汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展演進(jìn)

邵寧華 張慶余 王增喜 賈 通

（中汽數(shù)據(jù)（天津）有限公司，天津300000）

1 概述

電子技術(shù)在汽車系統(tǒng)上的應(yīng)用是保證車輛新功能的硬件基礎(chǔ)。電子電氣設(shè)備的應(yīng)用為今天的汽車提供了更高的性能，更舒適的駕駛體驗(yàn)，更高的安全水平及更低的尾氣排放。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車工業(yè)開始了智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)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(qū)動(dòng)等系統(tǒng)執(zhí)行器件演變?yōu)楦咝阅?、高?fù)荷的處理模塊[1]。這表明電子電氣在汽車系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，開始處理越來越復(fù)雜的功能性問題。將各類傳感器、線束、控制器、各個(gè)系統(tǒng)和軟硬件有機(jī)的結(jié)合起來，構(gòu)成集成化、功能化、智能化的電子電氣系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車上車載電子元器件和電子控制單元的數(shù)量增加，汽車功能的越來越多、車載設(shè)備間通訊網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，對(duì)車載設(shè)備的性能要求越來越高。為了適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，對(duì)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展也提出了新的要求[2]。

2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展

汽車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展，由20 世紀(jì)80 年代最初的分布式架構(gòu)逐漸發(fā)展為當(dāng)前的高度智能和融合化（如圖1 所示）[3]。發(fā)展初期，不同的電子控制單元（ECU）通過等效網(wǎng)絡(luò)接口通過通信鏈路連接，實(shí)現(xiàn)有效通信。而隨著技術(shù)的發(fā)展，不同電子控制單元（ECU）合并以及硬件系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，使得汽車電子電氣架構(gòu)逐漸過渡到模塊化和集成化，促進(jìn)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(shì)隨著車輛智能網(wǎng)聯(lián)化的需要會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。而且，大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的愈發(fā)成熟，使得人- 車- 環(huán)境多維度融合交互通信稱為可能，使用大數(shù)據(jù)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(gòu)演變示意

車輛智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，帶來車輛自身個(gè)體復(fù)雜程度的增加、車輛各系統(tǒng)之間的交互通信增加、車輛之間的互聯(lián)通信增加。這對(duì)于電子電氣的通信能力及架構(gòu)的延展性提出更高的要求。車載電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)和搭建需要考慮的因素就更多。例如實(shí)時(shí)性需求、診斷服務(wù)請(qǐng)求等以整車功能導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)的要求。下面就當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用及研究發(fā)展中的車載電子電氣架構(gòu)做詳細(xì)介紹。

當(dāng)前，汽車市場(chǎng)在用的車載電子電氣架構(gòu)主要以多域控制器為主，目前，國外主流主機(jī)廠一般采用主要采用以多域控制器及中央集中+區(qū)域控制器相結(jié)合的電子電氣架構(gòu)，將車輛分為不同的子模塊即不同的域，比如動(dòng)力總成域、底盤域、車身域、娛樂媒體域等[4]。不同的域?qū)τ騼?nèi)的電子控制單元（ECU）進(jìn)行整合，域內(nèi)的ECU 通過共享總線系統(tǒng)進(jìn)行通信。中央網(wǎng)管用于連接不同的域，實(shí)現(xiàn)不同域之間的信息交互和數(shù)據(jù)通信。其中，特斯拉Model 3 的電子電氣架構(gòu)由CCM（即自動(dòng)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(gòu)成（如圖2 所示）。按照車輛的位置對(duì)車輛系統(tǒng)控制進(jìn)行了區(qū)域劃分，這樣的控制器布置簡(jiǎn)化了線束，提高了系統(tǒng)效率。CCM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。同時(shí)，對(duì)主要核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、決策仲裁。各控制器之間通過共享總線系統(tǒng)進(jìn)行通信，及時(shí)將監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)通信。

圖2 特斯拉Model 3 的電子電氣架構(gòu)組成

圖3 華為C-C 架構(gòu)模型

另外，豐田公司提出了采用中央集中+區(qū)域控制器相結(jié)合的電子電氣架構(gòu)方案。這種方案為每個(gè)域集成高性能控制器，即域控制器，提供域內(nèi)的通信和域外的連接。這種結(jié)構(gòu)由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)交換發(fā)生在域內(nèi)，減少了ECU 內(nèi)部來自中央網(wǎng)關(guān)的通信。有助于ECU 在硬件系統(tǒng)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(gòu)，實(shí)現(xiàn)便捷的固件升級(jí)以及功能的可拓展性。同時(shí)，該架構(gòu)在硬件、線束布置上，減少了線束的長(zhǎng)度、降低了線束的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，輕量化設(shè)計(jì)、降低重量。與此同時(shí)，在設(shè)備安裝上，中央集中式電子電氣架構(gòu)逐步減少了控制器、ECU 的數(shù)量和線束長(zhǎng)度，為后續(xù)固件升級(jí)預(yù)留更多的空間。

為了解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車在系統(tǒng)、軟件升級(jí)對(duì)汽車內(nèi)部通信速率、計(jì)算能力以及電子電氣架構(gòu)的可延展性要求，主流互聯(lián)網(wǎng)公司和車企設(shè)計(jì)開發(fā)滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信需求的新架構(gòu)[5]。其中，華為提出了一款C-C 概念架構(gòu)（如圖3 所示），即“分布式網(wǎng)絡(luò)+域控制器的架構(gòu)”，該架構(gòu)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(jì)劃未來通過域控制器和操作系統(tǒng)打造的CC 架構(gòu)可以做到軟件在線升級(jí)、硬件在線更換升級(jí)以及傳感器的可拓展性，以達(dá)到軟件定義汽車的目標(biāo)。

