智能汽車電子架構(gòu)分析與研究

賈文偉　徐匡一　王海波　鄧希蘭　王志剛

摘 要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對其安全性、娛樂性、舒適性和智能性等方面提出了更高的要求。當(dāng)前汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為未來汽車產(chǎn)業(yè)公認的發(fā)展方向[1]。傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)已不能支撐汽車“四化”發(fā)展的需要，汽車電子電氣架構(gòu)需變革才能支撐未來智能汽車的相關(guān)配置。本文對幾家主流智能汽車的架構(gòu)設(shè)計概念進行了技術(shù)分析，并對幾種智能汽車的架構(gòu)設(shè)計概念進行了評價。

關(guān)鍵詞：智能汽車;自動駕駛汽車;電子電氣架構(gòu);CAN;LIN;車載以太網(wǎng);AUTOSAR

1 汽車電子架構(gòu)概念

隨著汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，汽車功能需求越來越豐富多樣，車載電子器件數(shù)量越來越多，汽車通信網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜。為應(yīng)對汽車電子電氣系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)理論應(yīng)運而生[3]。電子電氣架構(gòu)設(shè)計開發(fā)理論解決在汽車產(chǎn)品開發(fā)之初，對整車平臺頂層進行統(tǒng)籌規(guī)劃的問題，包括產(chǎn)品需求、功能邏輯、功能分配、信號交互、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、整車空間和線束布置等。

電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為未來汽車產(chǎn)業(yè)公認的發(fā)展方向，對傳統(tǒng)汽車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)提出了新的需求及挑戰(zhàn)。本文對幾家主流智能汽車的架構(gòu)設(shè)計概念進行了技術(shù)分析，并對幾種智能汽車的架構(gòu)設(shè)計概念進行了評價。

2 智能汽車電子架構(gòu)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)分布式汽車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計思想為硬件定義規(guī)格，硬件架構(gòu)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)和分布式功能單元，單功能單控制器，軟硬件不能解耦，專用傳感，專用控制器，專用算法。傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)面對汽車“四化”的挑戰(zhàn)和需求難以支撐，汽車行業(yè)主要企業(yè)都給出了自己的解決方案，對未來智能汽車的電子電氣架構(gòu)進行了思考，提出了新型的汽車電子電氣架構(gòu)概念。

2.1 博世

博世作為整車Tire1供應(yīng)商的重要代表，提出了未來智能汽車電子電氣架構(gòu)的演進方向（圖1）。從整個演進過程分為6個階段：分布式功能模塊、功能模塊合并、多域控制器架構(gòu)、功能域逐漸融合階段、域融合終極階段汽車大腦，最后遠景云端計算階段。博世汽車電子電器架構(gòu)的演進概念清晰指明了未來汽車電子電氣架構(gòu)算力會逐漸集中化，最終會發(fā)展到云端計算。當(dāng)前架構(gòu)主流處于功能模塊合并階段，正在朝多域控制器架構(gòu)方向發(fā)展。

2.2 聯(lián)合電子

聯(lián)合汽車電子有限公司面向未來智能汽車，設(shè)計開發(fā)了擴展型域控制器平臺，將于 2020 年實現(xiàn)量產(chǎn)。聯(lián)合電子設(shè)想未來汽車電子電氣架構(gòu)分為三層（如圖2），頂層為云服務(wù)平臺，中層為計算與控制，下層標準化的執(zhí)行器和傳感器。中層計算與控制包括五個功能域的主控和以太網(wǎng)主干網(wǎng)、車載無線通訊共七個架構(gòu)主要構(gòu)成元素。聯(lián)合電子面向未來智能汽車的架構(gòu)思路為集中式域控制器架構(gòu)。

2.3 安波福

安波福提出了智能汽車架構(gòu)的概念以適應(yīng)自動駕駛的需求。針對未來的智能汽車電子電氣架構(gòu)，安波福提出了“大腦”與“神經(jīng)”結(jié)合的方案[11]（如圖3）。其主要由三個部分組成，一是中央計算集群，二是標準電源和數(shù)據(jù)主干網(wǎng)絡(luò)，三是電源數(shù)據(jù)中心。安波福的智能汽車架構(gòu)關(guān)注三大特性，一個是靈活性，二個是生命周期內(nèi)持續(xù)更新性，三是系統(tǒng)架構(gòu)相對容錯性和健壯性。

