汽车电子电气架构的演进

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    发表于:03月24日 15:48  浏览量: 352  来源: 未知
摘要:当前软件和电子电器正在驱动汽车朝着电动化、网联化和智能化这三个趋势加速发展,也使得百年历史的汽车行业方方面面都正经历一个前所未有的变革与重塑。深刻认识这些变革背后的本质将有助于我们准确的把握下一个十年最大的产业变革机会给我们带来的机遇。


1 什么是电子电气架构


所谓汽车电子电气架构(Electrical/Electronic Architecture, EEA)是集合了汽车的电子电气系统原理设计、中央电器盒设计、连接器设计、电子电气分配系统等设计为一体的整车电子电气解决方案的概念,由德尔福(DELPHI)首先提出。具体就是在功能需求、法规和设计要求等特定约束下,通过对功能、性能、成本和装配等各方面进行分析,将动力总成、传动系统、信息娱乐系统等信息转化为实际的电源分配的物理布局、信号网络、数据网络、诊断、电源管理等电子电气解决方案。
EEA这一概念不仅在汽车行业中存在,也在航空飞行器、工业自动化等其他行业的控制系统中有广泛使用。EEA的开发通常包含需求和逻辑功能定义、软件架构设计、硬件架构设计和线束设计等层面的开发活动。

2 汽车电子电气架构面临的挑战
上世纪80年代,随着IT技术的初步兴起,在当时以机械为主宰的汽车行业掀起了一场汽车电子电气化革命。“电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)”迅猛发展,从防抱死制动系统、四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统,逐渐延伸到了车身安全、网络、娱乐和传感控制等系统,成为了汽车的重要组成部分。

ECU通常用简单的MCU芯片来实现,每个ECU通常只负责控制一个单一的功能单元,各个ECU之间通过CAN(Controller Area Network,控制器域网络)总线或者LIN(Local Interconnect Network,局部互联网络)总线连接在一起,通过厂商预先定义好的通信协议交换信息。因此这个时期的汽车电子电气架构也称为“分布式EEA”。在今天软件定义汽车和汽车智能化、网联化的发展趋势下,这种基于ECU的分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。


  • 总线的线束长度与重量问题:随着汽车功能的日益增加,每辆汽车搭载的ECU数量也逐年增加。据统计,近些年生产的汽车中平均每辆车搭载的ECU数量可达30个左右,而一些高端的车型这一数量甚至会超过100个。ECU数量越多,总线的线束长度必将更长,相应地总线的线束重量也必将大大增加。2000年奔驰S级轿车的电子系统已经拥有80个ECU,1900条总长度达4km的通信总线。2007年上市的奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度则已经突破6km,总重量超过70kg,基本是位列发动机之后的全车第二重的部件。


  • 整个系统复杂度超过极限:ECU数量剧增之后,整车的电子电气系统硬件复杂度和响应的软件复杂度大大超过极限,从而导致整个系统缺乏“灵活性(Flexibility)”和“可扩展性(Scalability)”。比如,在这样复杂的系统中,增加一项新功能往往会引起整个系统中好多个环节的软硬件变更。这极大地制约了汽车智能化和网联化的发展速度。


  • 通信带宽瓶颈:汽车不断增加的传感器数量,也使得车载内部网络通信的数据量呈几何级数激增。以单个传感器的数据传输量测算,ADAS系统的雷达和摄像头各自产生的数据量都超过了100Mbyte/s。以一台配备有五个雷达传感器和两个摄像头传感器的汽车为例,在采集和存储期间,需要管理大约1GByte/s的海量数据。因此,传统的FlexRay、LIN和CAN低速总线等已经无法提供所需的高带宽通信能力。


  • 软硬件紧耦合:无法支撑软件定义汽车的趋势。每个ECU都与某个具体功能紧紧绑定在一起,无法实现横跨多个ECU/传感器的复杂功能,也无法通过OTA来持续更新汽车上的软件系统。在软件定义汽车的时代,持续的整车在线升级OTA和模块之间互相通讯融合变得异常重要,显然ECU之间的信息孤岛问题会严重制约和阻碍这一趋势。


