智能汽車電子電氣架構(gòu)綜述

郭炎榮查云飛陳文強孟憲鋒呂小龍

（1.福建工程學(xué)院福建省汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點實驗室，福州350118；2.福建漢特云智能科技有限公司，福州350118）

主題詞：智能汽車E/E架構(gòu) 域控制器CAN總線 車載以太網(wǎng)

縮略語

E/E Architecture Electronic and Electrical Architecture

ECU Electronic Control Unit

ADAS Advanced Driver Assistance System

HMI Human Machine Interface

LIN Local Interconnect Network

CAN Controller Area Network

MOST Media Oriented System Transport

LVDS Low-Voltage Differential Signaling

CRC Cyclic Redundancy Check

TSN Time Sensitive Networking

TTE Time-triggered Ethernet

MDC Multi-Domain Controller

SVA Smart Vehicle Architecture

0 前言

據(jù)公安部統(tǒng)計，2020上半年全國汽車保有量達2.7億輛，汽車已經(jīng)成為大多數(shù)人能夠負擔起的消費品。我國汽車保有量正保持逐年遞加的趨勢，汽車行業(yè)內(nèi)的競爭壓力正在逐漸增大，消費者對汽車的選擇也不僅僅局限于空間、動力和油耗等傳統(tǒng)汽車的性能，汽車的智能化程度成為吸引消費者的重要因素。如今，隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的發(fā)展，汽車電子設(shè)備的數(shù)量正處于指數(shù)級增長的態(tài)勢[1]。汽車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化可以使汽車成本降低、性能提升、效率提高。本文將簡要介紹汽車電子電氣架構(gòu)的演變和發(fā)展，總結(jié)近年來主流汽車電子電氣架構(gòu)在智能汽車中的應(yīng)用，為汽車產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界在智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的四化發(fā)展中構(gòu)建汽車電子電氣架構(gòu)提供參考。

1 汽車電子電氣架構(gòu)基礎(chǔ)

1.1 汽車電子電氣架構(gòu)概述

汽車電子電氣架構(gòu)為車輛底層框架打下堅實基礎(chǔ)[2]。如今的汽車底盤架構(gòu)不僅僅是機械架構(gòu)，為實現(xiàn)輔助駕駛功能和其它智能化功能整車上需要安裝大量的感應(yīng)器、傳感器以及控制器，還需要大量線束將它們連接起來。汽車電子電氣架構(gòu)的重要性就顯現(xiàn)出來了，汽車電子電氣架構(gòu)將汽車上的各類傳感器、感應(yīng)器、控制器和線束硬件和汽車上的軟件有機結(jié)合起來，使車輛的架構(gòu)達到簡化的同時，還能夠提高運行效率。汽車電子電氣架構(gòu)會隨著汽車功能的增多而隨之演變。

汽車電子電氣架構(gòu)的開發(fā)包括需求定義、邏輯功能架構(gòu)設(shè)計、軟件/服務(wù)架構(gòu)設(shè)計、硬件架構(gòu)設(shè)計、線束設(shè)計不同層面的開發(fā)[3-5]。這些開發(fā)組成了汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)的完整流程，需要多個部門的配合才能完成。通過這一完整開發(fā)流程，汽車整體的效率地得到了提升，布線的減少降低了造車的成本，車輛功能增多的同時保證了整車電子系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1.2 汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展

1.2.1 電子電氣架構(gòu)演變

汽車剛剛問世的時候，汽車上面的電子元器件數(shù)量不多，還沒有汽車電子電氣架構(gòu)這一概念。直到上世紀五十年代，汽車開始初步形成簡易的電子電氣架構(gòu)[6]。經(jīng)過四五十年的發(fā)展，汽車上各種音頻、視頻以及其他一些電子元器件先后出現(xiàn)，汽車電子電氣架構(gòu)開始初具規(guī)模。直到2000年發(fā)布了新的架構(gòu)標準、通信協(xié)議以及相關(guān)法律法規(guī)，汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展上了新臺階[7]。

