葉日良，姜立標

汽車電子電氣架構設計中的控制器融合分析

葉日良，姜立標

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，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，對電子電氣架構的設計提出了更高的要求。文章綜述了汽車電子電氣架構的開發(fā)流程和發(fā)展趨勢，并為架構設計中的控制器融合提供了分析方法和參考案例；應用結果表明，該分析方法可有效提高電子電氣架構設計的效率。

汽車；電子電氣架構；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、電動化、共享化的“新四化”發(fā)展趨勢。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的支撐。電子電氣架構設計也逐漸成為國內外各大汽車廠商研究的一個熱門領域。電子電氣架構設計主要包含功能分配、整車電源模式設計、總線網(wǎng)絡架構、通信信號設計以及整車線束拓撲設計等內容，它是所有電器部件的上層開發(fā)和頂層設計,規(guī)定了各電氣系統(tǒng)之間的關聯(lián)和兼容性[1]。

1 電子電氣架構開發(fā)流程

在電子電氣架構正向開發(fā)流程中，一般由利益相關者根據(jù)場景的分析提出功能性和非功能性的需求；利益相關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注車輛的性能、安全性、成本、開發(fā)可實現(xiàn)性、維修便利性等指標。

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行子功能的定義，將所有功能性和非功能性的需求轉化為一個個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被分配到各個控制器中，由各個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,導致了架構設計的差異，也決定了控制器數(shù)量多少，并影響總線網(wǎng)絡拓撲的形態(tài)。因此，電氣架構設計面臨的真正挑戰(zhàn)是如何進行功能分配，并進行概要設計和整體把控[2]。

圖1 電子電氣架構開發(fā)流程

2 電子電氣架構發(fā)展趨勢

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；以自動駕駛為例，隨著輔助駕駛自動化級別的提升，車輛需要布置的傳感器越來越多，相應的控制邏輯也越來越復雜。

圖2 電子電氣架構發(fā)展趨勢

面對電器功能的增加，電子電氣架構也在不斷地發(fā)展；傳統(tǒng)的架構設計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；例如，對于座椅的控制，就會有相應的座椅模塊控制器對座椅進行位置調節(jié)、加熱通風等控制；對于新增加的功能，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中往往存在許多功能相對簡單、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，架構設計逐步向集成式的方向發(fā)展；集成式的架構是通過對整車功能的梳理，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行功能實現(xiàn)；例如，對于車燈、雨刮等車身相關附件的控制，會集中在車身控制器（BCM）中進行統(tǒng)一控制；近年來，這種集成式的架構快速發(fā)展，出現(xiàn)了“域”控制器甚至中央計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算單元具有極高的算力，融合了復雜的整車功能，可以應對汽車“新四化”的發(fā)展需求；綜上，汽車電子電氣架構的演變過程如圖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發(fā)展的趨勢；而如何在架構設計中，考慮功能地集中和控制器的融合，已逐漸成為整車設計廠（OEM）關注的重要課題之一。

3 控制器融合分析

當前電子電氣架構的典型特征是將整個體系結構分為不同的域，如車身域、底盤域、動力域，信息娛樂域等，每個域對一部分控制器進行整合，這些控制器通過共享總線系統(tǒng)進行通信[4]；對于域內的控制器能否進行融合，甚至進行跨域控制器的整合，以下為幾個關鍵的考慮因素：

3.1 控制器功能的相關性

這是考慮控制器融合的首要驅動力；將功能相關的控制器進行融合，往往可以復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雜性

架構設計的另一項重要內容就是通信系統(tǒng)和通信信號的設計；在進行控制器融合分析時，需要關注控制器之間信號交互的接口；如果融合之后可以減少通信信號量，就便于后續(xù)通信網(wǎng)絡的設計，同時也能減少線束連接，從而減輕整車重量，實現(xiàn)輕量化。

圖3 控制器信號交互與控制器融合

3.3 架構設計的靈活性

在談到架構設計時，我們往往希望能夠用一套架構方案去指導多款車型的開發(fā)，從而實現(xiàn)車型的快速迭代開發(fā)和市場投放；因此，所設計的架構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、甚至跨平臺車型的功能性及非功能性需求，從而保證架構方案的靈活性。

3.4 產(chǎn)品的可實現(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，從可實現(xiàn)性的角度看，在進行控制器融合分析時，需考慮融合后的方案是否成熟，是否有相應的供應商資源以及成本是否可以接受等等可實現(xiàn)性相關的內容。

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設計中是一項復雜的系統(tǒng)性工作，需進行綜合評估。

4 案例：Tbox與網(wǎng)關控制器融合分析

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)關控制器。Tbox的主要特點是控制器中含有4G或5G通信模塊，可以實現(xiàn)車輛與后臺的數(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，如遠程控制車輛、車輛狀態(tài)查詢等；網(wǎng)關控制器的主要特點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，可以實現(xiàn)車內總線信號的轉發(fā)和路由。目前，對于是否將Tbox和網(wǎng)關控制器進行融合，行業(yè)內都有相關的探索；下面，就結合上述的考慮因素并對其加以細化設計，建立一套分析控制器融合的評價方法，并利用該評價方法，對Tbox和網(wǎng)關控制器是否融合的兩套方案進行對比分析。