上述这些问题和挑战,在汽车三化的发展背景下是质量、成本和时间的天敌;要解决这一问题,最有效的办法就是将多个分散的小传感器集成为功能更强的单个传感器,将多个分散的ECU按照功能域划分,集成到一个运算能力更强大的域控制器(Domain Control Unit, DCU)中。这一思想直接开启了汽车电子电气架构从“分布式 => (跨)域集中式 => 中央+区域集中式”的升级和进化序幕。

3 汽车电子电气架构的演进趋势
博世(BOSCH)对未来汽车电子电气架构演进趋势的划分是目前业界普遍接受的一种划分方法。如下图1-1所示:

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图1-1 博世对未来汽车电子电气架构发展趋势的观点
今天我们正处于从过去的分布式EE架构迈向域集中式EE架构的转变过程中,预计到2025年左右就会完成这一转变。从2025年以后,将开启跨域的融合时代,也就是转变为“中央+区域”(Central & Zonal)计算的EE架构时代。


3.1 分布式EEA


在分布式EEA下,ECU通常都是特定于某个功能的,因此整车ECU数量很多。此时,ECU之间的通信能力是非常受限的,一般是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线来在需要协同的ECU之间进行点对点的通信。
此时,域内部的各个ECU之间通过本域的局部网络来进行协同合作。各域之间的网络一般是互相独立的,也即域和域之间的通信功能非常有限,只是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线进行垮域通信。
首先,对数量众多的ECU开启模块化整合。将功能类似的ECU整合成一个模块,这也是“功能域(Function Domain)”的前身。
另外,汽车中央网关的加入使得功能模块之间数据通信变得更为容易。网关通过整合不同总线和网络的数据进行跨总线数据交换,比如:CAN、LIN、FlexRay和MOST等。汽车中央网关承担不同总线类型之间的协议转换工作,并参与各网段网络管理;根据实际需求路由信号和消息控制路由时序。从而实现不同模块和功能之间通讯。如下图1-2所示。

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随着ECU模块化的深入,出现了集成度更高、性能更强的ECU,原本多个功能单一的ECU进而融合成单个功能更强大的ECU。如图1-3所示:

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3.2 域集中式EEA


随着模块化程度和ECU功能集成度的更进一步提高,就出现了“功能域(Function Domain)”的概念,功能域的出现是“域集中式EEA(Domain Centralized EEA)”的标志。从软、硬件架构上来看,域集中式EEA最直观的表现就是有了“域控制器(Domain Control Unit,DCU)”来作为整个功能域的核心。所谓域控制器是指域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等几部分组成的整个系统的统称。
域主控处理器(Domain Host Processor)又是域控制器的大脑核心,通常由一个集成度更高、性能更强的处理器来担任。它一方面也具备网关的协议转换功能,负责域局部的不同总线间的协议数据转换;另一方面由于它有更强的计算能力,因此它也会将本域中的其他ECU或者传感器所感知的信息都进行汇总处理和计算,再把结果发回给不同的执行器进行执行。如下图1-4所示:

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在基于域控制器的域集中式EEA中,传感器、ECU与功能特性不再是一对一的关系,也就意味着传感器与数据处理被分离开来。这点变化带来了诸多好处,包括:1)集中式管理起来比较容易;2)更高的集成度可以减少ECU的数量,平台的可扩展性也会更好;3)在更强大的域主控处理器上可以运行更复杂的传感器融合算法,使得实现跨多个传感器的复杂功能成为可能。
对于功能域的具体划分,各汽车主机厂家会根据自身的设计理念差异而划分成几个不同的域。比如BOSCH划分为5个域:动力域(Power Train)、底盘域(Chassis)、车身域(Body/Comfort)、座舱域(Cockpit/Infotainment)、自动驾驶域(ADAS)。这也就是最常见的五域集中式EEA
伴随着域主控处理器性能的进一步增强,对主处理器需求比较类似的多个不同功能域可以进一步融合成一个功能域,也即融合成“跨域集中式EE架构”。大众MEB平台则划分为三个域:自动驾驶域、智能座舱域和车身控制域。华为对域的划分也跟大众MEB类似。这种三域集中式EEA可以理解为在5域集中式架构进一步融合的结果。也就是把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域。如下图1-5所示:

