商用車電子電氣架構發(fā)展趨勢及其關鍵技術分析

張 波，陳子郵，李一帆

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著汽車向“電動化、智能化、網聯化、共享化、輕量化”不斷發(fā)展，汽車電子元件數量迅速增加，通信數據呈幾何式增長，電子電氣架構的設計迎來了新的挑戰(zhàn)[1]。電子電氣架構開發(fā)屬于整車電器的頂層設計，是在滿足法規(guī)要求、功能需求、標桿目標等前提下，通過對功能、性能、成本和裝配等各方面進行分析，將車內各控制系統(tǒng)信息轉化為實際的控制分配、網絡信號、配電布局等電子電氣解決方案，最終目標是使整車E/E 系統(tǒng)性能最優(yōu)、成本最低。正向系統(tǒng)的電子電氣架構設計可以避免控制器之間的功能重復或分配不合理，避免線束冗余，縮短樣車開發(fā)周期，提高產品質量，還可以降低汽車重量，減少制造成本[2]。本文闡述電子電氣架構的行業(yè)現狀，總結主流汽車電子電氣架構，提出相關建議供下一代電子電氣架構關鍵技術布局參考。

1 行業(yè)發(fā)展現狀

“電動化、智能化、網聯化、共享化、輕量化”的五化發(fā)展正在催生電子電氣架構發(fā)生變革：

（1）電動化：汽車動力模式正在深刻變革，電動化趨勢不可逆轉。混合動力HEV 模式、插電式混合動力PHEV 模式、e-Power 模式、氫燃料技術搭載在同平臺成為需求，對電氣架構平臺的兼容性提出要求[3]。

（2）智能化：得益于互聯網、傳感器、AI 算法、人機交互等技術與汽車產業(yè)深度融合，使輔助駕駛系統(tǒng)等各項主被動安全、智能座艙等系統(tǒng)技術普遍應用成為可能。為實現越來越復雜的智能化功能，必須自上而下開展正向設計電氣架構開發(fā)。

（3）網聯化、共享化：智慧交通正引領智慧城市的建設，人、車、交通設施、社區(qū)、城市等之間的關系正在發(fā)生重大改變。為實現人與車、車與車、車與交通的互聯互通，在車內必須搭載先進的通訊設備，作為車內交互與車外交互的橋梁。先進的網絡架構是高效低延時通訊的基礎。

（4）輕量化：輕量化是改善汽車燃料經濟性的有效途徑，同時輕量化也為客戶提供更高附加值的汽車產品，為客戶創(chuàng)造價值。通過正向的電氣架構開發(fā)，采用先進的網絡架構，引入高速CAN/LIN、以太網等車載通訊方式，大大減少電線束的數量，成為輕量化的一種有效途徑。

為滿足上述發(fā)展需求，行業(yè)衍生出了多種電子電氣架構。結合博世公司E/E 架構的定義，下面對各類電子電氣架構的技術特點及應用情況進行研究和總結。

1.1 分布式電子電氣架構

分布式電子電氣架構如圖1 所示，使用模塊化的控制器來搭建架構，每個ECU 通常只負責控制一個單一的功能單元，彼此獨立，分別控制著發(fā)動機、制動、車身、車機等部件，通過CAN 總線連接在一起，通過整車預先定義好的通信協議交換信息。在該架構下，各ECU 功能集成相對較低，開發(fā)門檻低，可以幫助主機廠充分利用行業(yè)成熟、現成的零件資源，滿足早期整車產品的快速開發(fā)。但同時，它也存在著車內信息孤島、算力浪費、軟硬件耦合深等固有缺陷。

圖1 分布式電子電氣架構

為滿足市場不斷新增的功能需求以保持產品競爭力，該架構的普遍做法是增加開發(fā)獨立控制器、傳感器、執(zhí)行器等來滿足額外的電子電氣系統(tǒng)需求。故越來越多的傳感器和電子控制單元添加到車輛架構中，根據Strategy Analytics 的數據預測，各級別汽車ECU 數量增加明顯，一些高端車已經采用超過100個ECU。由于這些特性，傳統(tǒng)的分布式架構具有大量冗余、計算能力和通訊帶寬不足、不便于軟件升級、整車復用性低、造車成本增加等諸多缺點，不能滿足未來汽車發(fā)展需要[4]。

