徽州骆驼 · 8月17日

汽车电子电气架构的演进

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[本文摘自《智能汽车:新一代技术与应用》.姜鸿雷.电子工业出版社——书中第二章部分内容]

前言

汽车电气化可以提高车辆的安全性、舒适性和动力性。传统的分布式电子电气架构为一个ECU 对应一个功能或少数几个功能,而随着技术的迭代,新型的电子电器架构在汽车领域实现了跨域融合。

一、电子电气架构的演进方向

在不同的应用场景中,汽车的电子电器架构采用总线系统,以实现控制器之间、控制器与传感器、执行器之间的网络连接。CAN 总线、FlexRay 和以太网作为新型的总线系统,主要用于控制器之间的连接。选择不同的总线系统可以满足相应的数据传输需求和控制器实时同步的要求。

目前,几乎所有的车载控制器都直接或间接地通过网络相互连接。车载控制器的网络化能够实现某一控制器的传感器信息共享,例如ESP 控制器可以向整个与其互联的网络提供实际的车速信息。此外,由于控制器之间强大的网络互联能力,某些新功能完全不需要额外的硬件,只需通过数据交换和相应的控制软件即可实现。

不同的汽车制造商和零部件供应商针对电子电气架构的演进提出了各自的理念。2017年,博世提出了一个三段六步的演进构想。尽管不同厂商和机构在具体方案上存在差异,但在整体方向上达成了共识——分布式架构、域集中式架构和中央计算式架构。

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博世关于汽车电子电气架构未来演进的构想

1、分布式架构

在这种架构下,每个电控单元(ECU)与实现的功能一一对应。在模块化阶段,ECU的数量众多,并且每个ECU负责一个特定的功能。在集成化阶段,ECU开始集成多个功能。原本由两个ECU分别执行的功能被合并在一个控制器上,该控制器可以同时执行车辆信息显示和娱乐系统功能。

2、域集中式架构

在这种架构中,进一步实现了ECU的集成,并引入了域控制器(DCU)。在集中化阶段,整车被划分为5至7个域,每个域配置一个DCU,每个DCU管理多个ECU。在博世经典的五域架构中,整车被划分为动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域和车身域,完全集成了所有控制功能。

在跨域融合阶段,整车功能在域的层面进一步集成,具有相似性的多个域实现功能融合。由于动力域、底盘域和车身域涉及的计算和通信具有相似性,这三个域合并成整车控制域,与智能座舱域和智能驾驶域共同构成了面向汽车新时代的整车架构。

3、中央计算式架构

在这种架构下,DCU进一步集成,并统一纳入一个中央计算机中。功能与元件之间不再一一对应,而是由中央计算机按需指挥执行器。

在车载计算机阶段,整车由中央计算机进行统一管理,但由于动力、车身、底盘等领域的执行功能复杂,对实时性和安全性的要求较高,仍然会保留基础控制器进行边缘计算。而在车云协同阶段,汽车与云端进行联动,车端计算主要用于车内的实时处理,而云计算则作为车端计算的弹性补充。在这一阶段,不仅需要革新车内的计算能力,还需要进一步完善车联专用网络的建设。

二、电子电气架构演进的动力

从整车的设计/制造维度来看,如果汽车继续按照当前的分布式架构发展,将导致难以布置更多的ECU和线束,严重影响产线的高度自动化。而集中式电子电气架构可以逐步平抑ECU和线束的增长趋势,甚至在某个时间节点之后,能够大幅减少ECU和线束的使用量,降低EEA网络拓扑的复杂度。减少ECU数量和线束使用量可以降低电子电气系统的重量,对整车的轻量化设计目标也有帮助。

传统的分布式电子电气架构中,一个ECU对应一个或几个功能。每个ECU带有嵌入式软件,通过CAN、FlexRay等总线技术进行连接。其优势在于直接性,例如,如果汽车需要增加蓝牙功能,只需在总线上连接一个能够与其他ECU进行通信的蓝牙控制模块即可实现。这种直接的增加模式操作非常简单,由于各个ECU功能相对独立,单个ECU的故障对整车功能的影响也较小。长期以来,汽车制造商只是根据市场需求不断增加ECU并调整线束布置。

