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深度解析汽车电子电气架构

2024-02-21 07:14 浏览:17

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智能驾驶、智能座舱是消费者能感知到的体验，背后需要强大的传感器、芯片，更需要先进的电子电气架构的支持，电子电气架构决定了智能化功能发挥的上限。如果没有先进的电子电气架构做支撑，再多表面智能功能的搭载也无法支持车辆的持续更新和持续领先，更无法带来车辆成本降低和生产研发的高效。

当前，汽车电子电气架构正从分布式走向中央计算，这个过程就如同从诸侯割据走向“天下归一”，由于多重历史包袱的存在刚开始控制权收拢于多个权力中心，同时也还存在若干地方政权，但最终将走到中央集权，地方只负责执行统一的政府。伴随电子架构集成化的还有软件分层解耦，如同一个政府组织有中央政府、省级、县级，各级变动互不影响，可分层迭代，同时汽车的通信架构也进行升级，如同修建覆盖全国的高速公路网。

特斯拉于Model 3开启电子电气架构全面变革，其他车企也正处架构的快速迭代期，整体看，自主品牌迭代速度较快，多代架构同步开发，此过程伴随高研发投入、软件人才扩张，研发组织变革、整零关系重塑等，车企从过去的硬件集成者到软件集成者。硬件集成者，将软件从过去供应商的黑盒中提取出来收归融合于自身的过程是全新和曲折的，通过几轮迭代，电子电气架构迈向中央计算是必然趋势，未来软件所有权将收归主机厂，车企利润池也将大幅拓宽。

中央集中式EEA是软件定义汽车的前提

汽车电子电气架构（EEA）把汽车中的各类传感器、电控单元、线束拓扑和电子电气分配系统整合在一起完成运算、动力和能量的分配，进而实现整车的各项功能。如果将汽车比作人体，汽车的机械结构相当于人的骨骼，动力、转向相当于人的四肢，电子电气架构则相当于人的神经系统和大脑，是汽车实现信息交互和复杂操作的关键。电子电气架构涵盖了车上计算和控制系统的软硬件、传感器、通信网络、电气分配系统等；它通过特定的逻辑和规范将各个子系统有序结合起来，构成实现复杂功能的有机整体。功能车时代，汽车一旦出厂，用户体验就基本固化；智能车时代，汽车常用常新，千人千面，电子电气架构向集中化演进是这一转变的前提。从分布式到域控制再到集中式，随着芯片和通信技术的发展，电子电气架构正在发生巨大的变化。

1.1 分布式电子电气架构不堪重负

汽车诞生之初是个纯机械产品，车上没有蓄电池，车上的设备亦不需要电力，1927年博世开发出铅蓄电池，从此车上的电子设备才有了可靠的电力来源。大规模集成电路的发展让汽车电子得以快速发展，发动机定时点火控制系统、电控燃油喷射系统、自动变速箱控制系统、牵引力控制系统、电控悬架系统、电控座椅、电控车窗、仪表、电控空调、汽车电子稳定控制系统等，逐步成为了汽车不可或缺的组成部分。汽车电子控制技术逐步发展壮大，为消费者提供了更高性能、更舒适、更安全的出行工具。

早期分布式的电子电气架构下，每个ECU通常只负责控制一个单一的功能单元，彼此独立，分别控制着发动机、刹车、车门等部件，常见的有发动机控制器（ECM）、传动系统控制器（TCM）、制动控制器（BCM）、电池管理系统（BMS）等。各个ECU之间通过CAN（控制器域网络）总线或者LIN（局部互联网络）总线连接在一起，通过厂商预先定义好的通信协议交换信息。

随着整车电子电气产品应用的增加，ECU的数量从几十个快速增加到100多个，ECU数量越多，对应的总线的线束长度必将越长，线束重量也相应增加（2007年上市的奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度超6km，总重量超70kg，是全车重量仅次于发动机的部件），这就导致整车成本增加、汽车组装的自动化水平低。

1.2 分布式EEA导致的通信带宽瓶颈

分布式计算导致了车内信息孤岛、算力浪费、软硬件耦合深，主机厂严重依赖供应商。传统汽车供应链中，不同的ECU来自不同供应商，不同的硬件有不同的嵌入式软件和底层代码，整车软件实际上是很多独立的、不兼容的软件混合体，导致整个系统缺乏兼容性和扩展性。车厂要进行任何功能变更都需要和许多不同的供应商去协商软硬件协调开发问题，每新增一个新功能都需要增加一套ECU和通信系统，耗时长，流程繁琐。且由于每个ECU绑定一个具体功能无法实现横跨多个ECU传感器的复杂功能，亦无法通过OTA来保持汽车软件的持续更新。智能网联车功能越来越复杂，车辆传感器数量增加，由此产生的数据传输及处理的实时性要求提高，汽车内部网络通信数据量呈指数级增长趋势，传统的FlexRay、LIN和CAN低速总线已无法提供高带宽通信能力，也无法适应数据传输及处理的实时性要求。

假设车厂需要修改一个雨刷总成的功能，由于每一款车在开发流程中的既定节点上，都要对雨刷总成进行定义、标定和验证，后续修改即相当于二次开发，车企需要重新和雨刷供应商签合同，重新做各个层级的标定和验证。显然这样一种面向硬件的工程化体系和流程，在车辆越来越复杂的未来，是无法支撑产品的快速迭代进化的。

