張 波,陳子郵,李一帆
(東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司,廣西 柳州 545000)
隨著汽車(chē)向“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、輕量化”不斷發(fā)展,汽車(chē)電子元件數(shù)量迅速增加,通信數(shù)據(jù)呈幾何式增長(zhǎng),電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)屬于整車(chē)電器的頂層設(shè)計(jì),是在滿(mǎn)足法規(guī)要求、功能需求、標(biāo)桿目標(biāo)等前提下,通過(guò)對(duì)功能、性能、成本和裝配等各方面進(jìn)行分析,將車(chē)內(nèi)各控制系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的控制分配、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、配電布局等電子電氣解決方案,最終目標(biāo)是使整車(chē)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(gòu)設(shè)計(jì)可以避免控制器之間的功能重復(fù)或分配不合理,避免線束冗余,縮短樣車(chē)開(kāi)發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,還可以降低汽車(chē)重量,減少制造成本[2]。本文闡述電子電氣架構(gòu)的行業(yè)現(xiàn)狀,總結(jié)主流汽車(chē)電子電氣架構(gòu),提出相關(guān)建議供下一代電子電氣架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)布局參考。
“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、輕量化”的五化發(fā)展正在催生電子電氣架構(gòu)發(fā)生變革:
(1)電動(dòng)化:汽車(chē)動(dòng)力模式正在深刻變革,電動(dòng)化趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)?;旌蟿?dòng)力HEV 模式、插電式混合動(dòng)力PHEV 模式、e-Power 模式、氫燃料技術(shù)搭載在同平臺(tái)成為需求,對(duì)電氣架構(gòu)平臺(tái)的兼容性提出要求[3]。
(2)智能化:得益于互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、AI 算法、人機(jī)交互等技術(shù)與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)深度融合,使輔助駕駛系統(tǒng)等各項(xiàng)主被動(dòng)安全、智能座艙等系統(tǒng)技術(shù)普遍應(yīng)用成為可能。為實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的智能化功能,必須自上而下開(kāi)展正向設(shè)計(jì)電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)。
(3)網(wǎng)聯(lián)化、共享化:智慧交通正引領(lǐng)智慧城市的建設(shè),人、車(chē)、交通設(shè)施、社區(qū)、城市等之間的關(guān)系正在發(fā)生重大改變。為實(shí)現(xiàn)人與車(chē)、車(chē)與車(chē)、車(chē)與交通的互聯(lián)互通,在車(chē)內(nèi)必須搭載先進(jìn)的通訊設(shè)備,作為車(chē)內(nèi)交互與車(chē)外交互的橋梁。先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是高效低延時(shí)通訊的基礎(chǔ)。
(4)輕量化:輕量化是改善汽車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑,同時(shí)輕量化也為客戶(hù)提供更高附加值的汽車(chē)產(chǎn)品,為客戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。通過(guò)正向的電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā),采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),引入高速CAN/LIN、以太網(wǎng)等車(chē)載通訊方式,大大減少電線束的數(shù)量,成為輕量化的一種有效途徑。
為滿(mǎn)足上述發(fā)展需求,行業(yè)衍生出了多種電子電氣架構(gòu)。結(jié)合博世公司E/E 架構(gòu)的定義,下面對(duì)各類(lèi)電子電氣架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行研究和總結(jié)。
