E/E架構(gòu)的發(fā)展趨勢

李瑋

（中國第一汽車集團有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：E/E構(gòu)架 電子電氣 功能 控制器

1 前言

E/E(Electrical and Electronics)架構(gòu)是整車電子電氣功能總布置，是整車各電子電氣系統(tǒng)間的總體規(guī)劃與協(xié)調(diào)，是從全局考慮的整車電子電氣總體設(shè)計。E/E架構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容包括功能需求分析、功能定義、功能分配、網(wǎng)絡(luò)通訊、線束拓樸、功能安全等內(nèi)容。

隨著汽車向自動化及智能化的發(fā)展，汽車上的電子電氣部件越來越多，電子技術(shù)的發(fā)展及在汽車上的廣泛應(yīng)用，造成車輛的功能也越來越復(fù)雜，整車各個系統(tǒng)實現(xiàn)電子控制已成為發(fā)展趨勢。在車輛控制方面，從早期的控制發(fā)動機到現(xiàn)在的控制底盤，比如轉(zhuǎn)向、懸架以及制動等傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)也都增加了電子控制裝置或線控系統(tǒng)；從車載系統(tǒng)方面，車身的控制、空調(diào)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(shè)計，已經(jīng)導(dǎo)致整車各種控制器數(shù)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(dǎo)致功能需求的急驟增加，對汽車E/E架構(gòu)設(shè)計提出更高的要求，傳統(tǒng)的架構(gòu)已不能滿足適應(yīng)未來發(fā)展的需求。在如此的背景之下，本文聚焦E/E架構(gòu)，對未來發(fā)展趨勢進行粗淺分析。

2 E/E架構(gòu)的發(fā)展歷程

2.1 E/E架構(gòu)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(guān)來直接驅(qū)動實現(xiàn)的。比如轉(zhuǎn)向燈的控制，開關(guān)接入轉(zhuǎn)向燈控制模塊（閃光器），按一定閃爍頻率來驅(qū)動轉(zhuǎn)向燈的閃爍。如果增加控制功能也是為這一功能而設(shè)計獨立的控制模塊。整車電氣系統(tǒng)由所謂的電線束將整車各電氣功能串聯(lián)起來。在汽車舒適系統(tǒng)中只有暖風風扇系統(tǒng)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(gòu)設(shè)計。而隨著電控系統(tǒng)的飛速發(fā)展，汽車電子的應(yīng)用越來越多，就在“功能需求越來越復(fù)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(shù)，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(shù)據(jù)幀傳輸來實現(xiàn)信號的傳遞，從而使得整車的控制出現(xiàn)了柳暗花明，也就有了汽車E/E架構(gòu)設(shè)計的雛形。

2.2 E/E架構(gòu)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(yīng)用，汽車的電子化功能需求推動了E/E架構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)代汽車不僅要實現(xiàn)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(guān)系也變得錯綜復(fù)雜。圖1是功能與模塊發(fā)展的關(guān)系。

圖1 控制模塊的發(fā)展[1]

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

2.3 E/E架構(gòu)的分級與現(xiàn)在的處境

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

圖2 E/E架構(gòu)的發(fā)展[2]

從圖2可以看出，E/E架構(gòu)的發(fā)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(guān)的輔助功能，也就是L0階段。

架構(gòu)發(fā)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(chǎn)品的發(fā)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(shù)據(jù)，降低成本?，F(xiàn)階段國內(nèi)外大部分傳統(tǒng)動力的汽車仍采用模塊集成的架構(gòu)模式，從十幾年前的單模塊控制發(fā)展到如今大部分模塊集成的方式進行E/E架構(gòu)設(shè)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(xiàn)在的E/E架構(gòu)設(shè)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(jié)約成本而且控制更加靈活。這個階段出現(xiàn)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(shù)創(chuàng)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(yù)警（LDW）、車道保持功能（LKA）、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）、交通標識識別（ISR）、主動制動系統(tǒng)（AEB）、自動遠光系統(tǒng)（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(jīng)綜合判斷后實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)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(jié)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(gòu)處于向域控制發(fā)展的階段，也就是SAE駕駛分級中的L2階段，現(xiàn)在國內(nèi)市場大部分車輛處于此階段，E/E架構(gòu)的框架也是以分級到域控制的發(fā)展階段。

