊密，比如，車輛上普遍新增加的輔助駕駛的功能，如車道偏離預警（LDW）、車道保持功能（LKA）、自適應巡航系統（ACC）、交通標識識別（ISR）、主動制動系統（AEB）、自動遠光系統（IHC）以及盲點檢測、倒車提醒等等，各功能需要采集來自于傳感器的信息，并且經綜合判斷后實現控制轉向、制動以及進行駕駛員提醒等功能，因此，傳感信息的融合、控制過程的計算需要集成到一個主控控制器中比較合理，從而節省相互交互的信息、縮短信號路徑，因此，就形成了一個自動駕駛域控制器（ADAS，Advanced Driver Assistance Systems）。此時的架構處于向域控制發展的階段，也就是SAE駕駛分級中的L2階段，現在國內市場大部分車輛處于此階段，E/E架構的框架也是以分級到域控制的發展階段。

隨著電子技術的發展，對自動駕駛功能需求越來越強烈，比如ADAS以及底盤域控制器（CDS）都對車輛執行器（轉向、制動）發出相應的控制指令，因此未來將兩個領域融合，形成跨域控制器（DCU）也是可行和合理的（圖3）。在環境感知的部件，從超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達到各種攝像頭等傳感部件的數據融合也需要有傳感的主控控制器，芯片的運算能力的提升推動了自動駕駛功能的發展，這也符合SAE有條件自動駕駛L3的分級。

圖3 跨域控制器

另外，由于互聯網技術在車上的應用，使得在后臺就可對車輛上控制器的軟件進行刷寫成為可能，該技術簡稱為OTA（Over The Air）。OTA技術可以使域控制或跨域控制能更好地發揮作用，也就是高度集成的軟件可以通過OTA實現軟件的更新迭代，也可在一個E/E架構平臺上刷寫出不同配置的車型。從功能上，對L4自動駕駛的需求，也需要運算能力超強的中央計算平臺接收車輛感知的環境信息和車輛本身的狀態信息，以及來自于云端的各種路況及環境信息，綜合判斷、控制車輛的行駛。自動駕駛領域涵蓋整車的各個領域，包括動力域、底盤域、信息域、車身域以及自動駕駛域等，各個域需協同配合來完成自動駕駛功能。這也符合SAE駕駛分級中的L4的級別，此時的E/E架構應該是采用車輛中央計算平臺的方案才能滿足相關的要求，如圖4所示

圖4 中央計算平臺示意

推動計算平臺的因素還有主機廠（OEM）的盈利模式的轉變。以前OEM以銷售汽車為主要盈利點。隨著智能網聯汽車的發展和互聯網新勢力進入移動服務領域，OEM的業務必須延伸到服務，OEM可以從各種服務中獲得利潤。因此未來汽車E/E架構設計是以服務需求為導向的。如圖5所示，現在的架構設計是面向部件的架構設計，每次功能、子功能的實現都需涉及到如發動機控制單元、組合儀表、空調及自動駕駛系統等各個控制單元，每個調用都是為實現單一的功能。而面向服務的設計是每個功能塊不和任何特定功能綁定，而是作為基礎模塊，如圖5中面向服務的中間部分，整車功能也是以服務形式出現的，只需調用已存在的若干個服務來完成總的服務功能，整車服務是松散連接的[3]，不需要為所有功能單獨開發，基礎模塊可以被多個功能所調用。所有基礎模塊的開發基于統一的標準化接口。這種設計的靈活性高，在云端可調用基礎模塊。實現特定的車輛變型設計，開發工程量大大減少，縮短開發周期，可靠性增加，而且成本會更低，使架構的可擴展性和靈活性大大增加。所以這種需求也會加速計算平臺的發展。同時，OEM也可和各相關產業聯合獲得額外的利益。

未來E/E架構發展的最高境界是實現空中的云計算平臺。未來無人駕駛會廣泛地應用，無人駕駛由云端計算平臺統一協調每臺車輛的行駛控制及狀態監測，實現完全的無人駕駛，車輛只是實現載客及運輸的載體，完全實現SAE駕駛分級的L5級的功能，這樣要求E/E架構的設計是以云端為主體，以車端為執行部件的架構模式。面向SAE L5自動駕駛汽車的E/E架構形式如圖6所示。

圖5 面向部件與面向服務對比[3]

圖6 云計算平臺E/E架構[4]

3 E/E架構發展面臨的4個挑戰

要實現未來的E/E架構，現階段還存在一些急需解決的問題，如圖7所示，主控芯片的計算能力需提升、通訊的帶寬需提升、網絡和信息需更安全、成本需控制在可接受的范圍。

圖7 未來E/E架構要解決的問題

3.1 提高主控芯片的計算能力

要實現域控制以及中央計算平臺，主控芯片的計算能力以及虛擬化的能力必須提升。主控芯片從4核發展到8核，甚至到更高性能的多核處理能力，可集成不同的功能應用軟件，在處理器內部要做到有效安全地隔離。

3.2 提升通訊報文速度和能力

由于未來對自動駕駛技術的需求，要求網絡通訊的帶寬及可靠性要大大的提升。以適應快速的信息及數據傳遞。為此，人們提出了各種通訊概念形式，如：CAN-FD可能被用于車身域，以太網將被廣泛用于自動駕駛域、信息娛樂域及診斷等。在域控制中以太網將成為骨干網，實現更好的域間通訊。另外5G或更高級別的無線通訊被采用。

3.3 加強網絡和信息的安全性

功能安全和網絡安全必須有新的突破，未來車與云端的通訊無時無刻都是存在的，車輛本身的通訊安全和車輛與云端通訊的信息安全是至關重要的。安全防護從現實的角度來看需要至少有五層防護。如圖8所示：

第一層是控制模塊內部的安全防護，保護集成于ECU內部的軟件和數據；

第二層是車內網絡通訊的安全防護，保護通訊信號的安全；

第三層是網關的隔離防護，信號的準入與準出，保護整車控制不受侵入；

第四層是車與云端通訊的安全防護，保證車輛與云端的通訊正確可靠，不受外部黑客的侵入；

第五層是后臺（云）的保護，這一層防護是保護后臺數據的安全。隨著車輛與外界交互越來越多，安全防護是保證車輛行駛安全必不可少的保障。

圖8 車輛安全防護層級

3.4 進一步降低系統成本

保證未來E/E架構的順利實施，成本控制是必不可少的，如何在新的E/E架構模式下最大化的通用化，保證不同的細分市場的可配置性，基礎模塊的最大化的借用，應用軟件可迭代性，都是有效降低成本的手段和方法。

4 E/E架構的總趨勢

E/E架構的集成平臺是未來的發展趨勢，工業化的電子技術以及IT業的發展也會給汽車產業帶來前所未有的發展，滿足汽車使用環境的各種技術突破是E/E架構發展的必然保證，而且汽車E/E架構的設計也是每個OEM必須擁有的核心技術[5]，因此，在保證通訊的帶寬、信息的安全以及超強的處理能力下，未來的E/E架構會帶來劃時代的發展。