基于模型的智能汽車電子電氣架構發展綜述

華一丁，龔進峰，戎輝，唐風敏，王文揚，何佳

(1.天津大學，天津 300072；2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

汽車電子已經從提供非重要功能演變到輔助駕駛，從感知和驅動的機電構件發展到高性能高負載的處理器，汽車電子領域已取得長足的發展。電子器件不僅越來越便宜，在電子產品消費的推動下，功能也越來越強大，足以處理汽車中越來越復雜的功能領域問題。電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)集成和功能化的趨勢使得其實現域控制，在E/E框架演變的過程中，從模塊方法轉變成更加集成化的方法，實現ECU和域的融合。

近年來，自動駕駛所帶來車輛結構的改變，使得許多傳感器和電子控制單元被添加到當前的車輛架構中，并需要進一步提高其可靠性、安全性和可擴展性等要求。而汽車的電子電氣架構也隨之帶來改變。

1 域控制器

汽車電子按“域”劃分，傳統上這些域之間無論是機械、電器還是控制上都是相互獨立的，如今這些域之間有了更多的交互[1]。汽車電子一般分為動力總成域、底盤域、車身域與多媒體域。動力總成域包含發動機、變速器、傳動軸和車輪，也有很多改善駕駛性能、減少污染、提高效率和安全性的傳感器及控制元件；車身域包括加熱和空調控制、座椅控制、車窗控制和燈光控制等[1]。

高級輔助駕駛(ADAS)功能與車載網絡互連功能的出現衍生出新的系統，比如高級駕駛輔助系統和駕駛員/行人安全系統、人機界面(HMI)和遠程信息處理系統等[2]。車載 E/E系統提供的眾多功能中，有些功能只在一個域的內部進行信息互連互通，也有些功能需要跨域并與其他域的系統進行信息交互。

為了實現高度自動化的駕駛功能，智能駕駛對域內的ECU之間也提出了更多的交互要求，如雷達、攝像頭、超聲波傳感器等，并且需要單獨的域ECU來控制這些功能相似的傳感器部件，比如自動駕駛中的多傳感器融合。

如今，連接域控制單元和傳感器以及執行器的數據集是預定義的。為了實現智能駕駛過程中的各種操作，必須預先設定每個域的工作模式以及每個域內的連接執行器和傳感器的方式。根據域控制器功能的不同，具體的內部結構也有所不同，如圖1所示。

圖1 連接E/E架構的可能實現形式

未來不同域之間的聯系也會更加緊密，比如底盤域和動力總成域；動力總成域和駕駛輔助域聯系也會更加密切。NAVALE等[3]提出駕駛輔助域會成為傳感器和底盤域中嵌入功能之間的聯系，底盤域和動力總成域會融合，通過功能分割來協調，成為車輛運動控制域。該域與駕駛輔助域和能量管理系統共同工作，協同來控制車輛，這樣的架構會很大程度簡化高度自動駕駛的實現過程。

2 電子電氣架構模型的演變

汽車E/E架構的演變過程如圖2所示[3]。在發展初期，每個模塊都有單獨的ECU，隨著ECU的合并以及軟硬件的集成，促進了架構模型從單元模塊到更加集成化模塊的發展，并逐步實現了ECU和域的融合。域之間的聯系愈發緊密，這種趨勢隨著自動駕駛的逐漸發展會繼續發展。并且隨著智能網聯技術的愈發成熟，使用云端處理器來集中處理車輛也逐漸成為可能。

圖2 汽車E/E架構演變示意圖

智能網聯汽車和電動/混合動力汽車的發展推動了汽車電子電氣架構的變革。車輛個體復雜程度的增加、互聯通信的普及，對于通信帶寬、通信速度、計算能力以及電子電氣架構的可延展性都提出了更高的要求。實時性需求、診斷服務請求、總線負載限制、安全與加密需求等整車功能導向目標都是在設計E/E框架時需要考慮的[2]。下面對當前及發展中的E/E架構進行更詳細的介紹。

