智能化下的新電子電氣架構(gòu)

一、背景在汽車還處于功能為主的硬件時代，其電子電氣架構(gòu)的設(shè)計考慮的主要是車輛應用場景的需求、功能邏輯的實現(xiàn)、網(wǎng)絡通訊的拓撲以及整車線束的連接等方面，并通過對功能、法規(guī)等約束條件的解讀，再結(jié)合整車性能、成本等諸多方面的考慮，以此得到最優(yōu)化的電子電氣系統(tǒng)解決方案。而隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車電子底層硬件不再是僅提供簡單的邏輯計算，而是需要提供更為強大的算力支持，同時軟件也不再是基于某一固定硬件開發(fā)，而是需要具備可移植、可迭代和可拓展等特性。因此傳統(tǒng)的以硬件為主的電子電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)而以軟件架構(gòu)為核心，新架構(gòu)的本質(zhì)是為整車提供一個異構(gòu)的分布式面向服務的中央計算平臺。圖1

異構(gòu)的面向服務的計算平臺二、智能化電子電氣架構(gòu)新架構(gòu)平臺我們可稱之為智能化電子電氣架構(gòu)，該架構(gòu)采用中央計算平臺為核心，通過動力數(shù)據(jù)中心（PDC）在為電子系統(tǒng)分配電源的過程中收集并分發(fā)大量原始傳感器數(shù)據(jù)到中央計算平臺，中央計算平臺對這些數(shù)據(jù)進行處理以實現(xiàn)自動駕駛等命令。同時區(qū)域控制器為外圍傳感器提供接口等資源，并提供相應的區(qū)域算力，中央計算平臺可動態(tài)分配算力資源，保證汽車即使在關(guān)鍵部位發(fā)生故障的情況下也能安全行駛。該架構(gòu)以供電和數(shù)據(jù)為主干，通過雙環(huán)拓撲以實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡，其涵蓋了汽車電子的軟件架構(gòu)、硬件架構(gòu)和通訊架構(gòu)。圖2新架構(gòu)硬件平臺軟件架構(gòu)：采用面向服務架構(gòu)（SOA，Service-OrientedArchitecture）。在分布式的EEA中，由于功能的不集中，軟件之間的交互異常復雜，為了確保軟件的安全可靠，軟件代碼和邏輯冗余相當嚴重。面向服務架構(gòu)是一個組件模型，它可通過將不同控制節(jié)點的不同功能按照‘服務’的維度像拼積木一樣的進行組合（即應用程序以功能單元的形式進行邏輯封裝），再通過定義好的接口將全部功能單元聯(lián)系起來從而實現(xiàn)對軟件的集成。圖3面向服務的架構(gòu)示例其優(yōu)點包括：1）軟硬件分離；2）軟件部署靈活3）服務間低耦合，互相不依賴，易于維護；