分布式電子電氣架構(gòu)如圖1 所示,使用模塊化的控制器來(lái)搭建架構(gòu),每個(gè)ECU 通常只負(fù)責(zé)控制一個(gè)單一的功能單元,彼此獨(dú)立,分別控制著發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)、車(chē)身、車(chē)機(jī)等部件,通過(guò)CAN 總線連接在一起,通過(guò)整車(chē)預(yù)先定義好的通信協(xié)議交換信息。在該架構(gòu)下,各ECU 功能集成相對(duì)較低,開(kāi)發(fā)門(mén)檻低,可以幫助主機(jī)廠充分利用行業(yè)成熟、現(xiàn)成的零件資源,滿(mǎn)足早期整車(chē)產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。但同時(shí),它也存在著車(chē)內(nèi)信息孤島、算力浪費(fèi)、軟硬件耦合深等固有缺陷。
圖1 分布式電子電氣架構(gòu)
為滿(mǎn)足市場(chǎng)不斷新增的功能需求以保持產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,該架構(gòu)的普遍做法是增加開(kāi)發(fā)獨(dú)立控制器、傳感器、執(zhí)行器等來(lái)滿(mǎn)足額外的電子電氣系統(tǒng)需求。故越來(lái)越多的傳感器和電子控制單元添加到車(chē)輛架構(gòu)中,根據(jù)Strategy Analytics 的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),各級(jí)別汽車(chē)ECU 數(shù)量增加明顯,一些高端車(chē)已經(jīng)采用超過(guò)100個(gè)ECU。由于這些特性,傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)具有大量冗余、計(jì)算能力和通訊帶寬不足、不便于軟件升級(jí)、整車(chē)復(fù)用性低、造車(chē)成本增加等諸多缺點(diǎn),不能滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)發(fā)展需要[4]。
分布式電子電氣架構(gòu)的技術(shù)已非常成熟,相關(guān)的零件配套資源比較豐富,東風(fēng)、解放、重汽等國(guó)內(nèi)主流的商用車(chē)均采用這樣的EE 架構(gòu),量產(chǎn)規(guī)模大。
為滿(mǎn)足汽車(chē)的升級(jí)需求,功能更集中、算力更高、OTA 升級(jí)更快的域集中電子電氣架構(gòu)由此應(yīng)運(yùn)而生,如圖2 所示。
圖2 域集中電子電氣架構(gòu)
域控架構(gòu)的升級(jí)方向主要是功能架構(gòu)、軟件架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。功能架構(gòu)從分布式集成向域集成方向發(fā)展、軟件架構(gòu)從軟硬件高度耦合向分層解耦方向發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由LIN/CAN 總線向以太網(wǎng)為主干、總線為子網(wǎng)的方向發(fā)展,如表1 所示。
表1 分布式和域集中架構(gòu)技術(shù)對(duì)比
域控制器,即將整車(chē)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(chē)燈、雨刮器等車(chē)身相關(guān)附件會(huì)集中在車(chē)身控制器中進(jìn)行統(tǒng)一控制[5]。在域集成的初級(jí)階段,車(chē)中一般分為5~7 個(gè)域(例如博世劃分為動(dòng)力域、底盤(pán)域、車(chē)身域、座艙域、自動(dòng)駕駛域五個(gè)域),域控制器即為該功能域的最高決策層。座艙域和自動(dòng)駕駛域控制器對(duì)算力需求較高,處理數(shù)據(jù)能力極強(qiáng),稱(chēng)為性能型域控。動(dòng)力域、底盤(pán)域和車(chē)身域控制器對(duì)算力要求不高,滿(mǎn)足通用的控制指令計(jì)算和通訊資源即可,該類(lèi)域控稱(chēng)為集成型域控。在功能域基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步降低成本和增強(qiáng)協(xié)同,出現(xiàn)了跨域融合,即將多個(gè)域融合到一起,由跨域控制單元進(jìn)行控制,域控制器仍為最高決策層。比如動(dòng)力域和底盤(pán)域它們負(fù)責(zé)了整車(chē)的橫向、眾向和垂直方向的控制,在智能化車(chē)輛尤其是自動(dòng)駕駛車(chē)輛有大量的功能交叉和協(xié)同控制,并且在安全架構(gòu)方面具有相似的需求,可以融合成整車(chē)域控,在功能層面、軟件層面和硬件層面的設(shè)計(jì)更優(yōu),但對(duì)研發(fā)能力提出了更高層次的要求。
