整車電子電氣架構(gòu)發(fā)展思路剖析

王卿海，錢 嚴(yán)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實驗室，安徽 合肥 230009）

引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車“四化”，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化及共享化[1]，正引領(lǐng)汽車行業(yè)發(fā)生重要變革，汽車功能越來越多樣、復(fù)雜，電子電氣架構(gòu)也在不斷變革之中，逐漸從分布式架構(gòu)到集成式架構(gòu)演進(jìn)。

電子電氣架構(gòu)（EEA，Electrical/Electronic Architecture）是由車企所定義的一套整合方式。該架構(gòu)能把汽車中的各類傳感器、ECU（電子控制單元）、線束拓?fù)浜碗娮与姎夥峙湎到y(tǒng)完美地整合在一起，完成運(yùn)算、動力和能量的分配，實現(xiàn)整車的各項智能化功能。

特斯拉橫空出世，以全方位的創(chuàng)新，加快了汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)的迭代速度。特斯拉采取了集中式的電子電氣架構(gòu)，即通過自主研發(fā)底層操作系統(tǒng)，并使用中央處理器對不同的域處理器和ECU進(jìn)行統(tǒng)一管理。這種架構(gòu)與智能手機(jī)和PC非常相似。

汽車電子電氣架構(gòu)是車企轉(zhuǎn)型的第一步，隨著開發(fā)的不斷縱深，包括操作系統(tǒng)、軟件更新和生態(tài)建設(shè)等在未來3～5年會更加繁榮。同時也可以看出，電子電氣架構(gòu)是一個階段性演進(jìn)的產(chǎn)物，是隨著車企向前發(fā)展而不斷進(jìn)化的。

1 電子電氣架構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)是一種分布式方案，根據(jù)汽車功能劃分成不同的模塊，如動力總成、車身、底盤和高級駕駛輔助ADAS（Advanced Driving Assistance System）等。如圖1所示：

圖1 分布式電子電氣架構(gòu)

這種分布式架構(gòu)最大的特點(diǎn)是功能劃分明確、簡化，方便在各個模塊中找到最優(yōu)的供應(yīng)商，架構(gòu)成熟可靠。

如今，技術(shù)的迭代速度加快，傳統(tǒng)的分布式電子電氣架構(gòu)難以承載汽車的復(fù)雜功能，在整車層面造成了相當(dāng)大的冗余，而且整車企業(yè)并沒有權(quán)限去維護(hù)和更新ECU；以傳統(tǒng)的汽車供應(yīng)鏈為例，整車企業(yè)高度依賴博世、德爾福（現(xiàn)為安波福）等一級零部件供應(yīng)商提供的ECU，但不同的ECU來自不同的供應(yīng)商，有著不同的嵌入式軟件和底層代碼。這樣的架構(gòu)無法支持汽車所需要增加的功能，極大地影響了用戶的使用體驗。

現(xiàn)如今，汽車電子電氣架構(gòu)已經(jīng)向集中式發(fā)展，并使用“域”劃分的方法，把從屬相關(guān)的部分盡可能地進(jìn)行整合，以幾個大單元為單位打破模塊內(nèi)的功能劃分。如圖2所示[2]。

圖2 博世的電子電氣架構(gòu)技術(shù)戰(zhàn)略圖

直至特斯拉橫空出世，以全方位的創(chuàng)新，加快了汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)的迭代速度。特斯拉采取了集中式的電子電氣架構(gòu)，即通過自主研發(fā)底層操作系統(tǒng)，并使用中央處理器對不同的域處理器和ECU進(jìn)行統(tǒng)一管理。這種架構(gòu)與智能手機(jī)和PC非常相似。

與傳統(tǒng)車企最大的不同，特斯拉可以像智能手機(jī)一樣進(jìn)行系統(tǒng)升級（OTA），傳統(tǒng)車企的OTA只局限于車載信息娛樂系統(tǒng)中地圖等功能，卻無法像特斯拉一樣對車內(nèi)溫度、制動、充電等涉及車輛零部件的功能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或升級。其背后更深層次的原因，在于兩者底層的電子電氣架構(gòu)（Electrical/Electronic Architecture，EEA）完全不同。

特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)只有三大域：中央計算模塊（CCM）、左車身控制模塊（BCM LH）和 右車身控制模塊（BCM RH）。如圖3所示：其中CCM將IVI（信息娛樂系統(tǒng)）、 ADAS/Autopilot（輔助駕駛系統(tǒng)）和車內(nèi)外通信3部分整合為一體，CCM 上運(yùn)行著X86 Linux系統(tǒng)。BCM LH 和 BCM RH 則負(fù)責(zé)車身與便利系統(tǒng)、底盤與安全系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)的功能。

圖3 特斯拉Model3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

可以看出，汽車電子電氣架構(gòu)的演化主要是圍繞一個強(qiáng)有力的通信架構(gòu)和整車級計算平臺這兩項內(nèi)容而展開的。從計算平臺角度來看，整車企業(yè)做架構(gòu)更新的第一步是重新審視哪些東西應(yīng)該放在一起，哪些需要獨(dú)立分布，哪些需要頻繁升級更新。這需要各家整車廠結(jié)合自身實際情況規(guī)劃平臺化的電子電氣架構(gòu)。

2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展面臨的選擇路線

在分布式階段，車輛各功能由不同的單一電子控制單元（ECU）控制，一輛車往往分布著上百個ECU；到了集成式階段，ADAS、車身控制、多媒體等功能可以通過域?qū)崿F(xiàn)局部的集中化處理；特斯拉的出世，帶給消費(fèi)者的是極致的性能，極佳的使用體驗，對行業(yè)電子電氣工程師來說，帶來的震撼不僅僅是汽車電子電氣架構(gòu)的創(chuàng)新，更是這種創(chuàng)新是未來發(fā)展的必然趨勢。

