汽車電子電氣架構發展演進

邵寧華 張慶余 王增喜 賈 通

（中汽數據（天津）有限公司，天津300000）

1 概述

電子技術在汽車系統上的應用是保證車輛新功能的硬件基礎。電子電氣設備的應用為今天的汽車提供了更高的性能，更舒適的駕駛體驗，更高的安全水平及更低的尾氣排放。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，汽車工業開始了智能網聯化發展，這要求汽車電子電氣由提供非重要功能演變到輔助駕駛，從感知和驅動等系統執行器件演變為高性能、高負荷的處理模塊[1]。這表明電子電氣在汽車系統中扮演著越來越重要的角色，開始處理越來越復雜的功能性問題。將各類傳感器、線束、控制器、各個系統和軟硬件有機的結合起來，構成集成化、功能化、智能化的電子電氣系統已經成為必然趨勢。隨著汽車智能化的發展，汽車上車載電子元器件和電子控制單元的數量增加，汽車功能的越來越多、車載設備間通訊網絡越來越復雜，對車載設備的性能要求越來越高。為了適應智能網聯汽車的發展，對電子電氣架構的發展也提出了新的要求[2]。

2 電子電氣架構發展

汽車電子電氣系統架構的發展，由20 世紀80 年代最初的分布式架構逐漸發展為當前的高度智能和融合化（如圖1 所示）[3]。發展初期，不同的電子控制單元（ECU）通過等效網絡接口通過通信鏈路連接，實現有效通信。而隨著技術的發展，不同電子控制單元（ECU）合并以及硬件系統的集成化設計，使得汽車電子電氣架構逐漸過渡到模塊化和集成化，促進了不同電子控制單元（ECU）之間的相互通信和融合，這種變化趨勢隨著車輛智能網聯化的需要會得到進一步的發展。而且，大數據和互聯網技術的愈發成熟，使得人- 車- 環境多維度融合交互通信稱為可能，使用大數據云處理器控制車輛也逐漸成為可能。

圖1 汽車電子電氣架構演變示意

車輛智能網聯化發展，帶來車輛自身個體復雜程度的增加、車輛各系統之間的交互通信增加、車輛之間的互聯通信增加。這對于電子電氣的通信能力及架構的延展性提出更高的要求。車載電子電氣架構的設計和搭建需要考慮的因素就更多。例如實時性需求、診斷服務請求等以整車功能導向為目標的要求。下面就當前市場應用及研究發展中的車載電子電氣架構做詳細介紹。

當前，汽車市場在用的車載電子電氣架構主要以多域控制器為主，目前，國外主流主機廠一般采用主要采用以多域控制器及中央集中+區域控制器相結合的電子電氣架構，將車輛分為不同的子模塊即不同的域，比如動力總成域、底盤域、車身域、娛樂媒體域等[4]。不同的域對域內的電子控制單元（ECU）進行整合，域內的ECU 通過共享總線系統進行通信。中央網管用于連接不同的域，實現不同域之間的信息交互和數據通信。其中，特斯拉Model 3 的電子電氣架構由CCM（即自動駕駛及娛樂域控制模塊融合）、前車身控制器、右車身控制器、左車身控制器所構成（如圖2 所示）。按照車輛的位置對車輛系統控制進行了區域劃分，這樣的控制器布置簡化了線束，提高了系統效率。CCM模塊主要作為整車的決策中心，負責處理所有輔助駕駛相關的傳感器。同時，對主要核心控制器進行數據處理、決策仲裁。各控制器之間通過共享總線系統進行通信，及時將監測到的車輛信息反饋給CCM，保證與各控制器及CCM模塊之間的實時通信。

圖2 特斯拉Model 3 的電子電氣架構組成

圖3 華為C-C 架構模型

另外，豐田公司提出了采用中央集中+區域控制器相結合的電子電氣架構方案。這種方案為每個域集成高性能控制器，即域控制器，提供域內的通信和域外的連接。這種結構由于大部分數據交換發生在域內，減少了ECU 內部來自中央網關的通信。有助于ECU 在硬件系統上的集成化，有效降低了控制器成本。通過使用基于Adaptive AUTOSAR 和Classic AUTOSAR 的混合架構，實現便捷的固件升級以及功能的可拓展性。同時，該架構在硬件、線束布置上，減少了線束的長度、降低了線束的設計復雜程度，輕量化設計、降低重量。與此同時，在設備安裝上，中央集中式電子電氣架構逐步減少了控制器、ECU 的數量和線束長度，為后續固件升級預留更多的空間。