4）各服務之間通信接口標準化，不依賴于平臺實現(xiàn)功能。正是由于軟硬件的解耦，若硬件發(fā)生迭代，軟件可隨時擴展相應的服務。如近期推行的電子后視鏡，通過電子后視鏡硬件的增加，可在軟件架構(gòu)中添加對應的服務，若將該電子后視鏡的服務與視頻服務結(jié)合，便完成了電子后視鏡的視頻顯象功能，而這個過程中并不影響其他服務。同時由于接口獨立于實現(xiàn)服務的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，這使得構(gòu)建在這類系統(tǒng)中的服務可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互。SOA架構(gòu)，不但可以使APP與HW及APP與APP之間輕松耦合，還可以使車端軟件、通信、信息安全和云端環(huán)境產(chǎn)生很好的協(xié)同，實現(xiàn)完整車云生態(tài)環(huán)境。硬件架構(gòu)：采用域控制器、區(qū)域控制器到中央計算平臺的高性能平臺為支撐。在傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)之下，軟硬件處于高度耦合狀態(tài)，控制器的開發(fā)模式是硬件先行，在硬件確認之后再進行軟件的設(shè)計、開發(fā)、測試等工作，這過程軟件無法先行或同步開發(fā)，同時一旦硬件發(fā)生改變，軟件則需要大量的修改適配工作。而在新的EEA下，硬件平臺實現(xiàn)集成化、通用化和標準化，軟件以功能服務化、接口統(tǒng)一化，同時又增加了中間件層的方式實現(xiàn)軟硬分離，即使遇到硬件變更的情況，軟件的適配工作可同步完成且工作量遠遠小于傳統(tǒng)方式。圖4域集中到中央集成的高性能平臺通訊架構(gòu)：以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡，采用SOME/IP（ScalableService-orientedMiddlewareoverIP，可擴展面向服務的通信中間件協(xié)議）或DDS（DataDistributionService，數(shù)據(jù)分發(fā)/訂閱的通信中間件協(xié)議和應用程序接口標準）面向服務通訊中間件，融入TSN（Time-SensitiveNetwork，時間敏感網(wǎng)絡）、信息安全等技術(shù)，以確保整車海量數(shù)據(jù)的高速傳輸。同時借助5G、邊緣云等技術(shù)，形成車路云一體化集中計算能力。圖5應用TSN協(xié)議的ADAS安全控制信號轉(zhuǎn)發(fā)及DDS通信模型三、各主機廠EEA平臺的發(fā)展現(xiàn)狀2.1特斯拉目前在國內(nèi)外主機廠中，以特斯拉為首已經(jīng)實現(xiàn)整車由1個中央計算平臺+3個區(qū)域控制器控制的電子電氣架構(gòu)。圖4特斯拉Model3電子電氣拓撲簡圖當前特斯拉Model3所搭載的中央計算模塊（CCM）是通過將原本分散的Autopilot（自動駕駛）+IVI（信息娛樂系統(tǒng)）+T-BOX（遠程信息處理器）三合一后的產(chǎn)品，它是以物理集成的形式將三塊PCB集成到同一殼體中形成一個‘大’總成件，此舉雖并未實現(xiàn)統(tǒng)一硬件平臺、統(tǒng)一軟件平臺的終極目標，但已經(jīng)領(lǐng)先業(yè)內(nèi)水平一大截了。該模塊的主要功能是連接各類自動駕駛傳感器，同時綜合執(zhí)行邏輯計算功能以完成車輛的動力控制、制動等相關(guān)功能，同時完成座艙內(nèi)人機交互等動作。特斯拉的發(fā)展電子電氣架構(gòu)與其他主機廠不同，它拋棄了功能域（如按功能劃分為底盤域、智能座艙域等）的概念，通過引入了BCM-F/L/R3個區(qū)域控制器對整車各執(zhí)行器進行供電，并通過CCM對不同的區(qū)域節(jié)點及其部件進行統(tǒng)一管理，再通過CAN通信的方式形成交互，這使得整車內(nèi)部拓撲變得更加簡潔，實現(xiàn)了算力集中的高集成、高模塊的準智能汽車架構(gòu)。目前F-BCM（前車身控制模塊）負責低壓電源網(wǎng)絡的分配和熱管理功能，L-BCM（左車身控制模塊）和R-BCM（右車身控制模塊）分別負責不同區(qū)域的車窗、門鎖、燈光、座椅等功能。同時由于整車內(nèi)部拓撲的簡潔化，使得整車線束的總長度得以縮短。特斯拉ModelS/ModelX

