智能汽車(chē)電子架構(gòu)分析與研究

賈文偉　徐匡一　王海波　鄧希蘭　王志剛

摘 要：隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)其安全性、娛樂(lè)性、舒適性和智能性等方面提出了更高的要求。當(dāng)前汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的發(fā)展方向[1]。傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)已不能支撐汽車(chē)“四化”發(fā)展的需要，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)需變革才能支撐未來(lái)智能汽車(chē)的相關(guān)配置。本文對(duì)幾家主流智能汽車(chē)的架構(gòu)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了技術(shù)分析，并對(duì)幾種智能汽車(chē)的架構(gòu)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：智能汽車(chē);自動(dòng)駕駛汽車(chē);電子電氣架構(gòu);CAN;LIN;車(chē)載以太網(wǎng);AUTOSAR

1 汽車(chē)電子架構(gòu)概念

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，汽車(chē)功能需求越來(lái)越豐富多樣，車(chē)載電子器件數(shù)量越來(lái)越多，汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜。為應(yīng)對(duì)汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，相應(yīng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理論應(yīng)運(yùn)而生[3]。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理論解決在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之初，對(duì)整車(chē)平臺(tái)頂層進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃的問(wèn)題，包括產(chǎn)品需求、功能邏輯、功能分配、信號(hào)交互、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、整車(chē)空間和線束布置等。

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的發(fā)展方向，對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)提出了新的需求及挑戰(zhàn)。本文對(duì)幾家主流智能汽車(chē)的架構(gòu)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了技術(shù)分析，并對(duì)幾種智能汽車(chē)的架構(gòu)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 智能汽車(chē)電子架構(gòu)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)分布式汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想為硬件定義規(guī)格，硬件架構(gòu)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)和分布式功能單元，單功能單控制器，軟硬件不能解耦，專(zhuān)用傳感，專(zhuān)用控制器，專(zhuān)用算法。傳統(tǒng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)面對(duì)汽車(chē)“四化”的挑戰(zhàn)和需求難以支撐，汽車(chē)行業(yè)主要企業(yè)都給出了自己的解決方案，對(duì)未來(lái)智能汽車(chē)的電子電氣架構(gòu)進(jìn)行了思考，提出了新型的汽車(chē)電子電氣架構(gòu)概念。

2.1 博世

博世作為整車(chē)Tire1供應(yīng)商的重要代表，提出了未來(lái)智能汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)方向（圖1）。從整個(gè)演進(jìn)過(guò)程分為6個(gè)階段：分布式功能模塊、功能模塊合并、多域控制器架構(gòu)、功能域逐漸融合階段、域融合終極階段汽車(chē)大腦，最后遠(yuǎn)景云端計(jì)算階段。博世汽車(chē)電子電器架構(gòu)的演進(jìn)概念清晰指明了未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)算力會(huì)逐漸集中化，最終會(huì)發(fā)展到云端計(jì)算。當(dāng)前架構(gòu)主流處于功能模塊合并階段，正在朝多域控制器架構(gòu)方向發(fā)展。

2.2 聯(lián)合電子

聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司面向未來(lái)智能汽車(chē)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了擴(kuò)展型域控制器平臺(tái)，將于 2020 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。聯(lián)合電子設(shè)想未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)分為三層（如圖2），頂層為云服務(wù)平臺(tái)，中層為計(jì)算與控制，下層標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行器和傳感器。中層計(jì)算與控制包括五個(gè)功能域的主控和以太網(wǎng)主干網(wǎng)、車(chē)載無(wú)線通訊共七個(gè)架構(gòu)主要構(gòu)成元素。聯(lián)合電子面向未來(lái)智能汽車(chē)的架構(gòu)思路為集中式域控制器架構(gòu)。

2.3 安波福

安波福提出了智能汽車(chē)架構(gòu)的概念以適應(yīng)自動(dòng)駕駛的需求。針對(duì)未來(lái)的智能汽車(chē)電子電氣架構(gòu)，安波福提出了“大腦”與“神經(jīng)”結(jié)合的方案[11]（如圖3）。其主要由三個(gè)部分組成，一是中央計(jì)算集群，二是標(biāo)準(zhǔn)電源和數(shù)據(jù)主干網(wǎng)絡(luò)，三是電源數(shù)據(jù)中心。安波福的智能汽車(chē)架構(gòu)關(guān)注三大特性，一個(gè)是靈活性，二個(gè)是生命周期內(nèi)持續(xù)更新性，三是系統(tǒng)架構(gòu)相對(duì)容錯(cuò)性和健壯性。

2.4 豐田

豐田面對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)的新需求，豐田汽車(chē)設(shè)計(jì)了基于中央+地方（Central & Zone Concept）概念的電子架構(gòu)（如圖4），主要包括三部分：汽車(chē)大腦或中控ECUs負(fù)責(zé)計(jì)算和信息處理;跨區(qū)域通訊網(wǎng)絡(luò)以車(chē)載以太網(wǎng)為主干網(wǎng)提供高帶寬通訊能力;跨區(qū)域控制器作為某區(qū)域的輸入輸出主控單元，構(gòu)建汽車(chē)中央計(jì)算單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.5 特斯拉

