智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘 要：隨著汽車功能的日益豐富，傳統(tǒng)的電子電氣（EE）架構(gòu)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。這種形勢(shì)推動(dòng)了整車電子電氣架構(gòu)的不斷進(jìn)化，從分布式向集中式轉(zhuǎn)變，從面向信號(hào)的軟件架構(gòu)向面向服務(wù)的軟件架構(gòu)升級(jí)，以及從控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線向車載以太網(wǎng)通信架構(gòu)的遷移。智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為汽車工業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)。文章將探討智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)，并概述其演進(jìn)路線及具體技術(shù)方案。同時(shí)，結(jié)合電子電氣架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，分析架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的核心原則，并從需求分析、仿真驗(yàn)證、可靠性設(shè)計(jì)和性價(jià)比優(yōu)化等多個(gè)維度討論架構(gòu)的優(yōu)化策略，旨在為智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 電氣系統(tǒng) 架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)和人工智能的不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)正經(jīng)歷一場(chǎng)前所未有的變革[1]。這場(chǎng)變革以智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化及共享化為顯著特征，徹底改變了我們對(duì)汽車的認(rèn)知和使用方式。在智能化方面，先進(jìn)的傳感器與算法使車輛能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛等功能，極大地提高了行車安全性和效率。同時(shí)，智能語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)也讓駕駛者可以通過簡(jiǎn)單的語(yǔ)音命令來(lái)控制車輛的各項(xiàng)功能，提供了更加便捷舒適的駕乘體驗(yàn)。文章將探討汽車電子電氣架構(gòu)的最新發(fā)展趨勢(shì)，并深入分析主流制造商與供應(yīng)商的產(chǎn)品布局。智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車架構(gòu)不僅顯著影響車輛的性能和安全，還通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信系統(tǒng)以及AI算法來(lái)實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)共享和智能決策功能，從而極大地提升了汽車的安全性、舒適度及智能化程度。

1 汽車電子電氣架構(gòu)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

1.1 汽車電子電氣架構(gòu)現(xiàn)狀

電子電氣架構(gòu)是汽車電子電氣系統(tǒng)解決方案的概念，涵蓋電源、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和診斷管理。它整合傳感器、ECU、線束和分配系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)車輛功能。EEA概念在航空領(lǐng)域的應(yīng)用尤為關(guān)鍵，它涵蓋了從需求定義到軟件與硬件設(shè)計(jì)的全過程。確保EEA系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的空中交通環(huán)境。這一步驟至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懙胶罄m(xù)設(shè)計(jì)和實(shí)施的有效性和安全性。進(jìn)入軟件與硬件設(shè)計(jì)階段，開發(fā)團(tuán)隊(duì)將根據(jù)需求定義的結(jié)果，創(chuàng)建詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。

1.1.1 總線的線束長(zhǎng)度與重量問題

車輛內(nèi)部搭載的電子控制單元（ECU）數(shù)量不斷增加[2]，目前，平均每輛汽車大約裝備了50個(gè)ECU，而一些高端車型的這一數(shù)字甚至超過了100個(gè)。這種增長(zhǎng)趨勢(shì)直接導(dǎo)致了車輛總線系統(tǒng)的長(zhǎng)度和重量顯著增加。例如，奔馳S級(jí)轎車配備了超過80個(gè)ECU，其總線長(zhǎng)度達(dá)到4公里；奧迪Q7和保時(shí)捷卡宴的總線則更長(zhǎng)，達(dá)到了6公里以上，總重量超過70公斤，這幾乎使其成為發(fā)動(dòng)機(jī)之后車內(nèi)第二重的部件。

1.1.2 系統(tǒng)復(fù)雜度超限

隨著ECU數(shù)量的急劇增加，汽車的電子電氣系統(tǒng)在硬件和軟件方面的復(fù)雜程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可管理的范圍。新功能往往意味著需要增加更多的ECU，并可能引發(fā)系統(tǒng)中多個(gè)環(huán)節(jié)的硬件與軟件調(diào)整，從而嚴(yán)重限制了汽車行業(yè)向智能化和網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型的速度。

