張 波，陳子郵，李一帆

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著汽車向“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、輕量化”不斷發(fā)展，汽車電子元件數(shù)量迅速增加，通信數(shù)據(jù)呈幾何式增長，電子電氣架構(gòu)的設(shè)計迎來了新的挑戰(zhàn)[1]。電子電氣架構(gòu)開發(fā)屬于整車電器的頂層設(shè)計，是在滿足法規(guī)要求、功能需求、標(biāo)桿目標(biāo)等前提下，通過對功能、性能、成本和裝配等各方面進(jìn)行分析，將車內(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、配電布局等電子電氣解決方案，最終目標(biāo)是使整車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，縮短樣車開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以降低汽車重量，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。

1 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

“電動化、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）電動化：汽車動力模式正在深刻變革，電動化趨勢不可逆轉(zhuǎn)。混合動力HEV 模式、插電式混合動力PHEV 模式、e-Power 模式、氫燃料技術(shù)搭載在同平臺成為需求，對電氣架構(gòu)平臺的兼容性提出要求[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)與汽車產(chǎn)業(yè)深度融合，使輔助駕駛系統(tǒng)等各項(xiàng)主被動安全、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)越來越復(fù)雜的智能化功能，必須自上而下開展正向設(shè)計電氣架構(gòu)開發(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、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、車與車、車與交通的互聯(lián)互通，在車內(nèi)必須搭載先進(jìn)的通訊設(shè)備，作為車內(nèi)交互與車外交互的橋梁。先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是高效低延時通訊的基礎(chǔ)。

（4）輕量化：輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑，同時輕量化也為客戶提供更高附加值的汽車產(chǎn)品，為客戶創(chuàng)造價值。通過正向的電氣架構(gòu)開發(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，下面對各類電子電氣架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行研究和總結(jié)。

1.1 分布式電子電氣架構(gòu)

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搭建架構(gòu)，每個ECU 通常只負(fù)責(zé)控制一個單一的功能單元，彼此獨(dú)立，分別控制著發(fā)動機(jī)、制動、車身、車機(jī)等部件，通過CAN 總線連接在一起，通過整車預(yù)先定義好的通信協(xié)議交換信息。在該架構(gòu)下，各ECU 功能集成相對較低，開發(fā)門檻低，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，滿足早期整車產(chǎn)品的快速開發(fā)。但同時，它也存在著車內(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)

為滿足市場不斷新增的功能需求以保持產(chǎn)品競爭力，該架構(gòu)的普遍做法是增加開發(fā)獨(dú)立控制器、傳感器、執(zhí)行器等來滿足額外的電子電氣系統(tǒng)需求。故越來越多的傳感器和電子控制單元添加到車輛架構(gòu)中，根據(jù)Strategy Analytics 的數(shù)據(jù)預(yù)測，各級別汽車ECU 數(shù)量增加明顯，一些高端車已經(jīng)采用超過100個ECU。由于這些特性，傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)具有大量冗余、計算能力和通訊帶寬不足、不便于軟件升級、整車復(fù)用性低、造車成本增加等諸多缺點(diǎn)，不能滿足未來汽車發(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、重汽等國內(nèi)主流的商用車均采用這樣的EE 架構(gòu)，量產(chǎn)規(guī)模大。

1.2 域集中電子電氣架構(gòu)

為滿足汽車的升級需求，功能更集中、算力更高、OTA 升級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)對比

域控制器，即將整車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，車燈、雨刮器等車身相關(guān)附件會集中在車身控制器中進(jìn)行統(tǒng)一控制[5]。在域集成的初級階段，車中一般分為5～7 個域（例如博世劃分為動力域、底盤域、車身域、座艙域、自動駕駛域五個域），域控制器即為該功能域的最高決策層。座艙域和自動駕駛域控制器對算力需求較高，處理數(shù)據(jù)能力極強(qiáng)，稱為性能型域控。動力域、底盤域和車身域控制器對算力要求不高，滿足通用的控制指令計算和通訊資源即可，該類域控稱為集成型域控。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。比如動力域和底盤域它們負(fù)責(zé)了整車的橫向、眾向和垂直方向的控制，在智能化車輛尤其是自動駕駛車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，可以融合成整車域控，在功能層面、軟件層面和硬件層面的設(shè)計更優(yōu)，但對研發(fā)能力提出了更高層次的要求。