分布式電子電氣架構的技術已非常成熟，相關的零件配套資源比較豐富，東風、解放、重汽等國內主流的商用車均采用這樣的EE 架構，量產規(guī)模大。

1.2 域集中電子電氣架構

為滿足汽車的升級需求，功能更集中、算力更高、OTA 升級更快的域集中電子電氣架構由此應運而生，如圖2 所示。

圖2 域集中電子電氣架構

域控架構的升級方向主要是功能架構、軟件架構、網絡架構。功能架構從分布式集成向域集成方向發(fā)展、軟件架構從軟硬件高度耦合向分層解耦方向發(fā)展、網絡架構由LIN/CAN 總線向以太網為主干、總線為子網的方向發(fā)展，如表1 所示。

表1 分布式和域集中架構技術對比

域控制器，即將整車功能中屬性相似的部分集中在相同的控制器中，集成度較高、算力集中。例如，車燈、雨刮器等車身相關附件會集中在車身控制器中進行統(tǒng)一控制[5]。在域集成的初級階段，車中一般分為5～7 個域（例如博世劃分為動力域、底盤域、車身域、座艙域、自動駕駛域五個域），域控制器即為該功能域的最高決策層。座艙域和自動駕駛域控制器對算力需求較高，處理數據能力極強，稱為性能型域控。動力域、底盤域和車身域控制器對算力要求不高，滿足通用的控制指令計算和通訊資源即可，該類域控稱為集成型域控。在功能域基礎上，為進一步降低成本和增強協同，出現了跨域融合，即將多個域融合到一起，由跨域控制單元進行控制，域控制器仍為最高決策層。比如動力域和底盤域它們負責了整車的橫向、眾向和垂直方向的控制，在智能化車輛尤其是自動駕駛車輛有大量的功能交叉和協同控制，并且在安全架構方面具有相似的需求，可以融合成整車域控，在功能層面、軟件層面和硬件層面的設計更優(yōu)，但對研發(fā)能力提出了更高層次的要求。

域集中電子電氣架構在商用車上應用具有如下優(yōu)點：精簡電子系統(tǒng)布局，節(jié)省空間，利于裝配；提高智能化水平，信息集中化處理，提高行駛安全；減少ECU 數量，降低生產成本；提高車輛診斷維修效率，安全防護性能高[6]。相比過去由上百個ECU 組成的汽車電氣系統(tǒng)，域集中式的電子電氣架構的域處理器數量減少至個位數，更加精簡的新架構可以實現整車級空中升級（OTA）、車路協同以及更強的信息安全防護。

域集中EEA 已在國外主流商用車上得到量產應用，國內主機廠處于研發(fā)布局階段，預計2025 年開始逐步應用。BENs-ACTORS 重卡的電子電氣架構采用集成化網關結構，并且該車的整車控制器（VCU）也具備網關功能，各個控制器和網關之間可以實現信息交換[7]；一汽解放智能駕駛商用車以建設基于域控制器的電子電氣架構為未來發(fā)展目標；東風商用車正在布局域集中電子電氣架構，規(guī)劃在未來的新平臺及自動駕駛車輛上實現平臺統(tǒng)一。

乘用車在域控架構的布局相對更早，也提出了多種域控架構的形式。例如，大眾全新MEB 平臺采用的E3 電子電氣架構主要分為3 個ICAS 域控系統(tǒng)[8]。車輛控制服務器ICAS1（In Car application Server1，ICAS1）主要是車內應用服務，依靠網關進行傳遞的ECU，包括車身控制、電動系統(tǒng)、高壓驅動系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)、燈具系統(tǒng)等；智能駕駛服務器ICAS2（In Car application Server2，ICAS2）支持高級自動駕駛功能；信息娛樂服務器ICAS3（In Car application Server3，ICAS3）是娛樂系統(tǒng)的域控制器，集成了導航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、抬頭顯示、智能座艙等系統(tǒng)的算法和硬件。又如，華為提出的CC 架構將汽車分為智能座艙CDC（Cockpit Super Core，CDC）、整車控制VDC（Vehicle Dynamics Control，VDC）、智能駕駛MDC（Mobile Data Center，MDC）3 個區(qū)域，資源與功能解耦，共享資源池，支持軟件在線升級、硬件在線更換、傳感器可拓展，以達到軟件定義汽車的目標。