1.1.3 通信帶寬瓶頸

隨著汽車智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如CAN[3]（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）、LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)）和FlexRay，由于其設(shè)計(jì)的總線帶寬有限，逐漸顯得力不從心。這些傳統(tǒng)技術(shù)原本是為滿足車輛內(nèi)部基本通信需求而設(shè)計(jì)的，但在面對(duì)現(xiàn)代高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的龐大數(shù)據(jù)流時(shí)，它們的處理能力開始捉襟見肘。ADAS系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車智能化的重要組成部分，它通過集成多種傳感器，如雷達(dá)和攝像頭，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛周圍的環(huán)境，并提供必要的安全警告或自動(dòng)駕駛功能。這些傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是巨大的，有時(shí)每秒的數(shù)據(jù)生成量甚至超過了100MB[4]。這種數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，尤其是在數(shù)據(jù)傳輸速度方面。由于CAN、LIN和FlexRay等傳統(tǒng)低速總線技術(shù)在設(shè)計(jì)之初并沒有預(yù)見到如此高的數(shù)據(jù)吞吐量需求，因此它們?cè)谔幚砀咚俅罅繑?shù)據(jù)傳輸時(shí)顯得力不從心。這不僅限制了ADAS[5]系統(tǒng)的效能發(fā)揮，也成了整個(gè)汽車行業(yè)向更高級(jí)別自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的技術(shù)瓶頸，以實(shí)現(xiàn)更高速度的數(shù)據(jù)傳輸和更好的網(wǎng)絡(luò)可靠性。這些新技術(shù)包括以太網(wǎng)（Ethernet）和其他高速通信協(xié)議，它們能夠提供更大的帶寬和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，更好地適應(yīng)當(dāng)前和未來(lái)汽車智能化的需求。

2 汽車電子電氣架構(gòu)演進(jìn)路線

2.1 硬件架構(gòu)升級(jí)

博世公司最初提出的汽車電子電氣架構(gòu)（EEA）的發(fā)展軌跡，如圖1所展示的那樣，主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段：從分布式EEA開始，經(jīng)過域集中式EEA，最終達(dá)到中央集中式EEA。這一發(fā)展路徑可以概括為從分布到區(qū)域整合，再到全面集中的演進(jìn)過程。汽車電子架構(gòu)正從分布式EEA向域集中式EEA轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)2025年完成。此轉(zhuǎn)變將帶來(lái)中央+區(qū)域計(jì)算的EEA時(shí)代。域集中式EEA通過功能域控制器（DCU）集中管理，優(yōu)化了傳感與執(zhí)行分離。

汽車業(yè)正邁向集中式EEA新紀(jì)元，主控處理器性能顯著提升，功能域更集中。大眾MLB平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，分ADAS、智能座艙和車身控制三大功能域，提高駕駛體驗(yàn)流暢度和安全性。華為創(chuàng)新計(jì)算+通信架構(gòu)，包含VDC、ADC、CDC等組件，通過高性能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)處理速度和信息安全傳輸。廣汽“星靈”EEA整合先進(jìn)Ethernet、5G技術(shù)，強(qiáng)調(diào)信息與功能安全，支持插電混動(dòng)和純電動(dòng)車型的智能化、環(huán)保出行。智能駕駛域控制器處理感知、規(guī)劃和決策；智能座艙域控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。車身域與一級(jí)供應(yīng)商及零部件廠商緊密合作，市場(chǎng)封閉且要求高安全標(biāo)準(zhǔn)，主要供應(yīng)商包括偉世通、大陸等。智能座艙控制器芯片以SoC為主，競(jìng)爭(zhēng)廠商有高通、英偉達(dá)等面向高端市場(chǎng)，恩智浦、德州儀器面向中低端市場(chǎng)。控制器芯片廠商及其SoC芯片信息見表1、表2。

自動(dòng)駕駛域控制器主要供應(yīng)商包括大陸、安波福等。核心芯片廠商及其代表SoC芯片如表3所示。

功能域融合促進(jìn)了域控制器向通用計(jì)算處理平臺(tái)的轉(zhuǎn)型，構(gòu)建了以中央加區(qū)域EEA為特征的架構(gòu)體系。例如，特斯拉、豐田采用了區(qū)域EEA方案，而安波福和偉世通分別開發(fā)了SVA平臺(tái)及區(qū)域EEA系統(tǒng)。在這種中央集中式EEA模式下，車載中央計(jì)算機(jī)（VCC）構(gòu)成的異構(gòu)服務(wù)器群負(fù)責(zé)整車級(jí)別的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信與管理任務(wù)；同時(shí)，區(qū)域控制器單元（ZCU）承擔(dān)局部環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行控制以及傳感器數(shù)據(jù)的初步分析與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。