的整車線束總長度約為3km，而Model3的整車線束總長度則縮短到了1.5km，ModelY則僅有1km左右。2.2大眾汽車大眾汽車的MEB平臺實現(xiàn)了電子電氣架構(gòu)由分布式向域融合的轉(zhuǎn)變。在其架構(gòu)中共有整車控制域（ICAS1）、智能駕駛域（ICAS2）以及智能座艙域（ICAS3）三大域控制器。圖5大眾MEB-EEA其中，ICAS1實現(xiàn)整車所有控制類功能，如高壓能量管理、低壓電源管理、扭矩控制、車身電子控制、存儲等功能。同時ICAS1與診斷口和T-BOX連接，作為整車OTA的主控ECU。ICAS2作為智能駕駛運算中心，通過以太網(wǎng)接收ICAS1的雷達和攝像頭等傳感器信息，通過運算處理實現(xiàn)對于制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的請求。ICAS3采用一機多屏控制方式，通過以太網(wǎng)接收ICAS1和ICAS2的需求，從而達到控制座艙各類功能的目的。2.3VOLVOVOLVO一代SPA1為分布式電子電氣架構(gòu)，整車ECU總量已超100個。為了推進其電子電氣架構(gòu)的發(fā)展，在其推出的第二代SPA2（即GPA）架構(gòu)中，采用了‘1+2’（中央計算平臺VCU+智能互聯(lián)模塊IHU和自動駕駛模塊ADPM）模式。其做法是先通過按功能劃分，將需要大量計算的ECU集成到中央計算平臺VCU中，以簡化主干網(wǎng)絡。圖6VOLVO電子電氣架構(gòu)演化后續(xù)VOLVO將會進一步把網(wǎng)關(guān)、配電、機電一體化ECU集成為區(qū)控制器，同時將ADPM/IHU集成于VCU中，以形成區(qū)域電子電氣架構(gòu)。圖7VOLVO區(qū)域電子電氣架構(gòu)該架構(gòu)包括CoreSystem（核心系統(tǒng)）和MechatronicRim（機電區(qū)域）。以以太網(wǎng)為主網(wǎng)絡，通過VIU（VehicleIntegrationUnit，整車集成單元）負責不同區(qū)域的感知、控制與執(zhí)行。VCU（VehicleComputationUnit，整車控制器）提供整車智能化所需的算力與數(shù)據(jù)存儲。2.4奧迪奧迪在電子電氣架構(gòu)上采取了中央集群計算方案（CentralComputingCluster

）。其將整車劃分為驅(qū)動域、能源域、橫縱向控制域、駕駛輔助域、座艙域、車身舒適域以及信息安全域。域之間通過以太網(wǎng)進行信息交互，域內(nèi)則通過CAN/Lin等方式進行交互。整車的中央計算單元通過云技術(shù)與奧迪企業(yè)的后臺相連接，奧迪的后臺會與HERE后臺相連，以形成數(shù)據(jù)共享，通過車載傳感器收集的數(shù)據(jù)來輔助進行地圖制作與數(shù)據(jù)更新等。圖8奧迪EEA架構(gòu)相比于合資/外資企業(yè)，國內(nèi)傳統(tǒng)汽車企業(yè)的電子電氣架構(gòu)的發(fā)展亦完成了分布式向域集中式的過渡。而造車新勢力則更進一步，普遍采用功能域控到域融合的方案，如按照整車的功能劃分為智能座艙、自動駕駛、整車控制、車身控制四大領(lǐng)域，骨干網(wǎng)采用以太網(wǎng)與CAN的混合搭配方式。與此同時，從域融合到中央集成是他們下一步正在進行的工作內(nèi)容。圖9國內(nèi)傳統(tǒng)車企與新勢力主要EEA狀態(tài)2.5

宇通汽車宇通汽車以商用車為主，其電子電氣架構(gòu)仍為分布式，通過獨立網(wǎng)關(guān)隔離不同功能域，如下圖。在商用車領(lǐng)域，EEA的發(fā)展要稍緩于乘用車，同時商用車對于通信速度、整車更新等方面的要求也要低于乘用車，因此這類整車的通信方式仍以CAN為主。圖10宇通汽車EEA2.6極氪極氪001脫胎于吉利集團，該車型采用了典型的功能域集中式架構(gòu)，由四大功能域承擔整車級別的各功能邏輯，將傳感器/執(zhí)行器的控制與整車的功能應用分離，保留有部分傳統(tǒng)的ECU，將這些ECU作為傳感器/執(zhí)行器的控制單元（即只負責輸出控制，不負責功能邏輯）。這類技術(shù)趨勢會使得傳統(tǒng)ECU逐漸弱功能化，因為主要的功能將會被域/中央計算承攬。在各功能域內(nèi)，跨子系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯接口通過域控的軟件即可完成，且功能接口模塊化、標準化、開放化，可方便產(chǎn)品快速迭代?？缬蛐畔⒔换ネㄟ^FlexRay和以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的雙網(wǎng)實現(xiàn)（FlexRay

由于成本相對過高，在國內(nèi)主機廠中僅有吉利的部分車型在使用）。圖11極氪001EEA2.7華為華為以信息技術(shù)入局