域集中電子電氣架構(gòu)在商用車(chē)上應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn):精簡(jiǎn)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(shù)量,降低生產(chǎn)成本;提高車(chē)輛診斷維修效率,安全防護(hù)性能高[6]。相比過(guò)去由上百個(gè)ECU 組成的汽車(chē)電氣系統(tǒng),域集中式的電子電氣架構(gòu)的域處理器數(shù)量減少至個(gè)位數(shù),更加精簡(jiǎn)的新架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)級(jí)空中升級(jí)(OTA)、車(chē)路協(xié)同以及更強(qiáng)的信息安全防護(hù)。
域集中EEA 已在國(guó)外主流商用車(chē)上得到量產(chǎn)應(yīng)用,國(guó)內(nèi)主機(jī)廠處于研發(fā)布局階段,預(yù)計(jì)2025 年開(kāi)始逐步應(yīng)用。BENs-ACTORS 重卡的電子電氣架構(gòu)采用集成化網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu),并且該車(chē)的整車(chē)控制器(VCU)也具備網(wǎng)關(guān)功能,各個(gè)控制器和網(wǎng)關(guān)之間可以實(shí)現(xiàn)信息交換[7];一汽解放智能駕駛商用車(chē)以建設(shè)基于域控制器的電子電氣架構(gòu)為未來(lái)發(fā)展目標(biāo);東風(fēng)商用車(chē)正在布局域集中電子電氣架構(gòu),規(guī)劃在未來(lái)的新平臺(tái)及自動(dòng)駕駛車(chē)輛上實(shí)現(xiàn)平臺(tái)統(tǒng)一。
乘用車(chē)在域控架構(gòu)的布局相對(duì)更早,也提出了多種域控架構(gòu)的形式。例如,大眾全新MEB 平臺(tái)采用的E3 電子電氣架構(gòu)主要分為3 個(gè)ICAS 域控系統(tǒng)[8]。車(chē)輛控制服務(wù)器ICAS1(In Car application Server1,ICAS1)主要是車(chē)內(nèi)應(yīng)用服務(wù),依靠網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳遞的ECU,包括車(chē)身控制、電動(dòng)系統(tǒng)、高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)、燈具系統(tǒng)等;智能駕駛服務(wù)器ICAS2(In Car application Server2,ICAS2)支持高級(jí)自動(dòng)駕駛功能;信息娛樂(lè)服務(wù)器ICAS3(In Car application Server3,ICAS3)是娛樂(lè)系統(tǒng)的域控制器,集成了導(dǎo)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(gòu)將汽車(chē)分為智能座艙CDC(Cockpit Super Core,CDC)、整車(chē)控制VDC(Vehicle Dynamics Control,VDC)、智能駕駛MDC(Mobile Data Center,MDC)3 個(gè)區(qū)域,資源與功能解耦,共享資源池,支持軟件在線升級(jí)、硬件在線更換、傳感器可拓展,以達(dá)到軟件定義汽車(chē)的目標(biāo)。
隨著功能域的深度融合,域集中電子電氣架構(gòu)將升級(jí)為車(chē)輛集中電子電氣架構(gòu)(圖3),中央計(jì)算平臺(tái)成為整車(chē)的最高決策模塊(通過(guò)區(qū)域控制器)統(tǒng)一對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并指揮相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。車(chē)輛集中EEA 被公認(rèn)是EEA 發(fā)展的終極方向,相較過(guò)去它具備顯著的技術(shù)先進(jìn)性,如表2 所示。
表2 分布式和車(chē)輛集中架構(gòu)技術(shù)對(duì)比
圖3 車(chē)輛集中電子電氣架構(gòu)
車(chē)輛集中EEA 還有個(gè)顯著特點(diǎn)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(tái)是整車(chē)計(jì)算系統(tǒng)中某個(gè)局部的感知、數(shù)據(jù)處理、控制與執(zhí)行單元。它負(fù)責(zé)連接車(chē)上某一個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器、執(zhí)行器以及ECU 等,并負(fù)責(zé)該位置域內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)的初步計(jì)算和處理,還負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。除了考慮位置因素外,還需注意:離散(簡(jiǎn)單)邏輯和非時(shí)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(chē)身控制、熱管理和空調(diào)管理等適合整合;發(fā)動(dòng)機(jī)管理、電機(jī)控制、車(chē)輛穩(wěn)定性控制等不適合整合。位置域?qū)崿F(xiàn)就近布置線束,降低成本,減少通信接口,更易于實(shí)現(xiàn)線束的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)硬件擴(kuò)展,區(qū)域控制器的結(jié)構(gòu)管理更容易。區(qū)域接入+中央計(jì)算保證了整車(chē)架構(gòu)的穩(wěn)定性和功能的擴(kuò)展性,新增的外部部件可以基于區(qū)域網(wǎng)關(guān)接入,硬件的可插拔設(shè)計(jì)支持算力不斷提升,充足的算力支持應(yīng)用軟件在中央計(jì)算平臺(tái)迭代升級(jí),應(yīng)用SOA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的“軟件定義汽車(chē)”。
