葉日良，姜立標(biāo)

汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制器融合分析

葉日良，姜立標(biāo)

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，整車電器功能愈加豐富，對(duì)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。文章綜述了汽車電子電氣架構(gòu)的開發(fā)流程和發(fā)展趨勢(shì)，并為架構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制器融合提供了分析方法和參考案例；應(yīng)用結(jié)果表明，該分析方法可有效提高電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

汽車；電子電氣架構(gòu)；控制器融合

前言

近年來，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化的“新四化”發(fā)展趨勢(shì)。汽車的“新四化”離不開電子電器功能的增加和電子電氣架構(gòu)的支撐。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含功能分配、整車電源模式設(shè)計(jì)、總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信信號(hào)設(shè)計(jì)以及整車線束拓?fù)湓O(shè)計(jì)等內(nèi)容，它是所有電器部件的上層開發(fā)和頂層設(shè)計(jì),規(guī)定了各電氣系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和兼容性[1]。

1 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程

在電子電氣架構(gòu)正向開發(fā)流程中，一般由利益相關(guān)者根據(jù)場(chǎng)景的分析提出功能性和非功能性的需求；利益相關(guān)者不僅包括終端用戶、產(chǎn)品企劃部門，也包含工程開發(fā)人員、成本工程師和售后維修人員等；功能性的需求主要指所開發(fā)車輛需要實(shí)現(xiàn)的功能，例如是否能提供駕駛輔助、是否有聯(lián)網(wǎng)功能等；非功能性需求主要關(guān)注車輛的性能、安全性、成本、開發(fā)可實(shí)現(xiàn)性、維修便利性等指標(biāo)。

在明確了功能性和非功能性需求的約束之后，需站在電氣的角度進(jìn)行子功能的定義，將所有功能性和非功能性的需求轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)電氣邏輯單元或軟件模塊；這些電氣邏輯單元或軟件模塊會(huì)被分配到各個(gè)控制器中，由各個(gè)控制器配合完成整車電器功能，即所謂的功能分配。不同的功能分配方案,導(dǎo)致了架構(gòu)設(shè)計(jì)的差異，也決定了控制器數(shù)量多少，并影響總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男螒B(tài)。因此，電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的真正挑戰(zhàn)是如何進(jìn)行功能分配，并進(jìn)行概要設(shè)計(jì)和整體把控[2]。

圖1 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程

2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

近年來，隨著汽車“新四化”的發(fā)展，整車電子電器功能逐漸增多；以自動(dòng)駕駛為例，隨著輔助駕駛自動(dòng)化級(jí)別的提升，車輛需要布置的傳感器越來越多，相應(yīng)的控制邏輯也越來越復(fù)雜。

圖2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

面對(duì)電器功能的增加，電子電氣架構(gòu)也在不斷地發(fā)展；傳統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)往往采用分布式的方案，即使用模塊化的控制器來搭建架構(gòu)；例如，對(duì)于座椅的控制，就會(huì)有相應(yīng)的座椅模塊控制器對(duì)座椅進(jìn)行位置調(diào)節(jié)、加熱通風(fēng)等控制；對(duì)于新增加的功能，就要考慮開發(fā)新的控制器來滿足功能需求；因此，在這種分布式的架構(gòu)中往往存在許多功能相對(duì)簡(jiǎn)單、算力低的控制器；隨著電器功能的增加，以及車載控制器算力的提升，架構(gòu)設(shè)計(jì)逐步向集成式的方向發(fā)展；集成式的架構(gòu)是通過對(duì)整車功能的梳理，將屬性相似的功能集中在某些控制器中，由算力較高的控制器進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)；例如，對(duì)于車燈、雨刮等車身相關(guān)附件的控制，會(huì)集中在車身控制器（BCM）中進(jìn)行統(tǒng)一控制；近年來，這種集成式的架構(gòu)快速發(fā)展，出現(xiàn)了“域”控制器甚至中央計(jì)算單元這樣高度集成的車載控制器，這些域控制器或中央計(jì)算單元具有極高的算力，融合了復(fù)雜的整車功能，可以應(yīng)對(duì)汽車“新四化”的發(fā)展需求；綜上，汽車電子電氣架構(gòu)的演變過程如圖2所示[3]，從功能開發(fā)的角度看，功能的集中化和控制器的融合是未來架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)；而如何在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮功能地集中和控制器的融合，已逐漸成為整車設(shè)計(jì)廠（OEM）關(guān)注的重要課題之一。