當前E/E架構的典型特征是將整個體系結構分為不同的域，如動力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂和遠程信息處理域，每個域對一部分ECU進行整合，這些ECU通過共享總線系統進行通信，中央網關將不同網絡的域相互連接，并使不同領域的ECU能夠進行通信[4]。

圖3所示是一個實際的具有中央網關的集中式E/E架構，各組件和傳感器與中央網關相連，由于ECU內部通信及ECU網關通信都處于同一線路上，使得網關的通信負載很高。這種結構導致復雜度的上升，因為太多可選組件整合在架構中，當多個ECU同時使用線路時復雜程度上升，同時軟件更新更加困難。由于所有數據需通過網關，隨著數據量的增大，網關逐漸成為瓶頸[5]。

圖3 具有中央網關的集中式E/E架構

一種基于功能域的架構(Domain Based Architecture)實現了網關的簡化，如圖4所示。ECU按其功能分組并連接到域控制器，這些域控制器通過中央網關連接。

圖4 基于功能域和中央網關的E/E架構

實現網關簡化的一種方法是將組件集成到功能域中，為每個域集成高性能控制器。這些控制器即域控制器，提供域內的通信和到網關的接口。這種結構由于大部分數據交換發生在功能域內，減少了ECU內部來自網關的通信。但是，對于網關建設來說，除了發生在域內的通信之外，不同域之間的信息交互也是需要考慮到的。這種架構的網關復雜程度降低，帶來了更好的架構可伸縮性[5]。

自動駕駛中車輛功能的重疊增加，通信增多，網關負載會增大。為了避免這種情況，Brunner等[5]提出了區域架構(Zone Architecture)，如圖5所示。

圖5 具有中央服務器和區域控制器的E/E架構

除了功能域集群之外，還可以根據部件在車輛中的物理位置組成來進行整合。類似于上文中的功能域架構，車輛被分為幾個區域，每個區域有一個區域控制器，區域控制器只實現轉發而不進行處理，在服務器中完成處理。這些控制器會根據連接的外圍組件而有所不同，來實現空間和成本的最優化。同時區域控制器還可以同時為外圍組件提供通信和電力供給。

在這種架構中，服務器可以根據所需要的處理能力，為不同型號車輛設備提供靈活性的集群處理。由于只需在區域控制器外添加外圍組件和在服務器中添加軟件來實現集成功能，該架構具備了高度的靈活性。研究表明，該方法可降低布線成本約20%[6]。

3 車載通信網絡

自動駕駛的發展以及車載信息娛樂系統的不斷升級將推動車載通信網絡架構及協議的變化。CAN、LIN、FlexRay、MOST等常用總線技術難以滿足車聯網時代復雜應用的帶寬需求以及可擴展性要求。而車載以太網在帶寬需求、開放性和可擴展性、物理層傳輸介質成本以及技術成熟性和標準化方面都有明顯優勢[1]，它為車輛駕駛輔助、智能網聯通信、高清信息娛樂及診斷高帶寬、低延遲的數據傳輸帶來了可能。

圖6所示是Bosch關于通信網絡協議的路線圖[3]，車輛中所劃分的不同域根據不同的網絡需求逐步轉向新的協議。

圖6 Bosch車載通信網絡協議路線圖

4 結束語

智能網聯汽車的發展所帶來的基于模型的汽車電子電氣架構的變革正在發生。由于高速高帶寬的通信要求逐步引入了以太網在車載通信網絡中的應用，越來越繁復的傳感器和執行器構件也為車輛域的劃分和域控制器的設計帶來新的挑戰，同時中央網關及高性能處理器等軟硬件設備的進步也為智能網聯汽車的E/E架構帶來新的動力。因此，適應于自動駕駛時代的基于域控制器和車載以太網的E/E架構會是今后的研究重點。