域集中電子電氣架構(gòu)在商用車上應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)：精簡電子系統(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；提高車輛診斷維修效率，安全防護(hù)性能高[6]。相比過去由上百個ECU 組成的汽車電氣系統(tǒng)，域集中式的電子電氣架構(gòu)的域處理器數(shù)量減少至個位數(shù)，更加精簡的新架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整車級空中升級（OTA）、車路協(xié)同以及更強(qiáng)的信息安全防護(hù)。

域集中EEA 已在國外主流商用車上得到量產(chǎn)應(yīng)用，國內(nèi)主機(jī)廠處于研發(fā)布局階段，預(yù)計2025 年開始逐步應(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)，并且該車的整車控制器（VCU）也具備網(wǎng)關(guān)功能，各個控制器和網(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以建設(shè)基于域控制器的電子電氣架構(gòu)為未來發(fā)展目標(biāo)；東風(fēng)商用車正在布局域集中電子電氣架構(gòu)，規(guī)劃在未來的新平臺及自動駕駛車輛上實(shí)現(xiàn)平臺統(tǒng)一。

乘用車在域控架構(gòu)的布局相對更早，也提出了多種域控架構(gòu)的形式。例如，大眾全新MEB 平臺采用的E3 電子電氣架構(gòu)主要分為3 個ICAS 域控系統(tǒng)[8]。車輛控制服務(wù)器ICAS1（In Car application Server1，ICAS1）主要是車內(nèi)應(yīng)用服務(wù)，依靠網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳遞的ECU，包括車身控制、電動系統(tǒng)、高壓驅(qū)動系統(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）支持高級自動駕駛功能；信息娛樂服務(wù)器ICAS3（In Car application Server3，ICAS3）是娛樂系統(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)將汽車分為智能座艙CDC（Cockpit Super Core，CDC）、整車控制VDC（Vehicle Dynamics Control，VDC）、智能駕駛MDC（Mobile Data Center，MDC）3 個區(qū)域，資源與功能解耦，共享資源池，支持軟件在線升級、硬件在線更換、傳感器可拓展，以達(dá)到軟件定義汽車的目標(biāo)。

1.3 車輛集中電子電氣架構(gòu)

隨著功能域的深度融合，域集中電子電氣架構(gòu)將升級為車輛集中電子電氣架構(gòu)（圖3），中央計算平臺成為整車的最高決策模塊（通過區(qū)域控制器）統(tǒng)一對采集數(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。車輛集中EEA 被公認(rèn)是EEA 發(fā)展的終極方向，相較過去它具備顯著的技術(shù)先進(jìn)性，如表2 所示。

表2 分布式和車輛集中架構(gòu)技術(shù)對比

圖3 車輛集中電子電氣架構(gòu)

車輛集中EEA 還有個顯著特點(diǎn)是功能域跨入位置域（如中域、左域、右域等），區(qū)域控制器平臺是整車計算系統(tǒng)中某個局部的感知、數(shù)據(jù)處理、控制與執(zhí)行單元。它負(fù)責(zé)連接車上某一個區(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（簡單）邏輯和非時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、車身控制、熱管理和空調(diào)管理等適合整合；發(fā)動機(jī)管理、電機(jī)控制、車輛穩(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+中央計算保證了整車架構(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)計支持算力不斷提升，充足的算力支持應(yīng)用軟件在中央計算平臺迭代升級，應(yīng)用SOA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的“軟件定義汽車”。

車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/計算平臺、操作系統(tǒng)、軟件算法等核心技術(shù)門檻高，現(xiàn)階段同時具備上述能力的傳統(tǒng)OEM、Tier1、科技企業(yè)等公司較少，所以國內(nèi)商用車暫無應(yīng)用，乘用車大部分仍處于預(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)用最成功的車企當(dāng)屬特斯拉，它的Model 3 采用中央計算（CCM 中央計算模塊）+區(qū)域控制器（前車身、左車身、右車身）的E/E 架構(gòu)，各控制器通過以太網(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算機(jī)的作用，滿足應(yīng)對復(fù)雜的系統(tǒng)級別需求[9]。全新一代的MAN-TGX 重卡車型的車載互聯(lián)系統(tǒng)配備中央計算機(jī)，這不僅使得MAN-TGX 在分析處理、管理控制等方面更加高效，而且提高了整車傳感器的交互性能。