博世的電子電氣架構(gòu)發(fā)展如圖1所示[8]，清晰的展示了汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展歷程。從1970年左右的分布式電子電氣架構(gòu)發(fā)展至今，集成化融合化發(fā)展已成為趨勢。傳統(tǒng)分布式架構(gòu)是每個需求功能都需要一個ECU，隨著人們需求的增多，汽車上ECU的數(shù)量達到了100個以上。分布式架構(gòu)造成大量冗余，整車復(fù)用性低，使造車成本大大增加，不能適應(yīng)發(fā)展需要。經(jīng)過功能集成化、集中化發(fā)展，發(fā)展到了如今應(yīng)用最廣泛的域集中式電子電氣架構(gòu)，將整車劃分為了幾個區(qū)域，每個區(qū)域一個域中心控制器，也就是行業(yè)認可的域控制器。通過域控制器來實現(xiàn)輔助駕駛、車身控制以及汽車娛樂功能的局部集中化處理，減少了冗余，提高了效率。未來汽車電子電氣架構(gòu)還會向車輛集中控制電子電氣架構(gòu)發(fā)展[9]。

圖1 電子電氣架構(gòu)演變[8]

1.2.2 域控制器

在汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展的過程中，域控制器是不得不被提及的。當前智能汽車上電子元件的數(shù)量增長非常顯著，僅僅依靠ECU已經(jīng)不能滿足目前發(fā)展的需要。域控制器搭建了分布式汽車電子電氣架構(gòu)向集成式汽車電子電氣架構(gòu)的橋梁。

汽車電子按“域”劃分，傳統(tǒng)上這些域之間無論是機械、電氣還是控制上都是相互獨立的，如今這些域之間有了更多的交互［10］。華南理工大學(xué)提出基于模型的面向L4自動駕駛級別，面向服務(wù)且具有協(xié)同計算能力的電子電氣架構(gòu)。采用域控制器集中式架構(gòu)，將電子電氣架構(gòu)分為5個域，分別是車身控制域、智能駕駛域1、智能駕駛域2、信息娛樂域和新能源域。由以太網(wǎng)實現(xiàn)各個域控制器之間的信息交互，實現(xiàn)信息共享。高級輔助駕駛(Advanced Driver Assistance Sys?tem，ADAS)功能與車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能的出現(xiàn)衍生出新的系統(tǒng)，比如高級駕駛輔助系統(tǒng)和駕駛員/行人安全系統(tǒng)、人機界面(Human Machine Interface，HMI)和遠程信息處理系統(tǒng)等[11]。

當前，域控制器與傳感器還有各個功能執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)集需要提前設(shè)定好。為保證自動駕駛過程的穩(wěn)定性，電子電氣架構(gòu)在設(shè)計之初就應(yīng)該設(shè)定好汽車有幾個域，每個域的工作模式還有各個域之間的連接器跟傳感器的方式。根據(jù)域控制器功能的不同，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所不同，如圖2所示[12]。

圖2 基于功能和中央網(wǎng)關(guān)的域控制器[12]

隨著時代的發(fā)展，未來的汽車上面各個域的聯(lián)系必定會更加密切，例如底盤域和動力總成域、動力總成域和駕駛輔助域之間的聯(lián)系也會更加密切。

2 通信系統(tǒng)

2.1 總線系統(tǒng)

汽車電子電氣架構(gòu)各個硬件間的信息傳遞需要依靠通信系統(tǒng)。在當代汽車架構(gòu)中存在許多通信協(xié)議和通信技術(shù)，主要通信技術(shù)有5種：局域互聯(lián)網(wǎng)（Local Interconnect Network，LIN）、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）、FlexRay總線、面向多媒體的系統(tǒng)傳輸（Media Oriented System Transport，MOST）、低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Sig?naling，LVDS）[13-17]。前4種是專門為汽車設(shè)計使用的，其主要特性如表1所示。

表1 各類總線特性表

目前，汽車上運用最廣泛的仍然是基于CAN總線的車載總線系統(tǒng)，其優(yōu)點如下。

（1）汽車中各電子部件通過CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，極大地提高了各電子部件獲取信息的能力；

（2）CAN總線采用“多主方式”的媒體訪問機制，總線中的各個節(jié)點相互獨立、互不干擾，即使某一節(jié)點出現(xiàn)故障，總線仍舊能正常工作，并且各節(jié)點公平享有主線使用權(quán)利；

（3）CAN總線采用雙線差分電壓的方式進行通信，且具備消息自動重發(fā)、CRC校驗、應(yīng)答機制，總線通信的安全性和數(shù)據(jù)準確性有保障；

（4）CAN總線的最大通信速率為1 Mbit/s，通信速率比較高，實時性好；

（5）構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)時，僅通過屏蔽雙絞線連接各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就能達到較好的抗電磁干擾效果，成本低廉。