聯(lián)合汽車電子公司為智能網(wǎng)聯(lián)汽車設(shè)計(jì)開發(fā)了擴(kuò)展型域控制器（如圖4 所示）。根據(jù)未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能需求，拓展型域控制器架構(gòu)分為云- 管- 端一體化設(shè)計(jì)，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)將標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行與傳感器層分為信息娛樂域、車身域、動(dòng)力總成域、底盤域、輔助/自動(dòng)駕駛域。在這種架構(gòu)中，根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)車輛行駛過程中的數(shù)據(jù)需求，通過底層傳感器層進(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。云端服務(wù)器根據(jù)需要處理的信息，為不同車輛設(shè)備提供靈活性的集群處理，符合未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能需求。

3 電子電氣架構(gòu)未來發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

未來，自動(dòng)駕駛要求更高的算力和更多傳感器件，汽車內(nèi)部的快速電子化讓電子架構(gòu)不堪重負(fù)，對(duì)于未來汽車電子架構(gòu)來說，更應(yīng)該做減法了。當(dāng)然，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5G+）愈發(fā)成熟，將大大加快電子電氣架構(gòu)在當(dāng)前基礎(chǔ)上的進(jìn)一步深度演進(jìn)。倘若通信網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠的寬，通信延遲足夠的低，這一趨勢(shì)將會(huì)更加明顯。此外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展促進(jìn)控制器計(jì)算能力向中央集中，向云端集中演變；汽車電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)也朝著集成式，甚至服務(wù)器式這一方向前行。目前，車載服務(wù)器已經(jīng)被開發(fā)，其高性能計(jì)算機(jī)可用于預(yù)定義功能的應(yīng)用軟件和第三方軟件及服務(wù)平臺(tái)，憑此可實(shí)現(xiàn)新的移動(dòng)概念，可增強(qiáng)終端用戶體驗(yàn)。這對(duì)于汽車電子電氣架構(gòu)而言，都是未來發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力量和發(fā)展機(jī)遇。但是，不可否認(rèn)，車輛智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)帶來了更高的要求，更大的挑戰(zhàn)。其中主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1 功能安全

功能安全是指避免由系統(tǒng)功能故障導(dǎo)致的不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)故障之后的行為因素。致力于找出找出所有可能的系統(tǒng)失效原因，并針對(duì)這些失效制定出相應(yīng)的安全機(jī)制，采取相應(yīng)的安全措施。電子電氣架構(gòu)面臨的功能安全挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在感知冗余和自動(dòng)駕駛控制冗余。車輛的電子電氣架構(gòu)從最初的單激光雷達(dá)單攝像頭架構(gòu)，到后來多激光雷達(dá)多攝像頭架構(gòu)及復(fù)合攝像頭架構(gòu)，這些架構(gòu)中的不同的種類的攝像頭、激光雷達(dá)都需要進(jìn)行安全冗余設(shè)計(jì)。以防止在傳感器出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)依靠冗余備份的傳感器進(jìn)行工作，以保證車輛的正常行駛。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，自動(dòng)駕駛域控制器主要是負(fù)責(zé)決策、路徑規(guī)劃控制。為了避免由于自動(dòng)駕駛域控制器失效引起的系統(tǒng)故障，自動(dòng)駕駛域控制器也要采用冗余設(shè)計(jì)（一般采用雙冗余設(shè)計(jì)），當(dāng)主要自動(dòng)駕駛域控制器失效時(shí)，備用自動(dòng)駕域控制器工作。功能安全需要的冗余設(shè)計(jì)帶來更為復(fù)雜的電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 通訊架構(gòu)升級(jí)

隨著汽車電子電氣架構(gòu)日益復(fù)雜化，其中傳感器、控制器和接口越來越多，自動(dòng)駕駛也需要海量的數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)分析決策，要求車內(nèi)外通信具有高吞吐速率、低延時(shí)和多通信鏈路，這對(duì)架構(gòu)的通訊能力提出了更高的要求。通訊架構(gòu)的升級(jí)是電子電氣架構(gòu)亟需解決的問題，以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)高速傳輸、低延遲等性能要求。

3.3 算力黑洞

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展對(duì)于電子電氣架構(gòu)的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是控制器算力，智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能繁多，對(duì)于汽車處理器性能的要求越來越高。有數(shù)據(jù)顯示:自動(dòng)駕駛等級(jí)提高一級(jí)，域控制器的算力要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，L3 級(jí)別的自動(dòng)駕駛需要24 個(gè)TOPS 的算力，L4 級(jí)別的自動(dòng)駕駛需要4000+ TOPS 的算力。如此巨大的算力需求，對(duì)于電子電氣構(gòu)架是個(gè)巨大的考驗(yàn)。

4 結(jié)論

汽車產(chǎn)業(yè)智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，需要越來越多的復(fù)雜的傳感器和執(zhí)行器，這對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)提出了更高的要求，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的愈發(fā)成熟催生著電子電氣架構(gòu)發(fā)生著深刻的變革。當(dāng)前，汽車電子電氣架構(gòu)主流形式是采用多域型控制器，未來會(huì)逐漸向拓展域和復(fù)合域過渡。另外，汽車電子電氣架構(gòu)的變革與發(fā)展，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，功能安全、通訊架構(gòu)升級(jí)、算力黑洞問題是不可避免的問題，但是互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得問題被解決成為可能。

圖4 拓展型控制器架構(gòu)示意圖