3 控制器融合分析

當(dāng)前電子電氣架構(gòu)的典型特征是將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)分為不同的域，如車身域、底盤域、動(dòng)力域，信息娛樂域等，每個(gè)域?qū)σ徊糠挚刂破鬟M(jìn)行整合，這些控制器通過共享總線系統(tǒng)進(jìn)行通信[4]；對(duì)于域內(nèi)的控制器能否進(jìn)行融合，甚至進(jìn)行跨域控制器的整合，以下為幾個(gè)關(guān)鍵的考慮因素：

3.1 控制器功能的相關(guān)性

這是考慮控制器融合的首要驅(qū)動(dòng)力；將功能相關(guān)的控制器進(jìn)行融合，往往可以復(fù)用一些共同的軟件模塊，從而提高系統(tǒng)整體的開發(fā)效率。

3.2 控制器之間交互的復(fù)雜性

架構(gòu)設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容就是通信系統(tǒng)和通信信號(hào)的設(shè)計(jì)；在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)，需要關(guān)注控制器之間信號(hào)交互的接口；如果融合之后可以減少通信信號(hào)量，就便于后續(xù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也能減少線束連接，從而減輕整車重量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

圖3 控制器信號(hào)交互與控制器融合

3.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性

在談到架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往希望能夠用一套架構(gòu)方案去指導(dǎo)多款車型的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)車型的快速迭代開發(fā)和市場(chǎng)投放；因此，所設(shè)計(jì)的架構(gòu)需具有一定的靈活性和伸縮性；好的控制器融合方案一定是考慮了不同車型、甚至跨平臺(tái)車型的功能性及非功能性需求，從而保證架構(gòu)方案的靈活性。

3.4 產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)性

控制器的融合，往往意味著開發(fā)難度的增加，那么，產(chǎn)品是否具有可實(shí)現(xiàn)性就成了控制器融合方案的重要約束條件；因此，從可實(shí)現(xiàn)性的角度看，在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)，需考慮融合后的方案是否成熟，是否有相應(yīng)的供應(yīng)商資源以及成本是否可以接受等等可實(shí)現(xiàn)性相關(guān)的內(nèi)容。

從上述的分析可以看出，控制器的融合分析，需要考慮的因素有很多，而這些因素之間往往又相互影響，因此控制器的融合分析在架構(gòu)設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，需進(jìn)行綜合評(píng)估。

4 案例：Tbox與網(wǎng)關(guān)控制器融合分析

隨著智能化，網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，越來越多的車型上搭載了Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器。Tbox的主要特點(diǎn)是控制器中含有4G或5G通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)車輛與后臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，并利用這些數(shù)據(jù)開發(fā)出豐富的網(wǎng)聯(lián)功能，如遠(yuǎn)程控制車輛、車輛狀態(tài)查詢等；網(wǎng)關(guān)控制器的主要特點(diǎn)是其包含一種或多種車載總線芯片，如CAN總線芯片、以太網(wǎng)總線芯片等，可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)總線信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。目前，對(duì)于是否將Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行融合，行業(yè)內(nèi)都有相關(guān)的探索；下面，就結(jié)合上述的考慮因素并對(duì)其加以細(xì)化設(shè)計(jì)，建立一套分析控制器融合的評(píng)價(jià)方法，并利用該評(píng)價(jià)方法，對(duì)Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器是否融合的兩套方案進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 方案說明

