汽車電氣網絡拓撲設計分析

余世運，孟胥里

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

傳統汽車時代“三大件”定義汽車，而當前的客戶更關注汽車的智能化和網聯化需求，這些智能控制需求使得新時代汽車上的電控單元ECU暴增到數十個，加上各種智能傳感器或執行器其數量甚至達到上百個以上。為了實現不同格式不同類別的數據傳輸需求，總線形式也越來越多樣化，傳統汽車總線形式只有一種或者兩種，智能網聯汽車可能存在七八種總線形式，對應不同的通訊速率和數據格式，以適應新功能的特殊需求。同時電氣電子系統的網聯化使得一些新功能的實現成為現實，如車載網聯信息系統和駕駛輔助系統等，這些功能的增加導致了汽車電氣電子系統的高復雜性，電氣架構的復雜程度隨之提高，網絡拓撲的設計直觀展示了各個控制器之間的通訊方式，對信號傳遞路徑、診斷配置路徑和軟件刷新路徑有著直觀的顯示，合理的網絡拓撲對網絡性能、信息安全和成本有著重大影響。

1 網絡拓撲定義

汽車電氣網絡拓撲就是車輛控制器網絡節點和節點間相互連接形成的關聯關系。作為網絡上的節點，至少需要和網絡上的1個節點進行連接。車輛電子設備和控制器種類繁多，通訊的數據格式、延時限值及速率有著不同的要求。根據整車配置定位及控制器間的通信關系和需求，選擇合適的網絡拓撲是整車電子電器架構方案開發的重要基礎。

2 網絡拓撲類型

常用的網絡拓撲有星型拓撲、總線拓撲、環形拓撲和樹形拓撲，不同的拓撲結構著不同的優缺點，適用于不同的網絡架構方案及不同的信號通訊診斷需求，常用的拓撲結構示意圖如圖1所示。

圖1 常見網絡拓撲結構

目前由于新的電氣功能對總線需求越來越多，單一的拓撲結構已經不能滿足整車電氣架構需求，由兩種或者多種拓撲結構組成的混合拓撲結構成為趨勢。某種混合拓撲結構示意圖如圖2所示。

圖2 混合拓撲結構

3 總線類型

為了實現各個網絡節點之間或各個子系統之間相互通信需求和診斷需求，需要在節點或者子系統之間配置與需求相匹配的總線類型。選擇的總線類型必須要考慮數據傳輸速率、延時率、可靠性和網絡節點數量限制，還要考慮成本包含線束成本和控制器成本，同時考慮控制器的技術開發能力。常用的總線類型特性如表1所示。

表1 總線特性表

4 網絡拓撲設計原則

網絡拓撲的設計應該根據車型的定位及配置規劃，首先選擇合適的主干網絡，重點考慮節點數量和總線負載率，兼顧成本。出于信息安全考慮，OBD診斷口和遠程控制器盡量不直接接入整車網絡，可以在網關節點增加防火墻功能后接入網關，由網關負責信號路由傳遞。同時考慮容易暴露出來的節點盡量不接入主干網絡，避免外界設備非法入侵或者發生碰撞時不至于影響主干網絡正常運行。有功能安全的節點盡可能減少，特別是ASIL安全等級要求比較高的節點，盡量把相關需求集中到同一個或者少數幾個控制器，功能安全等級越高對成本的壓力越大。

目前比較流行的域結構網絡拓撲主要特點是按照功能將整車電器劃分為若干個域，一般分為動力域、底盤域、車身域、娛樂域和安全域，每個域都配置一個域控制器，域控制器作為網關使用負責跨域的信息傳遞，域控制器之間由整車主干網絡進行連接，其他控制器節點在各個域內進行信息傳遞，可以更好地進行總線隔離和功能封裝。

5 典型網絡拓撲方案解析

以電氣架構設計的明星產品特斯拉 Model 3網絡拓撲為例，該電氣架構網絡拓撲核心是一個自動駕駛及娛樂模塊外加兩個左右車身控制器，自動駕駛及娛樂控制模塊徹底接管了所有自動駕駛功能和屏顯信息娛樂功能，左車身控制器類似于傳統汽車的集成網關連接底盤和電源分配，右車身控制器兼顧低速輔助駕駛功能，整個電氣網絡拓撲是通過BCM左、BCM右和配電盒三個主塊和Autopilot/娛樂系統進行組合連接。該車型電氣架構拓撲是總線拓撲、星型拓撲和總線拓撲集成的混合拓撲結構，采用了CAN/CANFD/LIN/Ether- net/LVDS多種總線形式，同時應用了域控制器的方案，但域的劃分著重考慮了控制器的物理空間，降低線束成本。

特斯拉這套電氣架構拓撲系統打破了原有通用的設計思想，大量的功能在都在有限的控制器上實現，核心控制器全部自行開發，真正地深入零部件層面進行整車正向開發，大量的功能都在有限的控制器上實現，可以最大限度地把開發周期縮短，特別是軟件開發迭代自主化以后，OTA過程所要面對的ECU數量盡量減少，OTA的可靠性得到保證，為實現自動駕駛軟件升級和軟件付費服務打下了堅實的基礎。但是這套電氣架構拓撲系統開發風險巨大，需要主機廠具有強大的軟件開發能力，從零部件手上接管所有的軟件開發工作，需要吸收掌握多個成熟模塊的開發能力，要求系統魯棒性足夠，否則后期維護難度非常大。

圖3 特斯拉Model 3網絡拓撲

6 總結

目前汽車電子電器領域飛速發展，智能網聯和自動駕駛汽車離我們越來越近，汽車不只作為交通工具出現在我們的生活中，V2X的實現必然會導致整車電氣拓撲更加復雜，但 是網絡性能、信息安全和整車成本的壓力要求在電氣拓撲設計時必須綜合考慮，混合式多總線形式的拓撲結構漸漸成為主流設計。結合車型定位及自身工程開發能力，選擇合適的拓撲結構，適時考慮引進新技術新方案對電氣架構拓撲進行迭代升級已經成為重中之重。