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三域集中式EEA涉及的域控制器主要有4类,车控域控制器(VDC,Vehicle Domain Controller)、智能驾驶域控制器(ADC,ADAS/AD Domain Controller)、智能座舱域控制器(CDC,Cockpit Domain Controller)以及若干高性能网关,其中:


  • VDC:负责整车控制,实时性安全性要求高;

  • ADC:负责自动驾驶相关感知、规划、决策相关功能的实现;

  • CDC:负责HMI交互和智能座舱相关(甚至整合T-Box)功能的实现;


目前业界实行三域EE架构的有:


  • 大众的MEB平台的E3架构:即由3个车辆应用服务器(In-Car Application Server,简称ICAS)组成的域集中式EEA,具体包括:车辆控制服务器ICAS1、智能驾驶服务器ICAS2和信息娱乐服务器ICAS3。基于E3架构的首款量产车型是2021年10月发布的ID3。如图1-6所示。




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图1-6 大众MEB平台E3架构


  • 华为的“计算+通信”架构(CC架构):也是由VDC、ADC、CDC和网关等部件组成。华为将ADC叫做MDC(大名鼎鼎的“移动数据中心”,Mobile Data Center)。如下图1-8所示。



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图1-8 华为的计算+通信EEA


3.3 中央+区域EEA


随着功能域的深度融合后,功能域(Function Domain)的概念将逐渐消失,域主控处理器演变为更加通用的计算平台,这就是车载“中央+区域(Central & Zonal)EEA”,也称为“中央集中式EEA(Vehicle Centralized EEA)”,或者“区域EEA(Zonal EEA)”,如下图1-9所示。


  • 车载中央计算机(Vehicle Central Computer,VCC):多个VCC组成一个异构服务器集群,作为一个通用计算平台(General Computing Platform,GCP),提供整车所需的计算、存储、通信和管理能力。因此,车载VCC平台可以被看作是一个缩微版的数据中心服务器集群。


  • 区域控制器平台(Zonal Control Unit,ZCU):每个区域又会有一个区域计算机Zonal Control Unit (ZCU), 注意:这里的区域是指地理上的区域概念。ZCU是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接“整车中地理意义上某一个区域内”的传感器、执行器以及ECU等,并负责本区域内的传感器数据的初步计算和处理,它本身也具有网关的协议转换功能(因此也称为Zonal Gateway),负责本区域内的网络协议转换。注意:这里的中央计算平台和区域计算平台都是功能域无关(Function Domain Independent)的通用计算平台,因此区域计算平台通常会支持各种常见的连接接口类型。


  • 两级通信网络:TSN以太网作为整车通信的主干网基础设施,要具备高带宽和实时通信,同时保证可靠性和fail-operational特性;而在区域内,ZCU与ECU之间、ZCU与传感器之间的通信仍然采用CAN/CANFD/FlexRay/LIN/10BaseT1s等中低速网络。


  • 分级供电网络:一级配电网络(也就是骨干供电网络)有双电源保证供电冗余,它将电源输送到区域控制器ZCU节点。二级配电网络,由区域控制器负责将电力继续向下输送到底层控制器,因此区域控制器需要具备power distribution功能,以及eFuse(电子熔丝)等功能;


总而言之,分布式EEA是“计算的分布式,供电的集中式”;而中央+区域EEA就是“供电的分布式,计算的集中式”,正好反过来。Zonal EEA不仅能将计算资源集中,便于软硬件分离;也给整车各个控制器的电源管理带来很多想象力。而ZCU作为分级通信和分级供电的区域节点都在整个体系中扮演了非常关键的角色。

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汽车整体而言是个封闭保守的行业,大部分传统主机厂和Tier 1供应商对新技术的采纳和接受都比较缓慢。业界普遍认为从现在到2025年之前,大部分传统汽车主机厂都将处于域集中式EEA的持续演变过程中。2025年之后,“中央+区域 EEA”将有望成为汽车的终极电子电气架构。特斯拉是在全球汽车行业中率先采用Zonal EEA的,其它整车主机厂以及Tier 1 OEM厂商也都纷纷跟进,开始定义自己下一代的Zonal EEA。因此2025年之后,Zonal EEA有望成为整个汽车行业的主流EE架构。


