隨著汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的不斷發(fā)展，汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜和龐大，從而促使汽車(chē)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(duì)電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)進(jìn)行了深入研究，最后，探討了未來(lái)主流的域控制架構(gòu)和中央計(jì)算架構(gòu)的拓?fù)湫问健?/span>
1 引言
隨著汽車(chē)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(chē)功能變得越來(lái)越豐富和人性化，從而使得電子元件數(shù)量也越來(lái)越多，各電子元件之間的交互邏輯也越來(lái)越復(fù)雜。而傳統(tǒng)的汽車(chē)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(wèn)題，如果再使用通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)新增車(chē)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(xiàn)通信交互越來(lái)越擁堵，以致于無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的各種智能功能，因此，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)必須能夠支撐汽車(chē)“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(chē)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(lái)汽車(chē)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(guò)汽車(chē)上的控制器、執(zhí)行器、傳感器的電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)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(jìn)的電子電氣架構(gòu)可以有效地減輕汽車(chē)整體質(zhì)量，降低汽車(chē)研發(fā)成本，縮短車(chē)輛研發(fā)周期，并能夠確保車(chē)輛的最佳性能。整車(chē)電子電氣架構(gòu)涵蓋了10 個(gè)基礎(chǔ)要素，分別是線(xiàn)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(chē)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(guò)對(duì)這些基本要素的逐步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)整車(chē)的功能需求。
2 電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)
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(xiàn)類(lèi)型和線(xiàn)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(chē)電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)（圖1），該演進(jìn)趨勢(shì)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(chē)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(chē)載電腦和車(chē)-云計(jì)算。隨著架構(gòu)的不斷升級(jí)，對(duì)軟件的代碼數(shù)量也在不斷增加，最終將實(shí)現(xiàn)車(chē)輛功能在云端計(jì)算，下面將對(duì)6個(gè)小階段的特點(diǎn)和演化趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
圖1 電子電器架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)
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)通常基于特定的功能，如尾門(mén)控制模塊（PLG）等，模塊與模塊之間通過(guò)CAN 總線(xiàn)進(jìn)行通信。由于模塊間的獨(dú)立性較強(qiáng)，模塊開(kāi)發(fā)者不用太過(guò)于考慮其它模塊的干擾問(wèn)題。但其局限性在于功能控制模塊的獨(dú)立開(kāi)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(wú)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(chē)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(wú)鑰匙進(jìn)入和無(wú)鑰匙起動(dòng)功能通常是由PEPS模塊控制，經(jīng)過(guò)融合之后，可以將空調(diào)調(diào)節(jié)功能、無(wú)鑰匙進(jìn)入和無(wú)鑰匙起動(dòng)功能全部都集成到車(chē)身控制模塊(BCM)中，而刪除了ECC 模塊和PEPS 模塊。這樣帶來(lái)最大的收益是降低了成本，但卻依然無(wú)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(méi)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。在架構(gòu)中引入車(chē)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(kāi)發(fā)量，而且也大大精簡(jiǎn)和優(yōu)化了其它控制器。域控制器是按照整車(chē)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(pán)系統(tǒng)域、車(chē)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(lái)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(lè)信息功能的跨域中心控制模塊。這樣的好處是將車(chē)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(chē)載電腦
上述Domain ECU 仍然是以功能為導(dǎo)向的，即將車(chē)輛的功能向域控制器里集中，但由于車(chē)輛上各執(zhí)行器的位置不變，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)束長(zhǎng)度的增加，從而增加線(xiàn)束成本。以車(chē)身后方的制動(dòng)燈功能為例，該功能是由車(chē)身前方的車(chē)身電子域模塊控制，線(xiàn)束需要跨過(guò)80%的車(chē)身。為了節(jié)約線(xiàn)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(chē)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(chē)載電腦和多個(gè)區(qū)域控制器組成。這種劃分方式是按照物理布置方案來(lái)劃分的，采用就近原則，由繁至簡(jiǎn)，通過(guò)各區(qū)域控制器之間的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)功能。Zone ECUs 完全從軟件的角度去實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的功能，很好的詮釋了“軟件定義汽車(chē)”。