1.3 車輛集中電子電氣架構

隨著功能域的深度融合，域集中電子電氣架構將升級為車輛集中電子電氣架構（圖3），中央計算平臺成為整車的最高決策模塊（通過區(qū)域控制器）統(tǒng)一對采集數據進行處理并指揮相關執(zhí)行機構進行操作。車輛集中EEA 被公認是EEA 發(fā)展的終極方向，相較過去它具備顯著的技術先進性，如表2 所示。

表2 分布式和車輛集中架構技術對比

圖3 車輛集中電子電氣架構

車輛集中EEA 還有個顯著特點是功能域跨入位置域（如中域、左域、右域等），區(qū)域控制器平臺是整車計算系統(tǒng)中某個局部的感知、數據處理、控制與執(zhí)行單元。它負責連接車上某一個區(qū)域內的傳感器、執(zhí)行器以及ECU 等，并負責該位置域內的傳感器數據的初步計算和處理，還負責本區(qū)域內的網絡協議轉換。除了考慮位置因素外，還需注意：離散（簡單）邏輯和非時間敏感功能適合整合為區(qū)域控制器，反之不適合。例如電源分配、車身控制、熱管理和空調管理等適合整合；發(fā)動機管理、電機控制、車輛穩(wěn)定性控制等不適合整合。位置域實現就近布置線束，降低成本，減少通信接口，更易于實現線束的自動化組裝從而提高效率。傳感器、執(zhí)行器等就近接入到附近的區(qū)域控制器中，能更好實現硬件擴展，區(qū)域控制器的結構管理更容易。區(qū)域接入+中央計算保證了整車架構的穩(wěn)定性和功能的擴展性，新增的外部部件可以基于區(qū)域網關接入，硬件的可插拔設計支持算力不斷提升，充足的算力支持應用軟件在中央計算平臺迭代升級，應用SOA 技術實現真正意義上的“軟件定義汽車”。

車輛集中電子電氣架構可實現最大化的軟硬解耦，但由于芯片/計算平臺、操作系統(tǒng)、軟件算法等核心技術門檻高，現階段同時具備上述能力的傳統(tǒng)OEM、Tier1、科技企業(yè)等公司較少，所以國內商用車暫無應用，乘用車大部分仍處于預研狀態(tài)，小部分實現量產。該架構行業(yè)中應用最成功的車企當屬特斯拉，它的Model 3 采用中央計算（CCM 中央計算模塊）+區(qū)域控制器（前車身、左車身、右車身）的E/E 架構，各控制器通過以太網和CAN/LIN 總線環(huán)狀鏈接，支持實現功能冗余等安全需求。豐田公司采用中央計算單元+區(qū)域控制器的集中化架構（Central &Zone Concept），突出了集中化中央計算機的作用，滿足應對復雜的系統(tǒng)級別需求[9]。全新一代的MAN-TGX 重卡車型的車載互聯系統(tǒng)配備中央計算機，這不僅使得MAN-TGX 在分析處理、管理控制等方面更加高效，而且提高了整車傳感器的交互性能。

1.4 發(fā)展趨勢預測

總體來看，電子電氣架構由分布式向域集中式升級，最終發(fā)展為車輛集中電子電氣架構。控制器由模塊化控制器過渡至域集中控制器，并進一步實現域融合，最后融合為車載電腦，應用云計算技術最終形成車—云計算式控制器[10]。對國內商用車而言，域集中（域融合）電子電氣架構在未來5～10 年將處于主導地位，如表3 所示。