3.3.1 特斯拉Zonal EEA


但是像特斯拉这样新兴电动车厂商因为没有任何历史包袱,因此特斯拉在定义Model Y车型(2020年上市)的EE架构时,一步到位,跳过“域集中式EE架构”,直接进化到“中央+区域EEA”。特斯拉Model Y的EE架构只有三大部分:


  • 中央计算模块(Central Computing Module, CCM)

  • 左车身控制模块(BCM LH: Body Control Module, Left Half)

  • 右车身控制模块(BCM RH: Body Control Module, Right Half)


其中,中央计算模块直接整合了驾驶辅助系统(ADAS)和座舱信息娱乐(Cockpit and IVI)两大域,以及外部连接和车内通信系统域功能(中央网关和防火墙等)。左右车身控制模块分别负责剩下的“车身与舒适系统(Body and Comfort)”、“底盘与安全(Chassis and Safety)系统”和“汽车动力系统(Vehicle Dynamics)”的三大功能;当然本身也作为一个通信的网关节点。

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图1-10 Tesla Model Y的Zonal EEA
特斯拉在全球范围内率先开启了汽车OTA应用的浪潮。特斯拉不仅可以透过OTA将软件升级包发送车载通讯单元,更新车载信息娱乐系统内的地图和应用程序以及其他软件,还可以直接将软件补丁程序传送到相应的电子控制单元(ECU),实现对控制操作层面的软件升级。这是很多传统主机厂和Tier 1厂商因为其老旧的汽车EE架构而无法媲美的(他们通常只能实现车载娱乐信息系统的在线更新和升级)。


3.3.2 丰田的Zonal EEA


丰田也正在积极推进从其当前基于域的EE架构演变为下一代“中央+区域”的EE架构。在丰田看来,Zonal EEA有这样一些有点:1)可以通过ECU集成来减少ECU数量,从而降低BOM成本;2)通过区域控制器ZCU来降低通信网络线束和供电网络线束的长度与重量,降低线束设计复杂度,提高产线自动化程度;3)减少了ECU数量和线束长度,也可以腾出更多空间,为后续迭代预留空间;4)软件上,使用基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR的SOA架构,实现便捷的软件迭代和功能的可扩展性。

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3.3.3 沃尔沃的Zonal EEA


沃尔沃的Zonal EEA包括Core System和Mechatronic Rim,如下图1-12所示。不过沃尔沃将ZCU划入了Core System中了,它称为VIU(Vehicle Integration Unit),每个VIU对应一个整车区域的感知、控制与执行。VCU(Vehicle Computation Unit)对应车载中央计算机,提供整车智能化所需的算力与数据存储。

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图1-12 沃尔沃的Zonal EEA


3.3.4 安波福的Zonal EEA概念


安波福(Aptiv)的智能汽车架构SVA定义了一个统一的供电和高速通信骨干网络,这是整车架构最基础的基础设施。连接到这一骨干网络的SAV组件有:


  • 安全连接网关(Secure Connected Gateway):SCG是从外部对SVA架构进行控制的主控网关节点。它实现像包括从外部对汽车进行唤醒这样的功能,以及通过无线或者5G跟云端或者路侧的边缘计算节点进行连接的功能。


  • 开放服务器平台(Open Server Platform):也即对应着Zonal EEA中的VCC服务器集群平台。在开放服务器平台中,我们会运行各种软件应用,比如:自动驾驶软件和算法,智能座舱应用等。开放服务器平台,可以对应用按需分配计算资源,并提供必要的冗余以保证应用的可靠性。


  • Power Data Center(PDC):PDC也就是Zonal EEA中的区域控制器ZCU。它作为一个通用的“Docking Station”,有两个作用:1)区域的通信与控制主节点,连接区域内的传感器和外设等,充当区域内低速网络与主干网络之间的通信网关;2)作为分级供电的节点,将供电主干网的电力分配给区域内的传感器和外设等。PDC的数量可以从两个到六个之间变化,根据不同的车型来选择不同的配置。