方案一：Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器不融合，為單獨(dú)控制器的分布式方案；

方案二：將Tbox和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行融合，為集成式地融合方案。

表1 方案說明

4.2 評(píng)價(jià)維度及說明

4.2.1控制器數(shù)量

功能的集成和融合能夠減少控制器的數(shù)量；因此，控制器數(shù)量越少，表征控制器融合越徹底。此項(xiàng)可由架構(gòu)系統(tǒng)工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.2通信通道數(shù)

如果分布在不同控制器中的軟件模塊之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，那么就需要在控制器中設(shè)立相應(yīng)的通信通道。此項(xiàng)可由總線工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.3通信復(fù)雜性

交互復(fù)雜性與功能分配密歇相關(guān)，軟件模塊之間的邏輯接口越多，交互越復(fù)雜；在總線通信層面，可以用總線的負(fù)載率進(jìn)行衡量。此項(xiàng)也可由總線工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.4靜態(tài)電流

靜態(tài)電流水平是整車性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)；整車靜態(tài)電流過高會(huì)增加蓄電池發(fā)生饋電的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)，要識(shí)別出哪些功能需要一直保持工作，哪些功能在整車休眠后仍然會(huì)周期性的喚醒并工作；如遙控鑰匙功能，其控制器會(huì)周期性的喚醒來尋找周邊的鑰匙，這些功能會(huì)影響控制器融合后的整體靜態(tài)電流水平。此項(xiàng)可由測(cè)試工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.5技術(shù)開發(fā)復(fù)雜性

如果對(duì)控制器進(jìn)行了融合，意味著在一個(gè)控制器中需要實(shí)現(xiàn)比以前更多的功能；因此，在控制器硬件上需要更強(qiáng)的算力，在軟件上需要使用新的技術(shù)，如虛擬化Hypervisor等；同時(shí)，也需要進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè)試來保證功能在這個(gè)新的控制器中能夠很好的運(yùn)行。此項(xiàng)可由軟硬件開發(fā)人員進(jìn)行評(píng)估。

4.2.6可實(shí)現(xiàn)性

除了在技術(shù)上需要評(píng)估方案是否成熟，還需要考慮現(xiàn)有的供應(yīng)商資源和能力，以及開發(fā)所需的成本和周期；此項(xiàng)可由產(chǎn)品工程師結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研分析后進(jìn)行評(píng)估。

4.3 計(jì)分方法

為了更直觀地對(duì)控制器融合方案進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)維度用0-5進(jìn)行計(jì)分，并參考維度說明進(jìn)行打分，得分越高，代表越優(yōu)；0分表示不相關(guān)或暫時(shí)無法評(píng)價(jià)。

4.4 計(jì)分結(jié)果

通過架構(gòu)工程師、總線工程師、產(chǎn)品工程師及測(cè)試工程師多人參與后，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行了綜合打分，計(jì)分結(jié)果如下：

表2 方案計(jì)分結(jié)果

4.5 計(jì)分結(jié)果說明

① 控制器數(shù)量：顯而易見，方案二在控制器數(shù)量方面更占優(yōu)勢(shì)。

② 通信通道數(shù)：在方案二中，Tbox和網(wǎng)關(guān)的所有功能集中在同一個(gè)控制器中，因此，所有功能的交互在同一個(gè)控制器內(nèi)部完成，通信通道數(shù)相應(yīng)減少，融合方案更優(yōu)。

③ 通信復(fù)雜性：隨著車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的豐富，車內(nèi)車外需要交互的數(shù)據(jù)量越來越大；例如，很多整車設(shè)計(jì)廠（OEM）會(huì)將越來越多的駕駛數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，也會(huì)通過后臺(tái)使用OTA技術(shù)，對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)；如果采用方案一，在Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器之間需要開發(fā)高速通信總線。