解决之道就是把硬件标准化。雨刷总成是一个电机驱动的机械部件，雨刷所需的传感器可调用车辆上搭载的摄像头或其他传感器，一旦感应到挡风玻璃透明度下降，车辆即可通过软件控制让雨刷自动启动合适的工作模式，这就实现了软件定义雨刷功能的目的。当各种不同的总成、模块都标准化以后，就可以通过中央控制器里的软件来实现更高等级的智能，就像手机上运行的多个APP，既可大幅缩短产品开发周期，也可广泛采用标准化的零部件，有助于企业控制成本和质量。比如一家零部件企业开发和生产一款标准化的雨刷，然后卖给各家整车企业，其价格会非常便宜；同时，标准化硬件的标定和验证都可适当简化，从而进一步节省开发时间和成本。

1.3 汽车EEA向中央计算迈进

汽车分布式电子电气架构已不能适应汽车智能化的进一步进化。高度集成是解决之道。基于少量高性能处理器打造汽车的“大脑”，通过一套新型的电子电气架构，形成快速传递信息的“神经网络”和“血管”，以控制和驱动所有电子件和传感器。少量的高性能计算单元替代过去大量分布式MCU（微控制单元），多个分散的小传感器集成为功能更强的单个传感器，汽车功能逐步整合集中，ECU的减负意味着把整车原先搭载的几十上百个ECU逐一进行软硬件剥离，再把功能主要通过软件迁移到域控制器（域控制器是指域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等几部分组成的整个系统的统称）中，如自动驾驶、娱乐、网关等，在域控制器架构的基础上，更进一步把不同功能的域进行整合，就到了跨域融合阶段，再进一步到中央计算位置域阶段。华为判断到2030年电子电气架构将演进为中央计算平台区域接入大带宽车载通信的计算和通信架构。

汽车EEA的演进发展

汽车电子电气架构的升级主要体现在硬件架构、软件架构、通信架构三方面：硬件架构从分布式向域控制/中央集中式方向发展、软件架构从软硬件高度耦合向分层解耦方向发展、通信架构由LIN/CAN总线向以太网方向发展。

2.1 汽车EEA演进路线图

博世给出的电子电气架构路线图分为六个阶段，已成行业共识：分布式阶段（包括模块化、集成化）、域集中式（包括集中化、域融合）、中央集中式（包括车载电脑、车云计算）。

模块化阶段：一个 ECU 负责特定的功能，比如车上的灯光对应有一个控制器，门对应有一个控制器，无钥匙系统对应有一个控制器。随着汽车功能增多这种架构日益复杂无法持续。

集成化阶段：单个 ECU 负责多个功能， ECU数量较上一阶段减少。在这两个阶段，汽车电子电气架构仍处于分布式阶段，ECU功能集成度较低。

功能域控阶段：功能域即根据功能划分的域控制器，最常见的是如博世划分的五个功能域（动力域、底盘域、车身域、座舱域、自动驾驶域）。域控制器间通过以太网和CANFD（CAN with Flexible Data Rate）相连，其中座舱域和自动驾驶域由于要处理大量数据，算力需求逐步增长。动力总成域、底盘域、车身域主要涉及控制指令计算及通讯资源，算力要求较低。

跨域融合阶段：在功能域基础上，为进一步降低成本和增强协同，出现了跨域融合，即将多个域融合到一起，由跨域控制单元进行控制。比如将动力域、底盘域、车身域合并为整车控制域，从而将五个功能域（自动驾驶域、动力域、底盘域、座舱域、车身域）过渡到三个功能域（自动驾驶域、智能座舱域、车控域）。

中央计算位置域阶段：随着功能域的深度融合，功能域逐步升级为更加通用的计算平台，从功能域跨入位置域（如中域、左域、右域）。区域控制器平台（Zonal Control Unit ZCU）是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接车上某一个区域内的传感器、执行器以及ECU等，并负责该位置域内的传感器数据的初步计算和处理，还负责本区域内的网络协议转换。位置域实现就近布置线束，降低成本，减少通信接口，更易于实现线束的自动化组装从而提高效率。传感器、执行器等就近接入到附近的区域控制器中，能更好实现硬件扩展，区域控制器的结构管理更容易。区域接入中央计算保证了整车架构的稳定性和功能的扩展性，新增的外部部件可以基于区域网关接入，硬件的可插拔设计支持算力不断提升，充足的算力支持应用软件在中央计算平台迭代升级。在一项针对某家整车制造商的研究中，安波福发现，使用区域控制器可以整合9个ECU，并少用数百根单独电线，从而使车辆的重量减少了8.5千克。减重有助于节能，并延长电动汽车的续驶里程。此外，由于区域控制器将车辆的基本电气结构划分为更易于管理的组成部分，更容易实现自动化线束组装。

汽车云计算阶段：将汽车部分功能转移至云端，车内架构进一步简化。车的各种传感器和执行器可被软件定义和控制，汽车的零部件逐步变成标准件，彻底实现软件定义汽车功能。

2.2 汽车EEA各阶段特点

汽车电子电气架构的演进为软硬件解耦提供了有力支撑，高度中心化的电子电气架构带来计算集中化、软硬件解耦、平台标准化、功能定制化。

（1）算力趋向于集中，众多的ECU集中到几个强大的算力平台，为软件运行提供了算力基础；（2）底层软件和代码开始打通，操作系统为核心的软件生态开始建立，软件可以实现持续迭代，OTA发展提速；（3）域控制器+时间敏感以太网可以实现数据的高速处理和传输，为软件应用的发展创造了条件。

来源：汽车电子学堂

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