前言

我國汽車保有量正保持逐年遞加的趨勢，汽車行業(yè)內(nèi)的競爭壓力正在逐漸增大，消費(fèi)者對(duì)汽車的選擇也不僅僅局限于空間、動(dòng)力和油耗等傳統(tǒng)汽車的性能，汽車的智能化程度成為吸引消費(fèi)者的重要因素。

如今，隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的發(fā)展，汽車電子設(shè)備的數(shù)量正處于指數(shù)級(jí)增長的態(tài)勢。汽車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以使汽車成本降低、性能提升、效率提高。

本文將簡要介紹汽車電子電氣架構(gòu)的演變和發(fā)展，總結(jié)近年來主流汽車電子電氣架構(gòu)在智能汽車中的應(yīng)用，為汽車產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界在智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的四化發(fā)展中構(gòu)建汽車電子電氣架構(gòu)提供參考。

1 汽車電子電氣架構(gòu)基礎(chǔ)

1.1 汽車電子電氣架構(gòu)概述

汽車電子電氣架構(gòu)為車輛底層框架打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。如今的汽車底盤架構(gòu)不僅僅是機(jī)械架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能和其它智能化功能整車上需要安裝大量的感應(yīng)器、傳感器以及控制器，還需要大量線束將它們連接起來。汽車電子電氣架構(gòu)的重要性就顯現(xiàn)出來了，汽車電子電氣架構(gòu)將汽車上的各類傳感器、感應(yīng)器、控制器和線束硬件和汽車上的軟件有機(jī)結(jié)合起來，使車輛的架構(gòu)達(dá)到簡化的同時(shí)，還能夠提高運(yùn)行效率。汽車電子電氣架構(gòu)會(huì)隨著汽車功能的增多而隨之演變。

汽車電子電氣架構(gòu)的開發(fā)包括需求定義、邏輯功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件/服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)不同層面的開發(fā)。這些開發(fā)組成了汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)的完整流程，需要多個(gè)部門的配合才能完成。通過這一完整開發(fā)流程，汽車整體的效率地得到了提升，布線的減少降低了造車的成本，車輛功能增多的同時(shí)保證了整車電子系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展

1.2.1 電子電氣架構(gòu)演變

汽車剛剛問世的時(shí)候，汽車上面的電子元器件數(shù)量不多，還沒有汽車電子電氣架構(gòu)這一概念。直到上世紀(jì)五十年代，汽車開始初步形成簡易的電子電氣架構(gòu)。經(jīng)過四五十年的發(fā)展，汽車上各種音頻、視頻以及其他一些電子元器件先后出現(xiàn)，汽車電子電氣架構(gòu)開始初具規(guī)模。直到2000年發(fā)布了新的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議以及相關(guān)法律法規(guī)，汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展上了新臺(tái)階。

博世的電子電氣架構(gòu)發(fā)展如圖1所示，清晰的展示了汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展歷程。從1970年左右的分布式電子電氣架構(gòu)發(fā)展至今，集成化融合化發(fā)展已成為趨勢。傳統(tǒng)分布式架構(gòu)是每個(gè)需求功能都需要一個(gè)ECU，隨著人們需求的增多，汽車上ECU的數(shù)量達(dá)到了100個(gè)以上。分

布式架構(gòu)造成大量冗余，整車復(fù)用性低，使造車成本大大增加，不能適應(yīng)發(fā)展需要。經(jīng)過功能集成化、集中化發(fā)展，發(fā)展到了如今應(yīng)用最廣泛的域集中式電子電氣架構(gòu)，將整車劃分為了幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域一個(gè)域中心控制器，也就是行業(yè)認(rèn)可的域控制器。通過域控制器來實(shí)現(xiàn)輔助駕駛、車身控制以及汽車娛樂功能的局部集中化處理，減少了冗余，提高了效率。未來汽車電子電氣架構(gòu)還會(huì)向車輛集中控制電子電氣架構(gòu)發(fā)展。



圖1 電子電氣架構(gòu)演變

1.2.2 域控制器

在汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展的過程中，域控制器是不得不被提及的。當(dāng)前智能汽車上電子元件的數(shù)量增長非常顯著，僅僅依靠ECU已經(jīng)不能滿足目前發(fā)展的需要。域控制器搭建了分布式汽車電子電氣架構(gòu)向集成式汽車電子電氣架構(gòu)的橋梁。