④ 技術(shù)開發(fā)復(fù)雜性：對(duì)于方案二，在一個(gè)控制器中既要設(shè)計(jì)對(duì)外的4G或5G通信，又要開發(fā)車內(nèi)高速總線通信；同時(shí)，為了保護(hù)車輛的信息和安全，需要進(jìn)行防火墻的開發(fā)，并確保車內(nèi)通信的實(shí)時(shí)性要求。因此，方案二的技術(shù)更復(fù)雜，開發(fā)難度更高。

⑤ 可實(shí)現(xiàn)性：基于方案二較高的開發(fā)難度，在國(guó)內(nèi)，同時(shí)掌握Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器核心能力的供應(yīng)商資源相當(dāng)有限，也缺少量產(chǎn)的實(shí)績(jī)。因此，就可實(shí)現(xiàn)性而言，方案一更優(yōu)。

⑥ 靜態(tài)電流：靜態(tài)電流的大小，與供應(yīng)商軟硬件設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)；在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，如已有其他車型相關(guān)控制器數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行評(píng)估，此處，暫不考慮。

相應(yīng)的雷達(dá)圖如下：

圖4 方案結(jié)果雷達(dá)圖

從雷達(dá)圖可以很明顯地看出，Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器融合后的方案在減少控制器數(shù)量、降低交互復(fù)雜性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但是，在技術(shù)開發(fā)復(fù)雜性和可實(shí)現(xiàn)性方面具有一定的瓶頸和挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，上述Tbox和網(wǎng)關(guān)控制器的融合分析，僅是相對(duì)簡(jiǎn)單的一個(gè)例子，在實(shí)際架構(gòu)設(shè)計(jì)中，還會(huì)面臨許多更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性的問題，例如在進(jìn)行跨域融合分析時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)多套控制器融合的方案，需要評(píng)價(jià)的維度也更多；因此，可以在參考上述分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合整車設(shè)計(jì)廠（OEM）自身的實(shí)際情況對(duì)評(píng)價(jià)維度及計(jì)分方法進(jìn)一步優(yōu)化。例如：針對(duì)所關(guān)心的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)更多的評(píng)價(jià)維度，并盡可能對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化；在做方案選擇時(shí)，可以對(duì)各評(píng)分項(xiàng)目計(jì)算總分，也可以對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，再進(jìn)行加權(quán)匯總，并同時(shí)考慮是否存在一些“一票否決”的維度。

5 結(jié)論

綜上所述，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展不僅帶來了電器功能的快速迭代，也對(duì)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)；本文為架構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制器融合提供了分析方法和參考案例，希望能為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)和分析提供思路借鑒，從而提高架構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效率和效果。

[1] 蔣映中,吳澤民,馮超等.乘用車整車電氣系統(tǒng)開發(fā)的新趨勢(shì)及實(shí)現(xiàn)方式[A].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2013中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì):中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì),2013:5.

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[3] Navale V M,Kyle W,Athanassios L,et al.(R)evolution of E/E Archite -ctures[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems,2015.8(2):282-287.

[4] 華一丁,龔進(jìn)峰,戎輝,等.基于模型的智能汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展綜述[J].汽車零部件,2019,128(02):63-66.

An Analysis Method for ECU Fusion in E/E Architecture

Ye Riliang, Jiang Libiao

（School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510641）

With the development of automated driving and connectivity, the electrical functions of vehicle are more and more abundant, which places the design of electronic and electrical architecture (E/E architecture) a higher position. This paper summarizes the development process and the trend of E/E architecture, and provides an analysis method for ECU (Electronic Control Unit) fusion; The results show that the analysis method can effectively improve the efficiency of E/E architecture design.

Automobile; Electronic/electric architecture;ECU fusion

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.063

U463.6

A

1671-7988(2021)06-197-04

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1671-7988(2021)06-197-04

葉日良，華南理工大學(xué)研究生在讀，研究方向：汽車架構(gòu)和汽車總線。