智能網聯汽車電氣系統架構設計與優化

摘 要：隨著汽車功能的日益豐富，傳統的電子電氣（EE）架構正面臨前所未有的挑戰。這種形勢推動了整車電子電氣架構的不斷進化，從分布式向集中式轉變，從面向信號的軟件架構向面向服務的軟件架構升級，以及從控制局域網絡（CAN）、局域互聯網絡（LIN）總線向車載以太網通信架構的遷移。智能網聯汽車作為汽車工業的未來發展方向，其電氣系統的設計面臨著諸多挑戰。文章將探討智能網聯汽車電氣系統的現狀、面臨的挑戰，并概述其演進路線及具體技術方案。同時，結合電子電氣架構的發展趨勢，分析架構設計應遵循的核心原則，并從需求分析、仿真驗證、可靠性設計和性價比優化等多個維度討論架構的優化策略，旨在為智能網聯汽車電氣系統的未來發展提供有價值的參考。

關鍵詞：智能網聯汽車 電氣系統 架構設計

隨著信息技術和人工智能的不斷進步，汽車行業正經歷一場前所未有的變革[1]。這場變革以智能化、網聯化、電動化及共享化為顯著特征，徹底改變了我們對汽車的認知和使用方式。在智能化方面，先進的傳感器與算法使車輛能夠實現自主導航、自動駕駛等功能，極大地提高了行車安全性和效率。同時，智能語音識別系統也讓駕駛者可以通過簡單的語音命令來控制車輛的各項功能，提供了更加便捷舒適的駕乘體驗。文章將探討汽車電子電氣架構的最新發展趨勢，并深入分析主流制造商與供應商的產品布局。智能網聯電動汽車架構不僅顯著影響車輛的性能和安全，還通過先進的傳感器技術、通信系統以及AI算法來實現信息采集、數據共享和智能決策功能，從而極大地提升了汽車的安全性、舒適度及智能化程度。

1 汽車電子電氣架構現狀及面臨的挑戰

1.1 汽車電子電氣架構現狀

電子電氣架構是汽車電子電氣系統解決方案的概念，涵蓋電源、網絡、數據和診斷管理。它整合傳感器、ECU、線束和分配系統以實現車輛功能。EEA概念在航空領域的應用尤為關鍵，它涵蓋了從需求定義到軟件與硬件設計的全過程。確保EEA系統能夠適應復雜的空中交通環境。這一步驟至關重要，因為它直接影響到后續設計和實施的有效性和安全性。進入軟件與硬件設計階段，開發團隊將根據需求定義的結果，創建詳細的設計方案。

1.1.1 總線的線束長度與重量問題

車輛內部搭載的電子控制單元（ECU）數量不斷增加[2]，目前，平均每輛汽車大約裝備了50個ECU，而一些高端車型的這一數字甚至超過了100個。這種增長趨勢直接導致了車輛總線系統的長度和重量顯著增加。例如，奔馳S級轎車配備了超過80個ECU，其總線長度達到4公里；奧迪Q7和保時捷卡宴的總線則更長，達到了6公里以上，總重量超過70公斤，這幾乎使其成為發動機之后車內第二重的部件。

1.1.2 系統復雜度超限

隨著ECU數量的急劇增加，汽車的電子電氣系統在硬件和軟件方面的復雜程度已經遠遠超過了可管理的范圍。新功能往往意味著需要增加更多的ECU，并可能引發系統中多個環節的硬件與軟件調整，從而嚴重限制了汽車行業向智能化和網絡化轉型的速度。