汽車電子按“域”劃分，傳統(tǒng)上這些域之間無論是機(jī)械、電氣還是控制上都是相互獨(dú)立的，如今這些域之間有了更多的交互。華南理工大學(xué)提出基于模型的面向L4自動(dòng)駕駛級(jí)別，面向服務(wù)且具有協(xié)同計(jì)算能力的電子電氣架構(gòu)。采用域控制器集中式架構(gòu)，將電子電氣架構(gòu)分為5個(gè)域，分別是車身控制域、智能駕駛域

1、智能駕駛域

2、信息娛樂域和新能源域

由以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)域控制器之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)信息共享。高級(jí)輔助駕駛(Advanced Driver Assistance Sys?tem，ADAS)功能與車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能的出現(xiàn)衍生出新的系統(tǒng)，比如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和駕駛員/行人安全系統(tǒng)、人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等。

當(dāng)前，域控制器與傳感器還有各個(gè)功能執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)集需要提前設(shè)定好。為保證自動(dòng)駕駛過程的穩(wěn)定性，電子電氣架構(gòu)在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該設(shè)定好汽車有幾個(gè)域，每個(gè)域的工作模式還有各個(gè)域之間的連接器跟傳感器的方式。根據(jù)域控制器功能的不同，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所不同，如圖2所示。



圖2 基于功能和中央網(wǎng)關(guān)的域控制器

隨著時(shí)代的發(fā)展，未來的汽車上面各個(gè)域的聯(lián)系必定會(huì)更加密切，例如底盤域和動(dòng)力總成域、動(dòng)力總成域和駕駛輔助域之間的聯(lián)系也會(huì)更加密切。

2 通信系統(tǒng)

2.1 總線系統(tǒng)

汽車電子電氣架構(gòu)各個(gè)硬件間的信息傳遞需要依靠通信系統(tǒng)。在當(dāng)代汽車架構(gòu)中存在許多通信協(xié)議和通信技術(shù)，主要通信技術(shù)有5種：局域互聯(lián)網(wǎng)（Local Interconnect Network，LIN）、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）、FlexRay總線、面向多媒體的系統(tǒng)傳輸（Media Oriented System Transport，MOST）、低電壓差分信號(hào)（Low-Voltage Differential Sig?naling，LVDS）。前4種是專門為汽車設(shè)計(jì)使用的，其主要特性如表1所示。 表1 各類總線特性表



目前，汽車上運(yùn)用最廣泛的仍然是基于CAN總線的車載總線系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）汽車中各電子部件通過CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，極大地提高了各電子部件獲取信息的能力；

（2）CAN總線采用“多主方式”的媒體訪問機(jī)制，總線中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立、互不干擾，即使某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，總線仍舊能正常工作，并且各節(jié)點(diǎn)公平享有主線使用權(quán)利；

（3）CAN總線采用雙線差分電壓的方式進(jìn)行通信，且具備消息自動(dòng)重發(fā)、CRC校驗(yàn)、應(yīng)答機(jī)制，總線通信的安全性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有保障；

（4）CAN總線的最大通信速率為1 Mbit/s，通信速率比較高，實(shí)時(shí)性好；

（5）構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，僅通過屏蔽雙絞線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就能達(dá)到較好的抗電磁干擾效果，成本低廉。

CAN的上述優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)前汽車上運(yùn)用最廣泛的車載總線，但是隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車上智能駕駛等級(jí)不斷提高，汽車上電子元器件數(shù)量呈指數(shù)級(jí)上升，導(dǎo)致車輛上傳遞的報(bào)文數(shù)量越來越多，信息交換的次數(shù)大大增加，車載總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率增大，電子元器件之間的信息傳遞不穩(wěn)定。CAN總線的不可預(yù)測性、傳輸速度慢和傳輸距離有限的缺點(diǎn)會(huì)在汽車通信網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載時(shí)導(dǎo)致無法預(yù)測的問題，使行駛安全性得不到保障。

CAN總線在未來很長一段時(shí)間依然是最主要的車載通信網(wǎng)絡(luò)，但是需要對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的問題進(jìn)一步研究，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)、算法優(yōu)化，提高CAN總線的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，也不能僅僅局限于CAN總線，一些標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、技術(shù)組織一直在推出各自的確定性網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，例如工業(yè)上廣泛運(yùn)用的工業(yè)以太網(wǎng)、時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）、DetNet和時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time-triggered Ethernet，TTE）。