SVA架构将可以有效地降低汽车全生命周期各个环节的成本,包括:开发、制造和售后维护等。并且能很好支撑汽车制造商通过OTA来持续对汽车上的软件进行升级和维护。

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图1-13 安波福的Zonal EEA — SVA架构


3.3.5 伟世通的Zonal EEA概念


伟世通的区域EEA概念与其它厂家类似。整个系统可以被看作是“服务器集群+边缘计算区域网络”组成的分布式计算与通信环境。


  • 采用汽车以太网TSN作为通信主干网基础设施,保证通信的高带宽、通信的实时确定性和可靠性。


  • Super Core就是车载中央计算平台,甚至可能是刀片服务器,服务器集群是可伸缩的。


  • 传感器和执行器都连接到区域网关(也就是ZCU)。根据车型区域网关的数量可以从2个到6个之间变化。



整车的供电网络也是一个分级的供电体系。主干供电网络采用双电池冗余备份策略,ZCU作为从主干网到区域网的电源分配节点,负责将电力继续向下输送到区域内的ECU、传感器和控制器等。因此区域控制器也需要具备高级power distribution功能,以及eFuse(电子熔丝)等功能;基于这一套供电体系,可以实现更加智能的电源管理,比如:根据各区域的负载不同来优化节电策略。

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图1-14 伟世通的Zonal EEA概念

4 小结
总结一下Zonal EEA相对于分布式EEA和域集中式EEA有这样一些硬件上的优点:


减少线束用量:Zonal EEA可以大大简化线束拓扑的设计复杂度,减少线束使用的长度和重量。博世曾经建立过理论模型,对不设置区域控制器和设置了区域控制器的线束长度进行对比。研究结果显示,所有外围ECU、传感器和执行器直连到车载中央计算机,线束只多不少线束拓扑非常不合理;只有设置了相应的区控制器,线束拓扑才得以简化,线束密度也大大降低。因此,Zonal EEA说能够降低线束长度,减少线束质量,是有理论支撑的。使用了Zonal EEA的Model Y车型号称可以将线束使用量降低到100米以内。


  • 制造与装配:线束复杂度和长度减少了,装配就简化了,也能大大提高产线的自动化水平,提高制造能力。


  • 安装空间:节省了汽车内部的安装空间。


  • 系统更具弹性:Zonal EEA使得整车更具有灵活性和伸缩性。当增加新的用户功能特性时,不需要额外增加传感器和执行器,也不会需要增加新的配电需求。


Zonal EEA也非常有利于对整车的硬件系统做统一的抽象。有了一致统一的硬件抽象层后,才能将硬件和软件解耦分离,这一点在IT行业和手机行业是非常自然的一个思想,也正因此才造就这两个行业今天各种先进的软硬件技术。我们完全可以相信很多IT行业已经发展多年的成熟软件技术一定会被借鉴到汽车行业中来,比如:互联网服务器端的面向服务架构(SOA)软件设计思想。


  • 持续的OTA软件升级:赋能主机厂更好的实现软件定义汽车,彻底改变传统汽车商业模式。传统上当用户购买一辆汽车后,对于主机厂而言,它与这位用户的商务关系已经结束了,而现在恰恰相反,这对主机厂和用户之间仅仅只是一个起始点。主机厂可以容易、便捷的为已经销售出去的汽车增加新的功能特性,汽车质量问题的召回维修可能就仅仅只需要推送一次软件升级就可以了。


  • 更优的传感器数据融合:在Zonal EE架构下,由于ECU/传感器等不再与某个具体的功能特性紧密关联和绑定,因此我们可以在中央计算平台上设计和运行更复杂更优化的传感器数据融合算法,这点对更高的自动驾驶等级而言是至关重要的。


  • 更复杂的功能特性:应用的业务逻辑可以集中到车载中央计算平台上来实现,这样更容易实现跨多个传感器/执行器的复杂功能特性。


传统的分布式EEA,车辆本质上是一台机电一体化的机械载具,要想汽车变成一台四个轮子上的手机那样真正的智能设备,首先需要实现中央集中式EEA,然后基于统一的硬件抽象模型,实现软件的SOA架构和基于服务的通信,才能达到终极目标。汽车电子电气架构发展以及相应的软件架构变化将是一个长期的、渐进式的演进过程。它将对整个汽车行业的芯片、软硬件技术、生产制造和售后维护等产生深远的影响,因此也必将重塑整个汽车产业的供应链格局。


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