表3 電子電氣架構應用現狀及未來預測

2 關鍵技術布局建議

通過對各類電子電氣架構的技術特性進行分析可知，智能網聯汽車對未來E/E 架構的技術需求包括高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網絡安全性、軟件持續(xù)升級更新能力等多方面[11]。為實現E/E架構升級，結合行業(yè)國內外發(fā)展現狀及架構技術需求分析，提出了幾項關鍵技術點的布局建議：域控制器、以太網、功能安全。

2.1 域控制器

域控制器作為域集中EEA 最重要的技術特征，是整車運算決策的中心。它的功能實現主要依賴主控芯片、軟件操作系統(tǒng)和中間件、應用算法等多層次的軟硬件有機結合。

（1）主控芯片：目前多采用異構多核（AI 單元、計算單元、控制單元）的SOC 芯片，向“CPU+XPU”異構升級。異構多核域控制器方案可兼容多接口和算力要求，實現系統(tǒng)冗余。

（2）軟件操作系統(tǒng)和中間件：包含系統(tǒng)內核、基礎軟件和中間件等，負責對硬件資源合理調配，保證各項智能化功能有序進行。

（3）應用算法：算法模型不斷迭代是OTA 升級、功能優(yōu)化和盈利模式創(chuàng)新的核心。

五大功能域的技術特征如表4 所示。

表4 電子電氣架構應用現狀及未來預測

2.2 以太網

智能化的發(fā)展帶動了汽車數據內容和傳輸速度呈指數增長，傳統(tǒng)的總線如CAN、LIN、FlexRay、MOST等均無法滿足低延時、高帶寬的需求[12]。車載以太網在帶寬、開放性、可擴展性、物理層傳輸介質成本等方面都有明顯優(yōu)勢，它為車輛駕駛輔助、智能網聯通信、高清信息娛樂及診斷的高帶寬、低延遲的數據傳輸帶來了可能[13]。

以下為車載以太網的具體優(yōu)點：

（1）高帶寬：遠高于CAN 總線的帶寬，在滿足整車電磁兼容要求的前提下可達到100 Mbps 和1000 Mbps。

（2）低時延：應用精準時間同步、時間觸發(fā)式等技術實現低時延特性，滿足自動駕駛數據、車輛控制指令等高實時性需求。

（3）輕量化和低成本：根據Broadcom 和博世調查數據，達到同等性能條件下，通過使用非屏蔽雙絞線的以太網電纜和更小的緊湊型連接器，連接成本最多可降低80%，線纜重量最多可減輕30%[14]。

（4）多應用場景：開放的標準、豐富的上層協議，可滿足診斷刷寫、主動安全、影音娛樂等應用場景，具備極強的擴展性。

表5 是主流車載通訊技術的技術對比。

表5 車載通訊技術對比

2.3 功能安全

由于電子電氣系統(tǒng)原因而引發(fā)的安全問題日益突出，功能安全的概念也被各方提及，成為汽車行業(yè)開發(fā)新趨勢。功能安全，即通過安全功能、安全機制和安全措施來避免不可容許的功能風險的技術總稱。目前，功能安全技術已有多項國內外法規(guī)強制性要求，上升至國家戰(zhàn)略層面，也是產品競爭力的重點體現。

參考ISO 26262 和GB/T 34590，功能安全開發(fā)主要分為三大塊內容（圖4）：

圖4 功能安全開發(fā)內容及流程

（1）功能安全管理：功能安全開發(fā)體系建設和應用。

（2）概念階段：定義功能的實現方式，對功能進行危害和風險分析，制定功能安全目標和系統(tǒng)要素的安全要求（FSR）。

（3）產品開發(fā)：系統(tǒng)、軟件、硬件層級的技術安全要求（TSR）和安全機制方案開發(fā)，以及功能安全確認、評估及測試。

表6 是功能安全技術布局實施的建議。

表6 功能安全布局步驟

3 結語

智能網聯汽車的快速發(fā)展催生電子電氣架構換代變革，反過來，電子電氣架構的升級也支撐了汽車新五化的發(fā)展。本文結合國內外行業(yè)應用情況對電子電氣架構及相關技術的演變進行了預測，商用車下一代平臺將會應用域集中電子電氣架構，同時也指出了域控制器、以太網、功能安全等關鍵技術是這一代架構布局的關鍵。