2.2 車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活方式帶來了很大的進(jìn)步，從以太網(wǎng)的發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)過去了大約半個(gè)世紀(jì)，以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟。2013年寶馬公司在X5型號(hào)汽車上首次搭載車載以太網(wǎng)，邁開了車載以太網(wǎng)的第一步。車載以太網(wǎng)相較于總線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）高帶寬、傳輸距離遠(yuǎn)； （2）支持多種協(xié)議和功能； （3）適應(yīng)未來發(fā)展趨勢； （4）無線功能。

由Bosch的車載通信網(wǎng)絡(luò)圖可以發(fā)現(xiàn)目前車載網(wǎng)絡(luò)的模式依然是CAN總線為主(圖3)，車載以太網(wǎng)為輔。車載以太網(wǎng)在未來的智能汽車上重要性會(huì)不斷提高。



圖3 車載通信網(wǎng)絡(luò)

車載以太網(wǎng)的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻，雖然各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織正積極推動(dòng)其發(fā)展，但是各類標(biāo)準(zhǔn)的完善和落地還需時(shí)間。其次，當(dāng)前推進(jìn)車載以太網(wǎng)的配套開發(fā)工具、測試設(shè)備的力度依然不足。最后，車載以太網(wǎng)的使用必定會(huì)給汽車的信息安全保障帶來挑戰(zhàn)，這也是未來開發(fā)人員需要考慮的問題。

羅峰等已經(jīng)提出一種車載網(wǎng)關(guān)防火墻保護(hù)車輛的CAN/FD和以太網(wǎng)總線。未來，CAN/FD和以太網(wǎng)將成為車輛的骨干網(wǎng)絡(luò)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)將通過這2個(gè)總線傳輸，因此，CAN/FD和以太網(wǎng)將更容易受到攻擊者的攻擊。車載網(wǎng)關(guān)是車輛的數(shù)據(jù)中心，它將CAN/FD與以太網(wǎng)連接在一起。

3 主流電子電氣架構(gòu)

汽車電子電氣架構(gòu)正處于由分布式發(fā)展到集中式的過渡階段，這是電子電氣架構(gòu)發(fā)展的趨勢。各個(gè)廠家各自設(shè)計(jì)開發(fā)的電子電氣架構(gòu)雖說都具有其特點(diǎn)，但也都是由分布式到集中式架構(gòu)發(fā)展而不斷優(yōu)化的。本節(jié)就根據(jù)設(shè)計(jì)理念的不同來介紹幾個(gè)廠家的電子電氣架構(gòu)。

3.1 基于功能域控制器集中化的架構(gòu)

博世作為整車Tier1供應(yīng)商的重要代表，提出了未來智能汽車電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)方向。從最開始的第1代模塊化架構(gòu)經(jīng)過集成化、中心化在經(jīng)過模塊間的融合，再到形成行車電腦，將所有的域控制器融合到一個(gè)行車電腦上，最終發(fā)展到將每一臺(tái)汽車都連入車聯(lián)網(wǎng)，汽車不需要安裝行車電腦，所有的計(jì)算都將由云服務(wù)來完成，減少了整車的制造成本，提高了使用效率。

現(xiàn)在正處于第4階段到第5階段的過渡時(shí)期，在這一階段還是處于優(yōu)化多域控制器的階段。 聯(lián)合電子設(shè)想未來汽車電子電氣架構(gòu)分為3層，如圖4所示。聯(lián)合汽車電子設(shè)計(jì)的未來汽車電子電氣架構(gòu)也是基于功能域控制器集中化的架構(gòu)。上層是云計(jì)算，這是未來汽車發(fā)展大趨勢。中間層為計(jì)算與控制層，底層是標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行器和傳感器。計(jì)算與控制層是設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)中關(guān)鍵的一層，是連接云服務(wù)平臺(tái)和各個(gè)執(zhí)行器傳感器之間的橋梁。



圖4 未來汽車電子電氣架構(gòu)

3.2 基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算的架構(gòu)