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典型汽车线束

典型汽车线束和ECU的重量约占整车的5%~10%,线束已成为整车重量排名第二或第三的组成部分。而不同的ECU通常由不同的供应商提供,甚至单个ECU中的多个软件也可能来自不同的二级供应商,这导致了算力浪费、功能冗余、功耗增加和OTA管理困难等问题的持续出现。

目前,一辆汽车平均拥有约60个ECU,代码量接近亿行(约为安卓系统代码量的7倍),电子系统占整车成本的46%。然而,分布式架构在功能方面已经达到瓶颈,算力和总线信号传输速度远远落后于电动化和智能化的需求。分布式架构的极限是L2级别的自动驾驶,而L3级别已经超出其承受范围。

例如,为了实现自动驾驶覆盖更多场景,需要对来自专用摄像头、毫米波雷达和激光雷达的信息进行融合,以提高车辆的感知能力。这对数据处理的实时性和传输速度提出了很高的要求,而分布式架构中的ECU和速度为1Mbps的CAN总线显然无法满足这样的任务。以大众的分布式MQB平台为例,CAN总线已经连接了许多ECU,如果再添加雷达,通信协议的容量将不足,必须将所有的CAN总线替换为2Mbps,这相当于对架构进行了部分改造。

同时,三电系统的加入增加了电子电气架构的复杂性,智能座舱、自动驾驶等功能越来越多地依赖于ECU实现,而复杂的分布式电子电气架构大大增加了整车的成本。在智能化时代,汽车将像手机一样进行OTA升级,以提升用户体验、减少维护费用和召回成本。然而,分布式架构中的ECU软件生态复杂,要实现整车OTA,必须对电子电气架构进行彻底的改革,解耦软硬件,简化各个ECU的功能,减少其他ECU对计算资源的浪费,使算力集中在中央,才能迈出实现软件定义汽车的第一步。

正是自动驾驶、智能座舱等智能化功能的涌现,决定了电子电气架构变革的必然性。在功能需求和成本需求的推动下,车企和供应商们纷纷对电子电气架构展开升级,最直观的变化就是独立的ECU被功能更集中、算力更强的域控制器所取代。当汽车采用传输速度更快、算力更强更集中的集中式电子电气架构时,高级别自动驾驶的大门也随之敞开。摄像头、毫米波雷达、激光雷达甚至GPS和轮速传感器的数据不再各自为战,而是通过车载以太网统一传输给同一个"大脑",从而完成车辆位置和环境的识别,极大地提升了车辆在极端环境下的周围情况感知能力。

实现电子电气架构的集中化和ECU的大型化需要支持大型、高算力、低功耗的车载SOC芯片。只有强大的芯片才能满足集中化要求的ECU。从整车的角度来看,大型SOC芯片以及基于其构建的大型域控制器/高性能计算机和先进的线束技术都是实现集中化电子电气架构的关键基础技术。

控制器向中央控制器集成的技术前提是能否将一个控制器中的软件移植到另一个控制器中。硬件与软件之间的解耦使得传感器不再依赖于固定的ECU,而可以被域控制器灵活调用来完成不同的功能,甚至实现硬件的"热插拔",类似于电脑显卡的快速升级和即插即用的特性。

AUTOSAR以创新的方式将控制器软件接口进行了标准化。它提供了一种方法,通过封装面向硬件的功能软件,可以方便地将一个控制器的软件移植到另一个控制器中。在开发电子电气架构时,面临的挑战是如何制定一套优化的解决方案,以实现所开发车辆的功能。这套解决方案需要平衡功能和非功能需求,并最大程度地优化总体成本。

新一代汽车电子电气架构的出现降低了软硬件成本,促使整车制造商和一级供应商投入大量人力和物力进行架构变革。电子电气架构的演进需要综合考虑多个方面的评估,包括高计算性能、高通信带宽、高功率安全性、高网络安全性和软件持续升级更新能力等。