CAN的上述優(yōu)點使其成為當前汽車上運用最廣泛的車載總線，但是隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車上智能駕駛等級不斷提高，汽車上電子元器件數(shù)量呈指數(shù)級上升，導(dǎo)致車輛上傳遞的報文數(shù)量越來越多，信息交換的次數(shù)大大增加，車載總線網(wǎng)絡(luò)負荷率增大，電子元器件之間的信息傳遞不穩(wěn)定。CAN總線的不可預(yù)測性、傳輸速度慢和傳輸距離有限的缺點會在汽車通信網(wǎng)絡(luò)高負載時導(dǎo)致無法預(yù)測的問題，使行駛安全性得不到保障。

CAN總線在未來很長一段時間依然是最主要的車載通信網(wǎng)絡(luò)，但是需要對CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的問題進一步研究，進行仿真實驗、算法優(yōu)化，提高CAN總線的實時性。同時，也不能僅僅局限于CAN總線，一些標準化協(xié)會、技術(shù)組織一直在推出各自的確定性網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)機制，例如工業(yè)上廣泛運用的工業(yè)以太網(wǎng)、時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）、DetNet和時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time-triggered Ethernet，TTE）[18]。

2.2 車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活方式帶來了很大的進步，從以太網(wǎng)的發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)過去了大約半個世紀，以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟[19-21]。2013年寶馬公司在X5型號汽車上首次搭載車載以太網(wǎng)，邁開了車載以太網(wǎng)的第一步。車載以太網(wǎng)相較于總線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點如下。

（1）高帶寬、傳輸距離遠；

（2）支持多種協(xié)議和功能；

（3）適應(yīng)未來發(fā)展趨勢；

（4）無線功能。

由Bosch的車載通信網(wǎng)絡(luò)圖[1]可以發(fā)現(xiàn)目前車載網(wǎng)絡(luò)的模式依然是CAN總線為主(圖3)，車載以太網(wǎng)為輔。車載以太網(wǎng)在未來的智能汽車上重要性會不斷提高。

圖3 車載通信網(wǎng)絡(luò)[1]

車載以太網(wǎng)的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)依然嚴峻，雖然各個標準化組織正積極推動其發(fā)展，但是各類標準的完善和落地還需時間。其次，當前推進車載以太網(wǎng)的配套開發(fā)工具、測試設(shè)備的力度依然不足。最后，車載以太網(wǎng)的使用必定會給汽車的信息安全保障帶來挑戰(zhàn)，這也是未來開發(fā)人員需要考慮的問題[22]。

羅峰[23]等已經(jīng)提出一種車載網(wǎng)關(guān)防火墻保護車輛的CAN/FD和以太網(wǎng)總線。未來，CAN/FD和以太網(wǎng)將成為車輛的骨干網(wǎng)絡(luò)，大部分數(shù)據(jù)將通過這2個總線傳輸，因此，CAN/FD和以太網(wǎng)將更容易受到攻擊者的攻擊。車載網(wǎng)關(guān)是車輛的數(shù)據(jù)中心，它將CAN/FD與以太網(wǎng)連接在一起。

3 主流電子電氣架構(gòu)

汽車電子電氣架構(gòu)正處于由分布式發(fā)展到集中式的過渡階段，這是電子電氣架構(gòu)發(fā)展的趨勢。各個廠家各自設(shè)計開發(fā)的電子電氣架構(gòu)雖說都具有其特點，但也都是由分布式到集中式架構(gòu)發(fā)展而不斷優(yōu)化的。本節(jié)就根據(jù)設(shè)計理念的不同來介紹幾個廠家的電子電氣架構(gòu)。

3.1 基于功能域控制器集中化的架構(gòu)

博世作為整車Tier1供應(yīng)商的重要代表，提出了未來智能汽車電子電氣架構(gòu)的演進方向。從最開始的第1代模塊化架構(gòu)經(jīng)過集成化、中心化在經(jīng)過模塊間的融合，再到形成行車電腦，將所有的域控制器融合到一個行車電腦上，最終發(fā)展到將每一臺汽車都連入車聯(lián)網(wǎng)，汽車不需要安裝行車電腦，所有的計算都將由云服務(wù)來完成，減少了整車的制造成本，提高了使用效率?，F(xiàn)在正處于第4階段到第5階段的過渡時期，在這一階段還是處于優(yōu)化多域控制器的階段。

聯(lián)合電子設(shè)想未來汽車電子電氣架構(gòu)分為3層，如圖4所示[24]。聯(lián)合汽車電子設(shè)計的未來汽車電子電氣架構(gòu)也是基于功能域控制器集中化的架構(gòu)。上層是云計算，這是未來汽車發(fā)展大趨勢。中間層為計算與控制層，底層是標準化執(zhí)行器和傳感器。計算與控制層是設(shè)計電子電氣架構(gòu)中關(guān)鍵的一層，是連接云服務(wù)平臺和各個執(zhí)行器傳感器之間的橋梁。