1.1.3 通信帶寬瓶頸

隨著汽車智能化技術的不斷進步，傳統的車載網絡系統，如CAN[3]（控制器局域網絡）、LIN（本地互聯網）和FlexRay，由于其設計的總線帶寬有限，逐漸顯得力不從心。這些傳統技術原本是為滿足車輛內部基本通信需求而設計的，但在面對現代高級駕駛輔助系統（ADAS）的龐大數據流時，它們的處理能力開始捉襟見肘。ADAS系統是現代汽車智能化的重要組成部分，它通過集成多種傳感器，如雷達和攝像頭，來實時監測車輛周圍的環境，并提供必要的安全警告或自動駕駛功能。這些傳感器產生的數據量是巨大的，有時每秒的數據生成量甚至超過了100MB[4]。這種數據量的爆炸式增長對車載網絡提出了更高的要求，尤其是在數據傳輸速度方面。由于CAN、LIN和FlexRay等傳統低速總線技術在設計之初并沒有預見到如此高的數據吞吐量需求，因此它們在處理高速大量數據傳輸時顯得力不從心。這不僅限制了ADAS[5]系統的效能發揮，也成了整個汽車行業向更高級別自動化轉型的技術瓶頸，以實現更高速度的數據傳輸和更好的網絡可靠性。這些新技術包括以太網（Ethernet）和其他高速通信協議，它們能夠提供更大的帶寬和更強的數據處理能力，更好地適應當前和未來汽車智能化的需求。

2 汽車電子電氣架構演進路線

2.1 硬件架構升級

博世公司最初提出的汽車電子電氣架構（EEA）的發展軌跡，如圖1所展示的那樣，主要劃分為三個階段：從分布式EEA開始，經過域集中式EEA，最終達到中央集中式EEA。這一發展路徑可以概括為從分布到區域整合，再到全面集中的演進過程。汽車電子架構正從分布式EEA向域集中式EEA轉變，預計2025年完成。此轉變將帶來中央+區域計算的EEA時代。域集中式EEA通過功能域控制器（DCU）集中管理，優化了傳感與執行分離。

汽車業正邁向集中式EEA新紀元，主控處理器性能顯著提升，功能域更集中。大眾MLB平臺采用模塊化設計，分ADAS、智能座艙和車身控制三大功能域，提高駕駛體驗流暢度和安全性。華為創新計算+通信架構，包含VDC、ADC、CDC等組件，通過高性能網關實現高速數據傳輸，保證數據處理速度和信息安全傳輸。廣汽“星靈”EEA整合先進Ethernet、5G技術，強調信息與功能安全，支持插電混動和純電動車型的智能化、環保出行。智能駕駛域控制器處理感知、規劃和決策；智能座艙域控制器實現人機交互功能。車身域與一級供應商及零部件廠商緊密合作，市場封閉且要求高安全標準，主要供應商包括偉世通、大陸等。智能座艙控制器芯片以SoC為主，競爭廠商有高通、英偉達等面向高端市場，恩智浦、德州儀器面向中低端市場。控制器芯片廠商及其SoC芯片信息見表1、表2。

自動駕駛域控制器主要供應商包括大陸、安波福等。核心芯片廠商及其代表SoC芯片如表3所示。

功能域融合促進了域控制器向通用計算處理平臺的轉型，構建了以中央加區域EEA為特征的架構體系。例如，特斯拉、豐田采用了區域EEA方案，而安波福和偉世通分別開發了SVA平臺及區域EEA系統。在這種中央集中式EEA模式下，車載中央計算機（VCC）構成的異構服務器群負責整車級別的計算、存儲、通信與管理任務；同時，區域控制器單元（ZCU）承擔局部環境感知、數據處理、執行控制以及傳感器數據的初步分析與網絡協議轉換工作。

2.2 通信架構升級

隨著車載系統增多，CAN總線面臨傳輸速率和帶寬不足的問題。MOST總線技術專為車內多媒體應用設計，不同車載總線技術在數據速度和成本方面存在顯著差異。傳統的CAN和LIN總線雖然成本低，但在面對日益增加的高帶寬需求時顯得力不從心。TSN技術提升以太網通信，實現高速低延時傳輸，降低成本，車載網絡總線發展進程如表4所示。