車(chē)輛集中電子電氣架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)最大化的軟硬解耦,但由于芯片/計(jì)算平臺(tái)、操作系統(tǒng)、軟件算法等核心技術(shù)門(mén)檻高,現(xiàn)階段同時(shí)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(guó)內(nèi)商用車(chē)暫無(wú)應(yīng)用,乘用車(chē)大部分仍處于預(yù)研狀態(tài),小部分實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。該架構(gòu)行業(yè)中應(yīng)用最成功的車(chē)企當(dāng)屬特斯拉,它的Model 3 采用中央計(jì)算(CCM 中央計(jì)算模塊)+區(qū)域控制器(前車(chē)身、左車(chē)身、右車(chē)身)的E/E 架構(gòu),各控制器通過(guò)以太網(wǎng)和CAN/LIN 總線環(huán)狀鏈接,支持實(shí)現(xiàn)功能冗余等安全需求。豐田公司采用中央計(jì)算單元+區(qū)域控制器的集中化架構(gòu)(Central &Zone Concept),突出了集中化中央計(jì)算機(jī)的作用,滿(mǎn)足應(yīng)對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)別需求[9]。全新一代的MAN-TGX 重卡車(chē)型的車(chē)載互聯(lián)系統(tǒng)配備中央計(jì)算機(jī),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(chē)傳感器的交互性能。
總體來(lái)看,電子電氣架構(gòu)由分布式向域集中式升級(jí),最終發(fā)展為車(chē)輛集中電子電氣架構(gòu)。控制器由模塊化控制器過(guò)渡至域集中控制器,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)域融合,最后融合為車(chē)載電腦,應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)最終形成車(chē)—云計(jì)算式控制器[10]。對(duì)國(guó)內(nèi)商用車(chē)而言,域集中(域融合)電子電氣架構(gòu)在未來(lái)5~10 年將處于主導(dǎo)地位,如表3 所示。
表3 電子電氣架構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)預(yù)測(cè)
通過(guò)對(duì)各類(lèi)電子電氣架構(gòu)的技術(shù)特性進(jìn)行分析可知,智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)對(duì)未來(lái)E/E 架構(gòu)的技術(shù)需求包括高計(jì)算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網(wǎng)絡(luò)安全性、軟件持續(xù)升級(jí)更新能力等多方面[11]。為實(shí)現(xiàn)E/E架構(gòu)升級(jí),結(jié)合行業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及架構(gòu)技術(shù)需求分析,提出了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的布局建議:域控制器、以太網(wǎng)、功能安全。
域控制器作為域集中EEA 最重要的技術(shù)特征,是整車(chē)運(yùn)算決策的中心。它的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)主控芯片、軟件操作系統(tǒng)和中間件、應(yīng)用算法等多層次的軟硬件有機(jī)結(jié)合。
(1)主控芯片:目前多采用異構(gòu)多核(AI 單元、計(jì)算單元、控制單元)的SOC 芯片,向“CPU+XPU”異構(gòu)升級(jí)。異構(gòu)多核域控制器方案可兼容多接口和算力要求,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余。
(2)軟件操作系統(tǒng)和中間件:包含系統(tǒng)內(nèi)核、基礎(chǔ)軟件和中間件等,負(fù)責(zé)對(duì)硬件資源合理調(diào)配,保證各項(xiàng)智能化功能有序進(jìn)行。