豐田公司的中央/地方概念的電子電氣架構(gòu)是在車身模型上面進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的。這樣設(shè)計(jì)的汽車電子電氣架構(gòu)雖說本質(zhì)上與其他廠家設(shè)計(jì)是一致的，這一架構(gòu)突出了集中化中央計(jì)算的作用，也正是當(dāng)前研發(fā)創(chuàng)新的重點(diǎn)方向。新一代的中央/地方架構(gòu)有如下特點(diǎn)。

（1）動(dòng)力上可最大限度地減少區(qū)域線路；

（2）網(wǎng)絡(luò)僅是局部變化，如通訊矩陣，也大大減少區(qū)域線路；

（3）安裝只需為附加ECU留出空間；

（4）邏輯上只需改變中央ECU的軟件。

特斯拉實(shí)現(xiàn)了“軟件定義汽車”，使汽車加速向移動(dòng)的智能終端進(jìn)化。2021年，特斯拉成為了全球車企中市值最高的車企，作為一個(gè)出世不久的品牌憑借幾款純電動(dòng)汽車就達(dá)到了如此高度，最為關(guān)鍵的就是特斯拉主打賣點(diǎn)：智能化。特斯拉汽車的電子電氣架構(gòu)有其獨(dú)到之處，從最早的Model S上的已經(jīng)有了較為明顯的域劃分概念再到Model X開始出現(xiàn)跨網(wǎng)段特征，有比較明顯的多域控制器MDC趨勢，到如今最火爆的車型Model 3上實(shí)現(xiàn)向多域控制器階段的轉(zhuǎn)變，特斯拉的電子電氣架構(gòu)達(dá)到了其它車企還未達(dá)到的高集成度。

3.3 基于環(huán)形主干網(wǎng)和多計(jì)算中心架構(gòu)

安波福的智能汽車架構(gòu)（Smart Vehicle Architec?ture，SVA）白皮書中提到SVA開發(fā)設(shè)計(jì)的3項(xiàng)基本原則。

（1）降低復(fù)雜性。通過簡化車輛內(nèi)的硬件和軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了當(dāng)前啟用各種功能所需的許多不同ECU之間的相互依賴性；

（2）統(tǒng)一不同的應(yīng)用程序。SVA將來自車輛多個(gè)不同領(lǐng)域的軟件結(jié)合在一起，以解鎖新功能并改進(jìn)生命周期管理；

（3）授權(quán)給原始設(shè)備制造商。SVA使原始設(shè)備制造商擁有完全控制相關(guān)主要軟件的能力（如定義車輛用戶體驗(yàn)的軟件），并隨著時(shí)間的推移能夠不斷地增強(qiáng)其功能。

通過這3項(xiàng)基本原則來實(shí)現(xiàn)將軟件從硬件中分離的目的，并實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)器計(jì)算的功能。

在SVA中，傳感器的信息獲取和處理位于車輛的乘客艙的中央，而不是分布在車輛的周圍（圖5）。這有助于降低系統(tǒng)總成本以及傳感器組件的成本，進(jìn)而降低與傳感器相關(guān)、小事故相關(guān)的成本，從而降低保險(xiǎn)成本。



圖5 智能汽車架構(gòu)

華為也在汽車電子電氣架構(gòu)這一領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。他們提出的CC架構(gòu)如圖6所示，將汽車分為了3個(gè)區(qū)域。相比一般的汽車電子電氣架構(gòu)域的劃分，這種劃分集成度更高，通過分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將3大區(qū)域連接。CC架構(gòu)支持軟、硬件的升級(jí)，是未來汽車上不可或缺的功能。



圖6 華為CC架構(gòu)

4 結(jié)束語

汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)汽車向智能汽車過渡的階段，汽車電子電氣架構(gòu)也正處于分布式向集中式過渡的時(shí)期。從汽車廠家的發(fā)展方向可以看出，現(xiàn)在用戶對(duì)于汽車的追求已經(jīng)不再滿足于動(dòng)力性、駕駛平順性、燃油經(jīng)濟(jì)性等傳統(tǒng)汽車性能。各個(gè)廠家研發(fā)設(shè)計(jì)的汽車電子電氣架構(gòu)在結(jié)構(gòu)上雖有些區(qū)別，但是發(fā)展的趨勢是相同的。未來汽車必定是聚焦智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化方向發(fā)展，隨著汽車上電子元件數(shù)量的增多，汽車電子電氣架構(gòu)的重要性顯得越發(fā)重要。

審核編輯：劉清