2.4 豐田

豐田面對智能網(wǎng)聯(lián)的新需求，豐田汽車設(shè)計了基于中央+地方（Central & Zone Concept）概念的電子架構(gòu)（如圖4），主要包括三部分：汽車大腦或中控ECUs負責(zé)計算和信息處理;跨區(qū)域通訊網(wǎng)絡(luò)以車載以太網(wǎng)為主干網(wǎng)提供高帶寬通訊能力;跨區(qū)域控制器作為某區(qū)域的輸入輸出主控單元，構(gòu)建汽車中央計算單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.5 特斯拉

特斯拉最大的特點了是實現(xiàn)了“軟件定義汽車”，汽車向移動的智能終端進化。公開消息了解，特斯拉Model 3的電子電氣架構(gòu)只有三大域：中央計算模塊（CCM）、左車身控制模塊（BCM LH）和右車身控制模塊（BCM RH）。其中中央計算模塊（CCM）整合了信息娛樂系統(tǒng)（IVI）、輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS/Autopilot）和車內(nèi)外通信三部分[3]。特斯拉的電子架構(gòu)通過中央計算模塊（CCM）對不同的區(qū)域控制單元及其部件進行統(tǒng)一管理，對傳統(tǒng)汽車電子架構(gòu)進行了全方位的創(chuàng)新，實現(xiàn)了“軟件定義汽車”，加快了汽車產(chǎn)品迭代速度。該架構(gòu)的好處顯而易見：算力集中化、服務(wù)附加值提升、內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)簡化。

2.6 華為

世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車大會上（2019），華為輪值董事長徐直軍再次解讀了華為汽車業(yè)務(wù)，也再次解讀了華為面向未來汽車的“計算+通訊”CC架構(gòu)（如圖5）。華為提出的CC架構(gòu)采用分布式網(wǎng)絡(luò)+域控制器的架構(gòu)，將車輛分為三大部分：駕駛、座艙和整車控制，并推出了三大平臺：MDC智能駕駛平臺、CDC智能座艙平臺和VDC整車控制平臺。該架構(gòu)可做到軟件可升級、硬件可更換、傳感器可拓展。

分析以上6家智能汽車電子電氣架構(gòu)，可以分類為3種：博世和聯(lián)合電子為基于功能域控制器的集中化架構(gòu);豐田和特斯拉為基于區(qū)域控制器和中央計算的架構(gòu);安波福和華為基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計算中心的架構(gòu)。

3 智能汽車電子架構(gòu)分析

對智能汽車進行需求定義是架構(gòu)開發(fā)的第一步，為了科學(xué)合理的進行架構(gòu)設(shè)計，需從客戶需求、發(fā)展趨勢、目標市場、法規(guī)需求等方面收集并分析[5]。從幾方面分析未來智能汽車電子架構(gòu)基本需求包括高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網(wǎng)絡(luò)安全性[8]、軟件持續(xù)升級更新能力等[1]。站在整車廠角度，還需具備有效的變形管理，實現(xiàn)相同架構(gòu)平臺下車型譜系間硬件配置靈活多樣，具有很好的沿用性和平臺公用性。以CAN總線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的架構(gòu)已支撐汽車電子架構(gòu)平臺10年的功能需求，汽車網(wǎng)絡(luò)為了適應(yīng)智能汽車的發(fā)展需要正面臨著技術(shù)的革新（表1）。

有效的電子電氣架構(gòu)開發(fā)評估體系是確保架構(gòu)開發(fā)更加科學(xué)合理的重要手段。對于架構(gòu)的評估，一般從三個大的層面分析：首先架構(gòu)能否滿足用戶使用需求及未來可能的需求變化;其次架構(gòu)能否實現(xiàn)車型開發(fā)成本最優(yōu);再次是兼顧用戶需求、開發(fā)成本最優(yōu)的同時，能否滿足汽車本身性能配置。本文從以下7個方面[2]評估了上述幾種面向智能汽車的電子架構(gòu)（表2）。

4 結(jié)論

隨著汽車科技的進步，圍繞“四化”的需求越來越多，智能汽車電子架構(gòu)將發(fā)生變革。面向未來智能汽車的基于功能域控制器集中化的架構(gòu)、基于區(qū)域控制器和中央計算的架構(gòu)和基于環(huán)形主干網(wǎng)和多域計算架構(gòu)的方案都是可行方案。滿足L2/L3等級高級駕駛輔助功能需求的集中化域的電子電氣架構(gòu)將成為主流解決方案。在面向更高自動駕駛等級時，基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計算中心架構(gòu)方案與其它兩種方案相比，在網(wǎng)絡(luò)安全，冗余備份等方面更具優(yōu)勢，在技術(shù)上也更具有挑戰(zhàn)性。

參考文獻：

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