圖4 未來汽車電子電氣架構(gòu)[24]

3.2 基于區(qū)域控制器和中央計算的架構(gòu)

豐田公司的中央/地方概念的電子電氣架構(gòu)是在車身模型上面進行設(shè)計開發(fā)的。這樣設(shè)計的汽車電子電氣架構(gòu)雖說本質(zhì)上與其他廠家設(shè)計是一致的，這一架構(gòu)突出了集中化中央計算的作用，也正是當前研發(fā)創(chuàng)新的重點方向。新一代的中央/地方架構(gòu)有如下特點。

（1）動力上可最大限度地減少區(qū)域線路；

（2）網(wǎng)絡(luò)僅是局部變化，如通訊矩陣，也大大減少區(qū)域線路；

（3）安裝只需為附加ECU留出空間；

（4）邏輯上只需改變中央ECU的軟件。

特斯拉實現(xiàn)了“軟件定義汽車”，使汽車加速向移動的智能終端進化[25]。2021年，特斯拉成為了全球車企中市值最高的車企，作為一個出世不久的品牌憑借幾款純電動汽車就達到了如此高度，最為關(guān)鍵的就是特斯拉主打賣點：智能化。特斯拉汽車的電子電氣架構(gòu)有其獨到之處，從最早的Model S上的已經(jīng)有了較為明顯的域劃分概念再到Model X開始出現(xiàn)跨網(wǎng)段特征，有比較明顯的多域控制器MDC趨勢，到如今最火爆的車型Model 3上實現(xiàn)向多域控制器階段的轉(zhuǎn)變，特斯拉的電子電氣架構(gòu)達到了其它車企還未達到的高集成度。

3.3 基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計算中心架構(gòu)

安波福的智能汽車架構(gòu)（Smart Vehicle Architec?ture，SVA）白皮書[26]中提到SVA開發(fā)設(shè)計的3項基本原則。

（1）降低復(fù)雜性。通過簡化車輛內(nèi)的硬件和軟件拓撲結(jié)構(gòu)，減少了當前啟用各種功能所需的許多不同ECU之間的相互依賴性；

（2）統(tǒng)一不同的應(yīng)用程序。SVA將來自車輛多個不同領(lǐng)域的軟件結(jié)合在一起，以解鎖新功能并改進生命周期管理；

（3）授權(quán)給原始設(shè)備制造商。SVA使原始設(shè)備制造商擁有完全控制相關(guān)主要軟件的能力（如定義車輛用戶體驗的軟件），并隨著時間的推移能夠不斷地增強其功能。

通過這3項基本原則來實現(xiàn)將軟件從硬件中分離的目的，并實現(xiàn)基于服務(wù)器計算的功能。

在SVA中，傳感器的信息獲取和處理位于車輛的乘客艙的中央，而不是分布在車輛的周圍（圖5）。這有助于降低系統(tǒng)總成本以及傳感器組件的成本，進而降低與傳感器相關(guān)、小事故相關(guān)的成本，從而降低保險成本。

圖5 智能汽車架構(gòu)[26]

華為也在汽車電子電氣架構(gòu)這一領(lǐng)域做出了貢獻。他們提出的CC架構(gòu)如圖6[27]所示，將汽車分為了3個區(qū)域。相比一般的汽車電子電氣架構(gòu)域的劃分，這種劃分集成度更高，通過分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將3大區(qū)域連接。CC架構(gòu)支持軟、硬件的升級，是未來汽車上不可或缺的功能。

圖6 華為CC架構(gòu)[27]

4 結(jié)束語

汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)汽車向智能汽車過渡的階段，汽車電子電氣架構(gòu)也正處于分布式向集中式過渡的時期。從汽車廠家的發(fā)展方向可以看出，現(xiàn)在用戶對于汽車的追求已經(jīng)不再滿足于動力性、駕駛平順性、燃油經(jīng)濟性等傳統(tǒng)汽車性能[27-29]。各個廠家研發(fā)設(shè)計的汽車電子電氣架構(gòu)在結(jié)構(gòu)上雖有些區(qū)別，但是發(fā)展的趨勢是相同的。未來汽車必定是聚焦智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化方向發(fā)展，隨著汽車上電子元件數(shù)量的增多，汽車電子電氣架構(gòu)的重要性顯得越發(fā)重要。