為了解決智能網聯汽車在系統、軟件升級對汽車內部通信速率、計算能力以及電子電氣架構的可延展性要求，主流互聯網公司和車企設計開發滿足智能網聯汽車通信需求的新架構[5]。其中，華為提出了一款C-C 概念架構（如圖3 所示），即“分布式網絡+域控制器的架構”，該架構主要是將汽車分為智能座艙域、整車控制域以及智能駕駛域三部分。通過華為計劃未來通過域控制器和操作系統打造的CC 架構可以做到軟件在線升級、硬件在線更換升級以及傳感器的可拓展性，以達到軟件定義汽車的目標。

聯合汽車電子公司為智能網聯汽車設計開發了擴展型域控制器（如圖4 所示）。根據未來智能網聯汽車的功能需求，拓展型域控制器架構分為云- 管- 端一體化設計，頂層為云端服務平臺，中間層為計算與控制層，底層為標準化執行器與傳感器層。該架構將標準化執行與傳感器層分為信息娛樂域、車身域、動力總成域、底盤域、輔助/自動駕駛域。在這種架構中，根據智能網聯車輛行駛過程中的數據需求，通過底層傳感器層進行數據收集，在中間層進行數據處理與分析，最終反饋到云端。云端服務器根據需要處理的信息，為不同車輛設備提供靈活性的集群處理，符合未來智能網聯汽車的功能需求。

3 電子電氣架構未來發展的機遇和挑戰

未來，自動駕駛要求更高的算力和更多傳感器件，汽車內部的快速電子化讓電子架構不堪重負，對于未來汽車電子架構來說，更應該做減法了。當然，互聯網技術（5G+）愈發成熟，將大大加快電子電氣架構在當前基礎上的進一步深度演進。倘若通信網絡帶寬足夠的寬，通信延遲足夠的低，這一趨勢將會更加明顯。此外，計算機技術的高速發展促進控制器計算能力向中央集中，向云端集中演變；汽車電子電氣架構的演進也朝著集成式，甚至服務器式這一方向前行。目前，車載服務器已經被開發，其高性能計算機可用于預定義功能的應用軟件和第三方軟件及服務平臺，憑此可實現新的移動概念，可增強終端用戶體驗。這對于汽車電子電氣架構而言，都是未來發展的驅動力量和發展機遇。但是，不可否認，車輛智能網聯化發展對汽車電子電氣架構帶來了更高的要求，更大的挑戰。其中主要包括以下幾個方面：

3.1 功能安全

功能安全是指避免由系統功能故障導致的不可接受的風險，重點關注系統故障之后的行為因素。致力于找出找出所有可能的系統失效原因，并針對這些失效制定出相應的安全機制，采取相應的安全措施。電子電氣架構面臨的功能安全挑戰主要體現在感知冗余和自動駕駛控制冗余。車輛的電子電氣架構從最初的單激光雷達單攝像頭架構，到后來多激光雷達多攝像頭架構及復合攝像頭架構，這些架構中的不同的種類的攝像頭、激光雷達都需要進行安全冗余設計。以防止在傳感器出現故障后，系統依靠冗余備份的傳感器進行工作，以保證車輛的正常行駛。自動駕駛系統中，自動駕駛域控制器主要是負責決策、路徑規劃控制。為了避免由于自動駕駛域控制器失效引起的系統故障，自動駕駛域控制器也要采用冗余設計（一般采用雙冗余設計），當主要自動駕駛域控制器失效時，備用自動駕域控制器工作。功能安全需要的冗余設計帶來更為復雜的電子電氣架構設計。

3.2 通訊架構升級

隨著汽車電子電氣架構日益復雜化，其中傳感器、控制器和接口越來越多，自動駕駛也需要海量的數據用于實時分析決策，要求車內外通信具有高吞吐速率、低延時和多通信鏈路，這對架構的通訊能力提出了更高的要求。通訊架構的升級是電子電氣架構亟需解決的問題，以滿足智能網聯汽車數據高速傳輸、低延遲等性能要求。

3.3 算力黑洞

智能網聯汽車的發展對于電子電氣架構的另外一個挑戰是控制器算力，智能網聯汽車功能繁多，對于汽車處理器性能的要求越來越高。有數據顯示:自動駕駛等級提高一級，域控制器的算力要提高一個數量級。目前，L3 級別的自動駕駛需要24 個TOPS 的算力，L4 級別的自動駕駛需要4000+ TOPS 的算力。如此巨大的算力需求，對于電子電氣構架是個巨大的考驗。

4 結論

汽車產業智能網聯化的發展，需要越來越多的復雜的傳感器和執行器，這對汽車電子電氣架構提出了更高的要求，互聯網技術和計算機技術的愈發成熟催生著電子電氣架構發生著深刻的變革。當前，汽車電子電氣架構主流形式是采用多域型控制器，未來會逐漸向拓展域和復合域過渡。另外，汽車電子電氣架構的變革與發展，機遇和挑戰并存，功能安全、通訊架構升級、算力黑洞問題是不可避免的問題，但是互聯網和計算機技術的飛速發展使得問題被解決成為可能。

圖4 拓展型控制器架構示意圖