3 智能網聯汽車電氣系統架構設計原則及優化策略

3.1 架構設計原則

3.1.1 模塊化設計原則

智能網聯汽車電氣系統涉及動力、底盤、車身結構等，設計時需遵循模塊化原則，分解為獨立且協同的模塊，實現高內聚低耦合。這促進了并行開發和局部升級，提升維護效率并降低成本。

3.1.2 冗余設計原則

汽車安全至關重要，智能網聯系統故障可能導致嚴重后果。因此，電氣系統設計應遵循冗余原則，關鍵部分需增設備份，確保故障時系統穩定。如轉向多執行機構、制動獨立回路、雙電源供電、通信多余通道等，此外，定期的系統檢測與維護不可或缺。采用先進的故障診斷技術，實時監控電氣系統狀態。

3.1.3 可擴展性設計原則

智能網聯技術發展迅速，汽車電氣架構需應對頻繁升級的挑戰。設計時應遵循可擴展性原則，預留硬件和軟件接口。硬件應選擇模塊化、標準化平臺，并具備傳感器接入和芯片升級能力。軟件上，采用SOA和微服務架構，使系統可靈活組合和擴展。同時為多級通信網絡預留帶寬，滿足信息交互需求。例如，可采用域控制器與中央網關架構，利用邊緣計算處理車載數據，中央網關融合多域數據并為未來自動駕駛等智能功能留出空間。

3.2 架構優化

基于需求分析的架構優化：智能網聯汽車電氣系統的設計是一個復雜且精細的過程，它需要以實際需求為導向，不斷優化架構以滿足日益增長的技術要求。在設計時，必須深入分析L3級以上自動駕駛技術的具體需求，包括低延遲、高可靠性等關鍵指標，以確保車輛在各種復雜環境下都能表現出色。對于L4級自動駕駛而言，系統要求更加嚴苛，不僅需要極低的通信時延和強大的算力支持，還需要完善的容錯機制來保障行車安全。因此，在確定核心組件方案時，設計師必須充分考慮這些因素，選擇最合適的硬件和軟件配置，以實現最佳的性能表現。

4 結語

隨著汽車行業的蓬勃發展，電子電氣架構正經歷深刻變革，其中域控制器與中央集中式架構成為推動行業進步的關鍵因素。新能源汽車企業依靠創新技術走在前列，而芯片和信息技術行業的領軍企業也加大了投入力度，打破了傳統供應鏈模式，并與汽車制造商攜手提供集成化的解決方案。這給傳統的汽車制造商帶來了轉型的壓力，他們面臨著如何參與到產品研發和系統集成中的挑戰。智能網聯汽車的發展促進了產業的電動化、網絡化和智能化進程，既帶來了挑戰也創造了機會。政府和產業界的共同努力將促進技術創新，為中國在智能出行時代打下堅實的基礎，支持中國汽車工業實現飛躍式的進步。

參考文獻：

[1]王卿海，錢嚴.整車電子電氣架構發展思路剖析[J].汽車實用技術，2021，46（16）：198-200+209.

[2]張志賓，王建，宋廣發，等.一種通信方法、裝置、設備及存儲介質[P].中國專利：CN202010578132.8，2020-10-30.

[3]趙斌良，蔣國琛.域控制技術在新能源專用車上的應用開發與技術研究[J].專用汽車，2022（7）：52-57.

[4]BOSH. Trends of future E/E-architectures [EB/OL].（2019-03-31）[2023-12-05].https：//www.gsaglobal.org/wp-content/uploads/2019/05/Trends-of-Future-EE-Architectures.pdf.

[5]邵寧華，張慶余，王增喜，等.汽車電子電氣架構發展演進[J].科學技術創新，2020（35）：98-100.

[6]廣汽研究院.星靈架構：進化中的智能座艙[J].智能網聯汽車，2022（3）：85-87.