1.4 發(fā)展趨勢預(yù)測

總體來看，電子電氣架構(gòu)由分布式向域集中式升級，最終發(fā)展為車輛集中電子電氣架構(gòu)?？刂破饔赡K化控制器過渡至域集中控制器，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)域融合，最后融合為車載電腦，應(yīng)用云計算技術(shù)最終形成車—云計算式控制器[10]。對國內(nèi)商用車而言，域集中（域融合）電子電氣架構(gòu)在未來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)狀及未來預(yù)測

2 關(guān)鍵技術(shù)布局建議

通過對各類電子電氣架構(gòu)的技術(shù)特性進(jìn)行分析可知，智能網(wǎng)聯(lián)汽車對未來E/E 架構(gòu)的技術(shù)需求包括高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網(wǎng)絡(luò)安全性、軟件持續(xù)升級更新能力等多方面[11]。為實(shí)現(xiàn)E/E架構(gòu)升級，結(jié)合行業(yè)國內(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。

2.1 域控制器

域控制器作為域集中EEA 最重要的技術(shù)特征，是整車運(yùn)算決策的中心。它的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴主控芯片、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、計算單元、控制單元）的SOC 芯片，向“CPU+XPU”異構(gòu)升級。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、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)狀及未來預(yù)測

2.2 以太網(wǎng)

智能化的發(fā)展帶動了汽車數(shù)據(jù)內(nèi)容和傳輸速度呈指數(shù)增長，傳統(tǒng)的總線如CAN、LIN、FlexRay、MOST等均無法滿足低延時、高帶寬的需求[12]。車載以太網(wǎng)在帶寬、開放性、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，它為車輛駕駛輔助、智能網(wǎng)聯(lián)通信、高清信息娛樂及診斷的高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸帶來了可能[13]。

以下為車載以太網(wǎng)的具體優(yōu)點(diǎn)：

（1）高帶寬：遠(yuǎn)高于CAN 總線的帶寬，在滿足整車電磁兼容要求的前提下可達(dá)到100 Mbps 和1000 Mbps。

（2）低時延：應(yīng)用精準(zhǔn)時間同步、時間觸發(fā)式等技術(shù)實(shí)現(xiàn)低時延特性，滿足自動駕駛數(shù)據(jù)、車輛控制指令等高實(shí)時性需求。

（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)用場景：開放的標(biāo)準(zhǔn)、豐富的上層協(xié)議，可滿足診斷刷寫、主動安全、影音娛樂等應(yīng)用場景，具備極強(qiáng)的擴(kuò)展性。

表5 是主流車載通訊技術(shù)的技術(shù)對比。

表5 車載通訊技術(shù)對比

2.3 功能安全

由于電子電氣系統(tǒng)原因而引發(fā)的安全問題日益突出，功能安全的概念也被各方提及，成為汽車行業(yè)開發(fā)新趨勢。功能安全，即通過安全功能、安全機(jī)制和安全措施來避免不可容許的功能風(fēng)險的技術(shù)總稱。目前，功能安全技術(shù)已有多項(xiàng)國內(nèi)外法規(guī)強(qiáng)制性要求，上升至國家戰(zhàn)略層面，也是產(chǎn)品競爭力的重點(diǎn)體現(xiàn)。

參考ISO 26262 和GB/T 34590，功能安全開發(fā)主要分為三大塊內(nèi)容（圖4）：

圖4 功能安全開發(fā)內(nèi)容及流程

（1）功能安全管理：功能安全開發(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，對功能進(jìn)行危害和風(fēng)險分析，制定功能安全目標(biāo)和系統(tǒng)要素的安全要求（FSR）。

（3）產(chǎn)品開發(fā)：系統(tǒng)、軟件、硬件層級的技術(shù)安全要求（TSR）和安全機(jī)制方案開發(fā)，以及功能安全確認(rèn)、評估及測試。

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

3 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展催生電子電氣架構(gòu)換代變革，反過來，電子電氣架構(gòu)的升級也支撐了汽車新五化的發(fā)展。本文結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用情況對電子電氣架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的演變進(jìn)行了預(yù)測，商用車下一代平臺將會應(yīng)用域集中電子電氣架構(gòu)，同時也指出了域控制器、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。