4.1 方案說明

方案一：Tbox和網(wǎng)關控制器不融合，為單獨控制器的分布式方案；

方案二：將Tbox和網(wǎng)關進行融合，為集成式地融合方案。

表1 方案說明

4.2 評價維度及說明

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。此項可由架構系統(tǒng)工程師進行評估。

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行數(shù)據(jù)交換，那么就需要在控制器中設立相應的通信通道。此項可由總線工程師進行評估。

4.2.3通信復雜性

交互復雜性與功能分配密歇相關，軟件模塊之間的邏輯接口越多，交互越復雜；在總線通信層面，可以用總線的負載率進行衡量。此項也可由總線工程師進行評估。

4.2.4靜態(tài)電流

靜態(tài)電流水平是整車性能的一項重要指標；整車靜態(tài)電流過高會增加蓄電池發(fā)生饋電的風險。在進行控制器融合分析時，要識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周期性的喚醒并工作；如遙控鑰匙功能，其控制器會周期性的喚醒來尋找周邊的鑰匙，這些功能會影響控制器融合后的整體靜態(tài)電流水平。此項可由測試工程師進行評估。

4.2.5技術開發(fā)復雜性

如果對控制器進行了融合，意味著在一個控制器中需要實現(xiàn)比以前更多的功能；因此，在控制器硬件上需要更強的算力，在軟件上需要使用新的技術，如虛擬化Hypervisor等；同時，也需要進行更嚴格的測試來保證功能在這個新的控制器中能夠很好的運行。此項可由軟硬件開發(fā)人員進行評估。

4.2.6可實現(xiàn)性

除了在技術上需要評估方案是否成熟，還需要考慮現(xiàn)有的供應商資源和能力，以及開發(fā)所需的成本和周期；此項可由產(chǎn)品工程師結合市場調研分析后進行評估。

4.3 計分方法

為了更直觀地對控制器融合方案進行對比，可以對每一個評價維度用0-5進行計分，并參考維度說明進行打分，得分越高，代表越優(yōu)；0分表示不相關或暫時無法評價。

4.4 計分結果

通過架構工程師、總線工程師、產(chǎn)品工程師及測試工程師多人參與后，對方案一和方案二進行了綜合打分，計分結果如下：

表2 方案計分結果

4.5 計分結果說明

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。

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

③ 通信復雜性：隨著車聯(lián)網(wǎng)服務的豐富，車內車外需要交互的數(shù)據(jù)量越來越大；例如，很多整車設計廠（OEM）會將越來越多的駕駛數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳后臺進行大數(shù)據(jù)分析，也會通過后臺使用OTA技術，對車輛進行遠程升級；如果采用方案一，在Tbox和網(wǎng)關控制器之間需要開發(fā)高速通信總線。

④ 技術開發(fā)復雜性：對于方案二，在一個控制器中既要設計對外的4G或5G通信，又要開發(fā)車內高速總線通信；同時，為了保護車輛的信息和安全，需要進行防火墻的開發(fā)，并確保車內通信的實時性要求。因此，方案二的技術更復雜，開發(fā)難度更高。

⑤ 可實現(xiàn)性：基于方案二較高的開發(fā)難度，在國內，同時掌握Tbox和網(wǎng)關控制器核心能力的供應商資源相當有限，也缺少量產(chǎn)的實績。因此，就可實現(xiàn)性而言，方案一更優(yōu)。

⑥ 靜態(tài)電流：靜態(tài)電流的大小，與供應商軟硬件設計強相關；在架構設計階段，如已有其他車型相關控制器數(shù)據(jù)，可以進行評估，此處，暫不考慮。

相應的雷達圖如下：

圖4 方案結果雷達圖

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

當然，上述Tbox和網(wǎng)關控制器的融合分析，僅是相對簡單的一個例子，在實際架構設計中，還會面臨許多更復雜、更具挑戰(zhàn)性的問題，例如在進行跨域融合分析時，往往會出現(xiàn)多套控制器融合的方案，需要評價的維度也更多；因此，可以在參考上述分析方法的基礎上，結合整車設計廠（OEM）自身的實際情況對評價維度及計分方法進一步優(yōu)化。例如：針對所關心的要點，設計更多的評價維度，并盡可能對指標進行量化；在做方案選擇時，可以對各評分項目計算總分，也可以對每項評價指標設定相應的權重，再進行加權匯總，并同時考慮是否存在一些“一票否決”的維度。

5 結論

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，也對電子電氣架構的設計提出了新的挑戰(zhàn)；本文為架構設計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)相關設計和分析提供思路借鑒，從而提高架構設計的整體效率和效果。

[1] 蔣映中,吳澤民,馮超等.乘用車整車電氣系統(tǒng)開發(fā)的新趨勢及實現(xiàn)方式[A].中國汽車工程學會.2013中國汽車工程學會年會論文集[C].中國汽車工程學會:中國汽車工程學會,2013:5.

[2] 胡朝峰.面向功能的電子電器架構分析方法[J].汽車電器,2018 (003):13-14.

[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,龔進峰,戎輝,等.基于模型的智能汽車電子電氣架構發(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，華南理工大學研究生在讀，研究方向：汽車架構和汽車總線。