从整车制造商的角度来看,还需要有效的变形管理,实现在相同架构平台下不同车型之间的硬件配置的灵活多样性,具有良好的沿用性和平台共享性。有效的电子电气架构开发评估体系是确保架构开发的重要手段。对于架构的评估,通常从三个主要层面进行分析:首先,架构是否能满足用户当前和未来可能的需求变化;其次,架构是否能实现车型开发成本的最优化;最后,同时兼顾用户需求、开发成本最优化以及满足汽车性能配置的要求。

三、集中式电子电气架构介绍

当前汽车行业正处于电子电气架构从分布式向域集中的关键阶段,许多汽车制造商开始探索跨域融合的多种方案,目前主要有按功能融合方案和按位置融合方案两种。

按功能融合方案主要采用三域架构,将整车划分为车控域控制器、智能驾驶域控制器和智能座舱域控制器这三个主要功能域,分别负责车辆行驶、自动驾驶和信息娱乐等功能。大众MEB平台的E3架构、宝马iNEXT车型架构和华为CC架构等都属于这种类型。

按位置融合方案主要采用区集中式(Zonal EEA)架构,根据汽车的物理空间将整车划分为多个区域,例如左车身域、右车身域等。每个区域都配备有区域控制器(Zone ECU,ZCU)进行信号传输,并连接到中央计算机,从而大大减少了线束的数量,释放出更多的物理空间。特斯拉和丰田等汽车制造商都属于这种类型。

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跨域融合阶段两套方案:三域架构与区集中式架构

三域架构

传统的模块集成方式是将模块集中在一起,但其本质上仍然是按照功能划分,模块之间存在明显的隔离,并且与硬件之间有强烈的绑定关系。例如,许多车辆上的车身控制模块(BCM)集成了被动进入和启动系统(PEPS)功能,但如果想将PEPS系统集成到ESP控制器中,传统平台无法兼容,需要大量工作来开发新平台。而域集成则具备兼容性,它在系统和软件层面进行集成,摆脱了硬件绑定的限制。

在大多数域架构设计中,域控制器可以集成其他小型控制器和执行器,提供算法和功能,决定了域的范围。例如,车身域控制器是集成所有车身电子基础驱动、钥匙功能、灯光、门窗等的主控制器。由于车身域控制器可以提供车窗防夹算法、电压补偿、备用驱动等功能,小型控制器无需关注复杂算法,只需要专注于硬件和驱动。这不仅可以大幅减少软件开发量,还可以实现控制器的简化和优化。这种标准化的共享软件资源的架构设计理念在整车的各个领域都得到了广泛应用,包括动力域、底盘域、车身域、信息娱乐域和ADAS域等。

在三域架构中,车辆控制域基本上整合了传统的动力域、底盘域和车身域等车辆领域;智能驾驶域和智能座舱域则专注于实现汽车的智能化和互联化。涉及的零部件主要包括车控域控制器、智能驾驶域控制器、智能座舱域控制器和若干高性能网关。其中,车控域控制器负责整车控制,对实时性和安全性要求较高;智能驾驶域控制器负责实现与自动驾驶相关的感知、规划和决策功能;智能座舱域控制器负责人机交互和智能座舱相关功能的实现。

1、大众MEB平台的E3架构

MEB是模块化电气化平台的德语缩写,是由大众汽车集团及其子公司开发的电动汽车模块化平台。MEB平台的E3架构采用了域集中式电子电气架构,其中包括3个车辆应用服务器(ICAS,即In-Car Application Server),如图所示。

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大众E3架构

ICAS1主要负责车内应用服务,包括车身控制、电动系统、高压驱动、灯具系统和舒适系统等功能;ICAS2主要用于支持高级自动驾驶功能;ICAS3主要负责娱乐系统,包括导航系统、仪表系统、HUB和智能座舱等功能。