(3)應(yīng)用算法:算法模型不斷迭代是OTA 升級(jí)、功能優(yōu)化和盈利模式創(chuàng)新的核心。
五大功能域的技術(shù)特征如表4 所示。
表4 電子電氣架構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)預(yù)測(cè)
智能化的發(fā)展帶動(dòng)了汽車(chē)數(shù)據(jù)內(nèi)容和傳輸速度呈指數(shù)增長(zhǎng),傳統(tǒng)的總線如CAN、LIN、FlexRay、MOST等均無(wú)法滿(mǎn)足低延時(shí)、高帶寬的需求[12]。車(chē)載以太網(wǎng)在帶寬、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、物理層傳輸介質(zhì)成本等方面都有明顯優(yōu)勢(shì),它為車(chē)輛駕駛輔助、智能網(wǎng)聯(lián)通信、高清信息娛樂(lè)及診斷的高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)了可能[13]。
以下為車(chē)載以太網(wǎng)的具體優(yōu)點(diǎn):
(1)高帶寬:遠(yuǎn)高于CAN 總線的帶寬,在滿(mǎn)足整車(chē)電磁兼容要求的前提下可達(dá)到100 Mbps 和1000 Mbps。
(2)低時(shí)延:應(yīng)用精準(zhǔn)時(shí)間同步、時(shí)間觸發(fā)式等技術(shù)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延特性,滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)、車(chē)輛控制指令等高實(shí)時(shí)性需求。
(3)輕量化和低成本:根據(jù)Broadcom 和博世調(diào)查數(shù)據(jù),達(dá)到同等性能條件下,通過(guò)使用非屏蔽雙絞線的以太網(wǎng)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(yīng)用場(chǎng)景:開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、豐富的上層協(xié)議,可滿(mǎn)足診斷刷寫(xiě)、主動(dòng)安全、影音娛樂(lè)等應(yīng)用場(chǎng)景,具備極強(qiáng)的擴(kuò)展性。
表5 是主流車(chē)載通訊技術(shù)的技術(shù)對(duì)比。
表5 車(chē)載通訊技術(shù)對(duì)比
由于電子電氣系統(tǒng)原因而引發(fā)的安全問(wèn)題日益突出,功能安全的概念也被各方提及,成為汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)新趨勢(shì)。功能安全,即通過(guò)安全功能、安全機(jī)制和安全措施來(lái)避免不可容許的功能風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)總稱(chēng)。目前,功能安全技術(shù)已有多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外法規(guī)強(qiáng)制性要求,上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面,也是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)體現(xiàn)。
參考ISO 26262 和GB/T 34590,功能安全開(kāi)發(fā)主要分為三大塊內(nèi)容(圖4):
圖4 功能安全開(kāi)發(fā)內(nèi)容及流程
(1)功能安全管理:功能安全開(kāi)發(fā)體系建設(shè)和應(yīng)用。
(2)概念階段:定義功能的實(shí)現(xiàn)方式,對(duì)功能進(jìn)行危害和風(fēng)險(xiǎn)分析,制定功能安全目標(biāo)和系統(tǒng)要素的安全要求(FSR)。
(3)產(chǎn)品開(kāi)發(fā):系統(tǒng)、軟件、硬件層級(jí)的技術(shù)安全要求(TSR)和安全機(jī)制方案開(kāi)發(fā),以及功能安全確認(rèn)、評(píng)估及測(cè)試。
表6 是功能安全技術(shù)布局實(shí)施的建議。
表6 功能安全布局步驟
智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的快速發(fā)展催生電子電氣架構(gòu)換代變革,反過(guò)來(lái),電子電氣架構(gòu)的升級(jí)也支撐了汽車(chē)新五化的發(fā)展。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用情況對(duì)電子電氣架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的演變進(jìn)行了預(yù)測(cè),商用車(chē)下一代平臺(tái)將會(huì)應(yīng)用域集中電子電氣架構(gòu),同時(shí)也指出了域控制器、以太網(wǎng)、功能安全等關(guān)鍵技術(shù)是這一代架構(gòu)布局的關(guān)鍵。