2.2 通信架構(gòu)升級(jí)

隨著車載系統(tǒng)增多，CAN總線面臨傳輸速率和帶寬不足的問題。MOST總線技術(shù)專為車內(nèi)多媒體應(yīng)用設(shè)計(jì)，不同車載總線技術(shù)在數(shù)據(jù)速度和成本方面存在顯著差異。傳統(tǒng)的CAN和LIN總線雖然成本低，但在面對(duì)日益增加的高帶寬需求時(shí)顯得力不從心。TSN技術(shù)提升以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)高速低延時(shí)傳輸，降低成本，車載網(wǎng)絡(luò)總線發(fā)展進(jìn)程如表4所示。

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化策略

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

3.1.1 模塊化設(shè)計(jì)原則

智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)涉及動(dòng)力、底盤、車身結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)時(shí)需遵循模塊化原則，分解為獨(dú)立且協(xié)同的模塊，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚低耦合。這促進(jìn)了并行開發(fā)和局部升級(jí)，提升維護(hù)效率并降低成本。

3.1.2 冗余設(shè)計(jì)原則

汽車安全至關(guān)重要，智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循冗余原則，關(guān)鍵部分需增設(shè)備份，確保故障時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。如轉(zhuǎn)向多執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)獨(dú)立回路、雙電源供電、通信多余通道等，此外，定期的系統(tǒng)檢測(cè)與維護(hù)不可或缺。采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣系統(tǒng)狀態(tài)。

3.1.3 可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)原則

智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)發(fā)展迅速，汽車電氣架構(gòu)需應(yīng)對(duì)頻繁升級(jí)的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循可擴(kuò)展性原則，預(yù)留硬件和軟件接口。硬件應(yīng)選擇模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，并具備傳感器接入和芯片升級(jí)能力。軟件上，采用SOA和微服務(wù)架構(gòu)，使系統(tǒng)可靈活組合和擴(kuò)展。同時(shí)為多級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)預(yù)留帶寬，滿足信息交互需求。例如，可采用域控制器與中央網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，利用邊緣計(jì)算處理車載數(shù)據(jù)，中央網(wǎng)關(guān)融合多域數(shù)據(jù)并為未來(lái)自動(dòng)駕駛等智能功能留出空間。

3.2 架構(gòu)優(yōu)化

基于需求分析的架構(gòu)優(yōu)化：智能網(wǎng)聯(lián)汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程，它需要以實(shí)際需求為導(dǎo)向，不斷優(yōu)化架構(gòu)以滿足日益增長(zhǎng)的技術(shù)要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須深入分析L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛技術(shù)的具體需求，包括低延遲、高可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)，以確保車輛在各種復(fù)雜環(huán)境下都能表現(xiàn)出色。對(duì)于L4級(jí)自動(dòng)駕駛而言，系統(tǒng)要求更加嚴(yán)苛，不僅需要極低的通信時(shí)延和強(qiáng)大的算力支持，還需要完善的容錯(cuò)機(jī)制來(lái)保障行車安全。因此，在確定核心組件方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須充分考慮這些因素，選擇最合適的硬件和軟件配置，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能表現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子電氣架構(gòu)正經(jīng)歷深刻變革，其中域控制器與中央集中式架構(gòu)成為推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。新能源汽車企業(yè)依靠創(chuàng)新技術(shù)走在前列，而芯片和信息技術(shù)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)也加大了投入力度，打破了傳統(tǒng)供應(yīng)鏈模式，并與汽車制造商攜手提供集成化的解決方案。這給傳統(tǒng)的汽車制造商帶來(lái)了轉(zhuǎn)型的壓力，他們面臨著如何參與到產(chǎn)品研發(fā)和系統(tǒng)集成中的挑戰(zhàn)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的電動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化進(jìn)程，既帶來(lái)了挑戰(zhàn)也創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。政府和產(chǎn)業(yè)界的共同努力將促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，為中國(guó)在智能出行時(shí)代打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，支持中國(guó)汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍式的進(jìn)步。

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