通过ICAS这种大型域控制器,逐步将本域其他ECU的软件功能(如智能传感器Smart Sensor的一些应用功能,以及基础软件Basic Services)逐步转移到ICAS中,直到其他ECU(本域的传感器和执行系统)逐渐被合并。

2、华为CC架构

华为的CC(Computing/Communication)架构专注于计算和通信两个主要领域,通过分布式网关形成环形网络,实现高速的网络数据传输,并在三个计算中心进行实时数据分析和处理,以实现整车的感知、计算能力和电源共享。从计算架构的角度来看,华为将汽车划分为智能驾驶、智能座舱和智能车控三个主要领域,并推出相应的开放平台和操作系统(自动驾驶操作系统AOS、鸿蒙智能座舱操作系统HOS和车控操作系统VOS),如图所示。

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华为CC 架构

MDC智能驾驶平台集成了昇腾芯片和AOS操作系统,以及标准化硬件产品和配套工具链等。该平台实现了软硬件解耦,使整车厂能够在此基础上快速开发、调试和运行自动驾驶算法和功能,实现L2+至L4级别自动驾驶的平稳演进。

CDC智能座舱平台包含麒麟芯片和鸿蒙OS系统,通过构建IVI模块基于麒麟芯片,并共享华为的“1+8”生态系统基于鸿蒙OS,实现跨终端的互联。基于此平台,使用Hicar手机映射方案提升车辆使用体验,并开放API接口,为跨终端的软件供应商开发座舱应用提供便利。

VDC整车控制平台(智能电动平台)包含电驱、MCU和整车控制VOS,引入网络能源产业链和技术优势到智能电动汽车领域,打造多形态电驱和高效的车载充电产品,为整车厂提供差异化的整车控制方案。

区集中式架构(Zonal EEA)

为了构建以功能为导向的电子电气架构,汽车制造商不得不拉长后刹车灯、后位置灯、尾门锁甚至双撑杆的连接线束,跨越车身80%的距离,连接到位于车身前方的区域控制器中。在ADAS的前后雷达、空调系统的前后制冷以及底盘系统的前后轮转向控制等方面也存在类似的问题,给线束系统带来了巨大的挑战。

一辆低端车的线束系统成本约为300美元,重量约为30公斤,长度约为1500米,线束约有600根,1200个接点;而一辆豪华车的线束系统成本约为550~650美元,重量约为60公斤,线束约有1500根,长度约为5000米,接点数量达到3000个。如果按照功能域架构来制造汽车,线束成本将不低于1000美元,重量可能高达100公斤。为了解决昂贵的成本,并且不丧失域的软件集中核心概念,特斯拉在Model 3上重新划分了功能域。传统的车身域、动力域等被基于物理空间划分的区集中式架构(Zonal EEA)所取代。

在区集中式架构(Zonal EEA)中,关键组成部分包括车载中央计算机、区域控制器、基于环形连接的以太网TSN构成的主干网,以及CAN、LIN、10Base-T1s等区域内网络,双电源冗余供电和区域内智能分级供电。

车载中央计算机的核心定位是实现与智能驾驶和智能座舱相关的业务逻辑,并具备车联网功能,连接车辆和云端。

区域控制器主要充当网关、交换机和智能接线盒的角色,提供和分配数据和电力,并实现车辆特定区域的功能。它可能也涉及一些变革,逐步吸收区域内其他ECU的功能。在第一阶段,可能是相对通用化的区域控制器(ZCU),采用标准化软件模块,兼容现有的ECU网络,作为数据转发设备,通过服务层面对区域内功能进行抽象。在第二阶段,为了降低区域内ECU的数量,将整合其他ECU的功能,并将控制I/O虚拟化。

区集中式架构实际上是一种"供电的分布式,计算的集中式"架构。它不仅能够集中计算资源,便于软硬件分离,也为整车各个控制器的电源管理带来了许多创新空间,但同时也给软件开发带来了巨大的挑战。例如,车身控制器的工程师可能需要开始学习雷达的驱动和算法,功能安全等级为ASIL-C和D级的软件开发逐渐成为标准配置。域的控制开发要求不再局限于功能本身,软硬件开发将打破传统的功能划分壁垒,更需要从整车的角度进行设计思考。