2.6 第6階段：車(chē)-云計(jì)算
車(chē)-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(chē)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(lái)控制車(chē)輛的功能，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)-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(lái)隨著汽車(chē)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(lái)主流電子電氣架構(gòu)拓?fù)湫问?/strong>
3.1 域控制架構(gòu)拓?fù)湫问?/span>
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(guò)中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行路由的，并通過(guò)以太網(wǎng)（Ethernet）來(lái)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(shí)現(xiàn)不同的功能需求，內(nèi)部控制器之間的總線(xiàn)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(xiàn)的通訊方式。外部診斷設(shè)備Tester 可以通過(guò)DoIP 以太網(wǎng)診斷經(jīng)由網(wǎng)關(guān)路由來(lái)診斷車(chē)輛內(nèi)的任何一個(gè)ECU模塊。常見(jiàn)的功能域控制器有動(dòng)力域控制器、底盤(pán)域控制器、車(chē)身域控制器、娛樂(lè)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(pán)域和車(chē)身域進(jìn)行融合。
圖2 域控制架構(gòu)拓?fù)?/span>
聯(lián)合汽車(chē)電子公司設(shè)計(jì)開(kāi)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(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)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(lè)域、車(chē)身域、動(dòng)力總成域、底盤(pán)域、輔助/自動(dòng)駕駛域。這種架構(gòu)可以通過(guò)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(chē)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(jì)算架構(gòu)拓?fù)湫问?/span>
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(chē)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。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(lái)的車(chē)輛安全問(wèn)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(chē)輛周?chē)瑓^(qū)域控制器會(huì)連接一些簡(jiǎn)單的ECU 或執(zhí)行器，并接收傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)復(fù)雜的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)所有的功能需求。
圖4 中央計(jì)算架構(gòu)拓?fù)?/span>
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)湫问剑芍醒胗?jì)算模塊、前車(chē)身控制器、右車(chē)身控制器、左車(chē)身控制器所構(gòu)成，如圖5所示。按照車(chē)輛的實(shí)際分布位置對(duì)車(chē)輛控制進(jìn)行了區(qū)域劃分，這樣布置簡(jiǎn)化了線(xiàn)束，提高了系統(tǒng)效率。中央計(jì)算模塊主要作為整車(chē)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(duì)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)
3.3 域控制架構(gòu)和中央計(jì)算架構(gòu)對(duì)比
域控制架構(gòu)和中央計(jì)算架構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)(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(chē)輛問(wèn)題時(shí)便于定位問(wèn)題，同時(shí)對(duì)軟件算法要求較低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。中央計(jì)算架構(gòu)對(duì)軟件算法要求較高，算法相對(duì)集中，需求的控制器數(shù)量和線(xiàn)束布置較少，車(chē)輛各控制器之間的信息交互相對(duì)較簡(jiǎn)單，但因?yàn)槠鋵?duì)軟件開(kāi)發(fā)的能力要求較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。未來(lái)這2 種電子電氣架構(gòu)將會(huì)成為主流的汽車(chē)架構(gòu)，且會(huì)并存很長(zhǎng)一段時(shí)間，但隨著汽車(chē)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(duì)比
4 結(jié)束語(yǔ)
汽車(chē)“新四化”技術(shù)的不斷發(fā)展促使了汽車(chē)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(wú)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(shì)又無(wú)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(shì)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(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，直接從較先進(jìn)的第3 階段或第5 階段架構(gòu)開(kāi)始開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(lái)，所有OEM 公司最終將朝著車(chē)輛功能在云端計(jì)算的電子電氣架構(gòu)方向發(fā)展。
轉(zhuǎn)自智能汽車(chē)設(shè)計(jì)