隨著電子技術(shù)的發(fā)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(zhí)行器（轉(zhuǎn)向、制動）發(fā)出相應(yīng)的控制指令，因此未來將兩個領(lǐng)域融合，形成跨域控制器（DCU）也是可行和合理的（圖3）。在環(huán)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(shù)據(jù)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(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù)在車上的應(yīng)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(shù)簡稱為OTA（Over The Air）。OTA技術(shù)可以使域控制或跨域控制能更好地發(fā)揮作用，也就是高度集成的軟件可以通過OTA實現(xiàn)軟件的更新迭代，也可在一個E/E架構(gòu)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(huán)境信息和車輛本身的狀態(tài)信息，以及來自于云端的各種路況及環(huán)境信息，綜合判斷、控制車輛的行駛。自動駕駛領(lǐng)域涵蓋整車的各個領(lǐng)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(xié)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(gòu)應(yīng)該是采用車輛中央計算平臺的方案才能滿足相關(guān)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(zhuǎn)變。以前OEM以銷售汽車為主要盈利點。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)新勢力進入移動服務(wù)領(lǐng)域，OEM的業(yè)務(wù)必須延伸到服務(wù)，OEM可以從各種服務(wù)中獲得利潤。因此未來汽車E/E架構(gòu)設(shè)計是以服務(wù)需求為導(dǎo)向的。如圖5所示，現(xiàn)在的架構(gòu)設(shè)計是面向部件的架構(gòu)設(shè)計，每次功能、子功能的實現(xiàn)都需涉及到如發(fā)動機控制單元、組合儀表、空調(diào)及自動駕駛系統(tǒng)等各個控制單元，每個調(diào)用都是為實現(xiàn)單一的功能。而面向服務(wù)的設(shè)計是每個功能塊不和任何特定功能綁定，而是作為基礎(chǔ)模塊，如圖5中面向服務(wù)的中間部分，整車功能也是以服務(wù)形式出現(xiàn)的，只需調(diào)用已存在的若干個服務(wù)來完成總的服務(wù)功能，整車服務(wù)是松散連接的[3]，不需要為所有功能單獨開發(fā)，基礎(chǔ)模塊可以被多個功能所調(diào)用。所有基礎(chǔ)模塊的開發(fā)基于統(tǒng)一的標準化接口。這種設(shè)計的靈活性高，在云端可調(diào)用基礎(chǔ)模塊。實現(xiàn)特定的車輛變型設(shè)計，開發(fā)工程量大大減少，縮短開發(fā)周期，可靠性增加，而且成本會更低，使架構(gòu)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(fā)展。同時，OEM也可和各相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)合獲得額外的利益。

未來E/E架構(gòu)發(fā)展的最高境界是實現(xiàn)空中的云計算平臺。未來無人駕駛會廣泛地應(yīng)用，無人駕駛由云端計算平臺統(tǒng)一協(xié)調(diào)每臺車輛的行駛控制及狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)完全的無人駕駛，車輛只是實現(xiàn)載客及運輸?shù)妮d體，完全實現(xiàn)SAE駕駛分級的L5級的功能，這樣要求E/E架構(gòu)的設(shè)計是以云端為主體，以車端為執(zhí)行部件的架構(gòu)模式。面向SAE L5自動駕駛汽車的E/E架構(gòu)形式如圖6所示。

圖5 面向部件與面向服務(wù)對比[3]

圖6 云計算平臺E/E架構(gòu)[4]

3 E/E架構(gòu)發(fā)展面臨的4個挑戰(zhàn)

要實現(xiàn)未來的E/E架構(gòu)，現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)要解決的問題

3.1 提高主控芯片的計算能力

要實現(xiàn)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(fā)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(yīng)用軟件，在處理器內(nèi)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(shù)的需求，要求網(wǎng)絡(luò)通訊的帶寬及可靠性要大大的提升。以適應(yīng)快速的信息及數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)將成為骨干網(wǎng)，實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)和信息的安全性

功能安全和網(wǎng)絡(luò)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(guān)重要的。安全防護從現(xiàn)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(nèi)部的安全防護，保護集成于ECU內(nèi)部的軟件和數(shù)據(jù)；

第二層是車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通訊的安全防護，保護通訊信號的安全；

第三層是網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)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(tǒng)成本

保證未來E/E架構(gòu)的順利實施，成本控制是必不可少的，如何在新的E/E架構(gòu)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(chǔ)模塊的最大化的借用，應(yīng)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(gòu)的總趨勢

E/E架構(gòu)的集成平臺是未來的發(fā)展趨勢，工業(yè)化的電子技術(shù)以及IT業(yè)的發(fā)展也會給汽車產(chǎn)業(yè)帶來前所未有的發(fā)展，滿足汽車使用環(huán)境的各種技術(shù)突破是E/E架構(gòu)發(fā)展的必然保證，而且汽車E/E架構(gòu)的設(shè)計也是每個OEM必須擁有的核心技術(shù)[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(gòu)會帶來劃時代的發(fā)展。