車輛電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢研究

張政

（上汽通用汽車有限公司, 上海 201206）

主題詞：電子電氣架構(gòu)（EEA） 域控制架構(gòu) 中央計(jì)算架構(gòu) 演進(jìn)

1 引言

隨著汽車電動(dòng)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[1]。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(jì)算能力不足和軟件升級(jí)不便的問題[2]，如果再使用通過不斷的增加控制模塊和設(shè)計(jì)復(fù)雜的模塊交互邏輯來實(shí)現(xiàn)新增車輛功能的傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)，會(huì)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(shí)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(jì)算力和高網(wǎng)聯(lián)安全性，并支持遠(yuǎn)程軟件升級(jí)（OTA），隨著“新四化”的不斷發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)也會(huì)不斷的進(jìn)行革新，軟件集中化的域控制器架構(gòu)和中央計(jì)算架構(gòu)將會(huì)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(jì)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(shí)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[3-4]。先進(jìn)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(gè)基礎(chǔ)要素[5-7]，分別是線束路由及分配、零部件布置策略、保險(xiǎn)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(tái)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(jì)開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)整車的功能需求。

2 電子電氣架構(gòu)演進(jìn)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(jí)和進(jìn)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(jìn)趨勢[8]（圖1），該演進(jìn)趨勢包括3 個(gè)大階段和6 個(gè)小階段，3 個(gè)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(gè)大階段又包含2個(gè)小階段，從而形成了6個(gè)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(jì)算。隨著架構(gòu)的不斷升級(jí)，對軟件的代碼數(shù)量也在不斷增加，最終將實(shí)現(xiàn)車輛功能在云端計(jì)算，下面將對6個(gè)小階段的特點(diǎn)和演化趨勢進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 電子電器架構(gòu)演進(jìn)趨勢[8]

2.1 第1階段：模塊化

該階段功能劃分明確，一個(gè)功能一個(gè)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(jì)通?；谔囟ǖ墓δ?，如尾門控制模塊（PLG）等，模塊與模塊之間通過CAN 總線進(jìn)行通信。由于模塊間的獨(dú)立性較強(qiáng)，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(dú)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(hào)帶寬的局限性，導(dǎo)致了資源無法共享，大量運(yùn)算資源浪費(fèi)。

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(gè)小規(guī)模升級(jí)，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(jìn)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(jìn)入和無鑰匙起動(dòng)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(jìn)入和無鑰匙起動(dòng)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(bǔ)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(jìn)行了集成，脫離了模塊軟件與硬件捆綁的限制[9-10]。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(jìn)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(dòng)，如防夾算法、備份驅(qū)動(dòng)、電壓補(bǔ)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(jìn)行域劃分的，一般可分為動(dòng)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(gè)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(gè)及以上的域控制器進(jìn)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(jìn)行融合，則可以形成一個(gè)包含自動(dòng)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(jìn)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(huì)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(dòng)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(gè)區(qū)域控制器組成[11-12]。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(shí)現(xiàn)整車功能。Zone ECUs 完全從軟件的角度去實(shí)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(jì)算

車-云計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)車-云計(jì)算。第6階段也是電子電氣架構(gòu)演進(jìn)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(jìn)發(fā)。

3 未來主流電子電氣架構(gòu)拓?fù)湫问?/h2>

3.1 域控制架構(gòu)拓?fù)湫问?/h3>

域控制架構(gòu)的拓?fù)湫问饺鐖D2，該架構(gòu)包含一個(gè)中央網(wǎng)關(guān)（Gateway）和多個(gè)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(jìn)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[13-14]。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(shí)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(shí)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(gè)ECU模塊。常見的功能域控制器有動(dòng)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(dòng)駕駛域控制器，其中各域控制器之間可以進(jìn)行進(jìn)一步融合，如底盤域和車身域進(jìn)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(jì)開發(fā)的擴(kuò)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(tái)，中間層為計(jì)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(dòng)力總成域、底盤域、輔助/自動(dòng)駕駛域[9]。這種架構(gòu)可以通過底層進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，在中間層進(jìn)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)[9]

3.2 中央計(jì)算架構(gòu)拓?fù)湫问?/h3>

中央計(jì)算架構(gòu)拓?fù)湫问饺鐖D4，該架構(gòu)由中央計(jì)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(jìn)行分布，各控制器之間采用Ethernet）通訊[15-16]。中央計(jì)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(jì)算模塊故障帶來的車輛安全問題，需設(shè)計(jì)一個(gè)備用中央計(jì)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(huì)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(shí)現(xiàn)整車所有的功能需求。

圖4 中央計(jì)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(jì)算架構(gòu)拓?fù)湫问?，由中央?jì)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[13]。按照車輛的實(shí)際分布位置對車輛控制進(jìn)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(jì)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(jìn)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)[13]

3.3 域控制架構(gòu)和中央計(jì)算架構(gòu)對比

域控制架構(gòu)和中央計(jì)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(shí)便于定位問題，同時(shí)對軟件算法要求較低，實(shí)現(xiàn)起來較容易。中央計(jì)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?yàn)槠鋵浖_發(fā)的能力要求較高，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。未來這2 種電子電氣架構(gòu)將會(huì)成為主流的汽車架構(gòu)，且會(huì)并存很長一段時(shí)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(huì)邁向中央計(jì)算架構(gòu)。

表1 域控制架構(gòu)和中央計(jì)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(jìn)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(huì)利用現(xiàn)有資源按照電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢的6 個(gè)階段逐步升級(jí)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(shí)現(xiàn)越遷式發(fā)展，則會(huì)利用自身的軟件開發(fā)優(yōu)勢，直接從較先進(jìn)的第3 階段或第5 階段架構(gòu)開始開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)汽車上先進(jìn)的智能駕駛和智能座艙技術(shù)。伴隨著智能駕駛時(shí)代的到來，所有OEM 公司最終將朝著車輛功能在云端計(jì)算的電子電氣架構(gòu)方向發(fā)展。