特斯拉最大的特點(diǎn)了是實(shí)現(xiàn)了“軟件定義汽車(chē)”，汽車(chē)向移動(dòng)的智能終端進(jìn)化。公開(kāi)消息了解，特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)只有三大域：中央計(jì)算模塊（CCM）、左車(chē)身控制模塊（BCM LH）和右車(chē)身控制模塊（BCM RH）。其中中央計(jì)算模塊（CCM）整合了信息娛樂(lè)系統(tǒng)（IVI）、輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS/Autopilot）和車(chē)內(nèi)外通信三部分[3]。特斯拉的電子架構(gòu)通過(guò)中央計(jì)算模塊（CCM）對(duì)不同的區(qū)域控制單元及其部件進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)電子架構(gòu)進(jìn)行了全方位的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了“軟件定義汽車(chē)”，加快了汽車(chē)產(chǎn)品迭代速度。該架構(gòu)的好處顯而易見(jiàn)：算力集中化、服務(wù)附加值提升、內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

2.6 華為

世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)大會(huì)上（2019），華為輪值董事長(zhǎng)徐直軍再次解讀了華為汽車(chē)業(yè)務(wù)，也再次解讀了華為面向未來(lái)汽車(chē)的“計(jì)算+通訊”CC架構(gòu)（如圖5）。華為提出的CC架構(gòu)采用分布式網(wǎng)絡(luò)+域控制器的架構(gòu)，將車(chē)輛分為三大部分：駕駛、座艙和整車(chē)控制，并推出了三大平臺(tái)：MDC智能駕駛平臺(tái)、CDC智能座艙平臺(tái)和VDC整車(chē)控制平臺(tái)。該架構(gòu)可做到軟件可升級(jí)、硬件可更換、傳感器可拓展。

分析以上6家智能汽車(chē)電子電氣架構(gòu)，可以分類(lèi)為3種：博世和聯(lián)合電子為基于功能域控制器的集中化架構(gòu);豐田和特斯拉為基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算的架構(gòu);安波福和華為基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計(jì)算中心的架構(gòu)。

3 智能汽車(chē)電子架構(gòu)分析

對(duì)智能汽車(chē)進(jìn)行需求定義是架構(gòu)開(kāi)發(fā)的第一步，為了科學(xué)合理的進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，需從客戶(hù)需求、發(fā)展趨勢(shì)、目標(biāo)市場(chǎng)、法規(guī)需求等方面收集并分析[5]。從幾方面分析未來(lái)智能汽車(chē)電子架構(gòu)基本需求包括高計(jì)算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網(wǎng)絡(luò)安全性[8]、軟件持續(xù)升級(jí)更新能力等[1]。站在整車(chē)廠角度，還需具備有效的變形管理，實(shí)現(xiàn)相同架構(gòu)平臺(tái)下車(chē)型譜系間硬件配置靈活多樣，具有很好的沿用性和平臺(tái)公用性。以CAN總線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的架構(gòu)已支撐汽車(chē)電子架構(gòu)平臺(tái)10年的功能需求，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)為了適應(yīng)智能汽車(chē)的發(fā)展需要正面臨著技術(shù)的革新（表1）。

有效的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)評(píng)估體系是確保架構(gòu)開(kāi)發(fā)更加科學(xué)合理的重要手段。對(duì)于架構(gòu)的評(píng)估，一般從三個(gè)大的層面分析：首先架構(gòu)能否滿(mǎn)足用戶(hù)使用需求及未來(lái)可能的需求變化;其次架構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)車(chē)型開(kāi)發(fā)成本最優(yōu);再次是兼顧用戶(hù)需求、開(kāi)發(fā)成本最優(yōu)的同時(shí)，能否滿(mǎn)足汽車(chē)本身性能配置。本文從以下7個(gè)方面[2]評(píng)估了上述幾種面向智能汽車(chē)的電子架構(gòu)（表2）。

4 結(jié)論

隨著汽車(chē)科技的進(jìn)步，圍繞“四化”的需求越來(lái)越多，智能汽車(chē)電子架構(gòu)將發(fā)生變革。面向未來(lái)智能汽車(chē)的基于功能域控制器集中化的架構(gòu)、基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算的架構(gòu)和基于環(huán)形主干網(wǎng)和多域計(jì)算架構(gòu)的方案都是可行方案。滿(mǎn)足L2/L3等級(jí)高級(jí)駕駛輔助功能需求的集中化域的電子電氣架構(gòu)將成為主流解決方案。在面向更高自動(dòng)駕駛等級(jí)時(shí)，基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計(jì)算中心架構(gòu)方案與其它兩種方案相比，在網(wǎng)絡(luò)安全，冗余備份等方面更具優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)上也更具有挑戰(zhàn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉佳熙，丁鋒. 面向未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的域控制器平臺(tái)[J]. 中國(guó)集成電路， 2019（9）：82-87.

[2]匡小軍， 唐香蕉， 李桂偉， et al. 汽車(chē)電子電氣架構(gòu)需求分析及優(yōu)化研究[J]. 汽車(chē)電器， 2019（8）：45-46.

[3]杜莎. 汽車(chē)變革趨勢(shì)下電子電氣架構(gòu)如何演進(jìn)？ [J]. 汽車(chē)與配件， 2019， No.15：56-57

[4]翟皓蓉. 汽車(chē)電子架構(gòu)設(shè)計(jì)的研究與分析[J]. 汽車(chē)與駕駛維修：維修版， 2019.

[5]陶華勝， 陳歡， 雷君. 關(guān)于汽車(chē)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究[J]. 時(shí)代汽車(chē)， 2019（7）.

[6]華一丁， 龔進(jìn)峰， 戎輝， et al. 國(guó)外智能汽車(chē)電子電氣架構(gòu)綜述及分析[J]. 汽車(chē)電器， 364（12）：17-24.

[7]杜莎. 安波福：為自動(dòng)駕駛提供大腦與神經(jīng)系統(tǒng)[J]. 汽車(chē)與配件， No.1212（2）：52-53.