1、特斯拉的Zonal EEA

特斯拉采用的区集中式架构中,中央计算模块被称为AICM(Autopilot & Infotainment Control Module,辅助驾驶及娱乐控制模块),而区域控制器则包括BCM RH(Body Control Module Right,右车身控制器)和BCM LH(Body Control Module Left,左车身控制器),如图所示。

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特斯拉Model 3电子电气架构

AICM接管了所有与辅助驾驶相关的传感器、主摄像头和毫米波雷达。而BCM RH则集成了自动停车/自主驶出(Automatic Parking/Autonomous Pull Out)、热管理和扭矩控制等功能,实现了硬件和软件的分离。BCM LH则横跨多个网络段,负责控制车辆内部的灯光和进入等功能。

2、沃尔沃的Zonal EEA

沃尔沃的Zonal EEA包括核心系统和机电一体化区域(Mechatronic Rim),并将ZCU(Zone Control Unit)纳入了中央计算集群中。同时,还定义了与核心计算系统相对应的概念:机电一体化区域,以VIU(Vehicle Interface Unit)作为节点,并可以划分出多个区域。VCU对应车载中央计算机,VIU对应区域控制器,如图所示。

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沃尔沃的电子电气架构

从发展趋势来看,汽车电子电气架构将最终演进为中央计算架构,将功能逻辑集中到一个中央控制器上。根据华为的预计,到2030年,采用中央计算平台、区域控制和大带宽车载通信的电子电气架构将成为主流。

在未来,软件的功能和质量将成为决定汽车产品体验的关键。汽车的差异化将逐渐通过"软件定义"来实现。每个有雄心的车企都希望牢牢掌控决定产品个性化的核心技术,因此它们将基于智能化且可演化的电子电气架构来打造汽车产品。

四、从EEA到EEI

随着智能网联汽车的推广与普及,尤其是车联网、5G通信、云/边缘计算等技术的快速发展,行业对于多车系统、车路系统、车路云融合系统的协同决策与控制技术越来越关注。

"车-路-云-网"系统的协同控制不仅为单车决策提供了有效的信息,还可以通过全域控制在现有车路协同基础上实现对所有交通参与者的全路段、全天候、全场景的自主控制。这将为未来不同等级智能汽车混行的交通环境提供重要的解决方案,如图所示。

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车路云网一体化集中式电子电气信息架构

EEA架构是指通过整车物理层面硬件的布置,获取车辆信息并进行转化和处理,为汽车电子电气设计提供整体的需求和解决方案。而EEI则代表Electrical/Electronic Information Architecture(电子信息结构),它需要将车辆、道路、网络和云端的信息进行融合处理。EEI具备高带宽、低时延、高可靠性的特点,并且需要合理分配车辆终端、边缘节点和云平台的算力资源。

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EEI 的特点

利用人工智能、自动驾驶、网络通信、云计算大数据、物联网等先进技术,实现车辆、道路、云端、网络和地图等核心要素的全面互联互通。通过构建以车路协同高维数据为基础、以通信网络为纽带、以产品服务应用为核心的服务体系,可以实现交通基础设施、交通运输装备与交通运行监控的有机结合。这样的一体化交通运输服务能够为用户和社会提供立体互联、完备可控、便捷舒适、经济高效的体验。

这种方式对传统分散式交通技术进行了深刻的变革,同时也为构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系提供了科技支撑。

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EEI架构提供支撑

随着新一代汽车超级计算平台和操作系统的不断发展,车辆、道路、云端和网络的融合将成为趋势。未来,信息通信技术企业、新兴的软硬件技术公司、运营商、服务商以及内容提供商将以技术融合为引领,成为新型汽车产业中至关重要的组成部分。这种融合将催生全新的应用生态,给社会带来巨大的变革。

参考文献:

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作者:姜鸿雷
文章来源:汽车电子与软件

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