現(xiàn)實情況是許多整車企業(yè)還在用分布式的電子電氣架構(gòu)。伴隨汽車越來越智能化，ECU的增長終將迎來爆發(fā)，這種分布式的ECU架構(gòu)如果無限制擴(kuò)張，勢必面臨著巨大挑戰(zhàn)。例如，ECU的算力不能協(xié)同，并相互冗余，產(chǎn)生極大浪費(fèi)；分布式的架構(gòu)需要大量的內(nèi)部通信，客觀上導(dǎo)致線束成本大幅增加，同時裝配難度也加大。

為響應(yīng)新趨勢，部分整車企業(yè)和零部件供應(yīng)商也開始思考面向汽車自動化、電氣化、互聯(lián)化的智能電子電氣架構(gòu)設(shè)計。

安波福提出了“大腦”與“神經(jīng)”結(jié)合的智能電子電氣架構(gòu)。其中，安全網(wǎng)關(guān)處理器、自動駕駛處理器以及中央處理器，這三個處理器構(gòu)成了“大腦”，負(fù)責(zé)處理所有的運(yùn)算，包括自動駕駛、娛樂系統(tǒng)、信息系統(tǒng)需要的運(yùn)算?！俺壌竽X”需要大量的數(shù)據(jù)傳輸、能量傳輸，安波福在架構(gòu)中引入“神經(jīng)系統(tǒng)”的概念：一類是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳窠?jīng)系統(tǒng)；另一類是傳遞能量的系統(tǒng)，甚至在能量傳遞系統(tǒng)中設(shè)置了備份系統(tǒng)，保證車輛在運(yùn)行過程中能量不會丟失[2]。

通用汽車最近也推出了通用新一代電子電氣架構(gòu) Global B，旨在處理隨著汽車變得更智能而帶來的大量必不可少的數(shù)據(jù)負(fù)載。新一代電子電氣架構(gòu)將為通用下一代汽車產(chǎn)品開發(fā)中的電氣化、主動安全、車載娛樂、智能互聯(lián)以及 Super Cruise 技術(shù)升級提供系統(tǒng)支持。其每小時能夠處理多達(dá)4.5 TB數(shù)據(jù)，比目前通用汽車電子架構(gòu)的運(yùn)算能力增長5倍，大約相當(dāng)于500部電影，與此同時支持OTA升級。該架構(gòu)將率先搭載于2020款凱迪拉克。

未來，自動駕駛要求更高的算力和更多傳感器件，汽車內(nèi)部的快速電子化讓傳統(tǒng)汽車電子架構(gòu)不堪重負(fù)，對于未來汽車電子架構(gòu)來說，更應(yīng)該做減法了。尤其是5G技術(shù)的引入，將加快電子電氣架構(gòu)演進(jìn)。如果網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠?qū)挘舆t足夠低，這一趨勢將會更加明顯：算力向中央集中，向云端集中，汽車電子架構(gòu)的演進(jìn)也正朝著集成式，甚至服務(wù)器式這一方向前行。

目前多數(shù)車企比較認(rèn)可的計算平臺方案主要分為三大部分：（1）自動駕駛計算平臺，根據(jù)L3-L4級自動駕駛的不同需求來確定HPC的數(shù)量；（2）車輛基礎(chǔ)計算平臺，原先車身控制、熱管理控制、通信控制等都是由各個分散的ECU來完成的，未來要通過基礎(chǔ)計算平臺來實現(xiàn)整車功能的總控制；（3）信息和通信計算平臺，主要是滿足人車交互方面的需求，該平臺承擔(dān)著非常重要的信息安全工作。當(dāng)電子電氣架構(gòu)演變接近終局時，這三個基礎(chǔ)單元可能會被整合成為一個。

在汽車電子電氣架構(gòu)的演變趨勢下，如果車企轉(zhuǎn)型順利，未來的汽車行業(yè)會出現(xiàn)和手機(jī)行業(yè)一樣的現(xiàn)象，比如會有更多的車企發(fā)布操作系統(tǒng)、召開軟件開發(fā)者大會等。而“軟件定義汽車”，意味著整車開發(fā)模式將會變得更為簡化。車企會投入大量的人才從事軟件開發(fā)工作，全產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)整合能力將成為衡量一個車企是否真正成功的關(guān)鍵，而其中最重要的就是車企的汽車軟件中心的架構(gòu)。

汽車電子電氣架構(gòu)是車企轉(zhuǎn)型的第一步，隨著開發(fā)的不斷縱深，包括操作系統(tǒng)、軟件更新和生態(tài)建設(shè)等在未來3～5年會更加“繁榮”。同時也可以看出，電子電氣架構(gòu)是一個階段性演進(jìn)的產(chǎn)物，是隨著車企向前發(fā)展而不斷進(jìn)化的。

3 總結(jié)

本文介紹汽車電子電氣架構(gòu)現(xiàn)狀，并通過特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)案例來說明電子電氣架構(gòu)發(fā)展的趨勢；未來，自動駕駛要求更高的算力和更多傳感器件，算力向中央集中，向云端集中，汽車電子架構(gòu)的演進(jìn)也正朝著集成式，甚至服務(wù)器式這一方向前行，這一演變趨勢下，如果車企轉(zhuǎn)型順利，未來的汽車行業(yè)會出現(xiàn)和手機(jī)行業(yè)一樣的現(xiàn)象，比如會有更多的車企發(fā)布操作系統(tǒng)、召開軟件開發(fā)者大會等；而實現(xiàn)這一目標(biāo)，整車廠需要結(jié)合自身情況，規(guī)劃汽車電子電氣架構(gòu)平臺是首先考慮的第一步。