隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電子電氣架構已難以滿足面向未來的車路云網(wǎng)一體化發(fā)展新需求。本文中聚焦面向未來的智能網(wǎng)聯(lián)汽車多域電子電氣架構，分別從總體設計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)4個方面對現(xiàn)有技術進行了詳細的綜述并對我國電子電氣架構的發(fā)展進行展望。本文可對汽車電子電氣架構技術研究提供重要的參考價值。
前言
隨著車輛電氣化與智能化的長足發(fā)展，汽車工業(yè)與移動計算、泛在車聯(lián)、人工智能等ICT 技術深度融合加速，引發(fā)了汽車數(shù)字化以及軟件定義汽車的新浪潮，孕育了“人-車-路-云-網(wǎng)”一體化運行的新一代智能交通系統(tǒng)，有望極大地提升未來交通系統(tǒng)的運力、能效、安全與駕乘體驗［1］ 。智能網(wǎng)聯(lián)汽車（intelligent connected vehicle， ICV）已經(jīng)成為“人-車-路-云-網(wǎng)”一體化系統(tǒng)中汽車產業(yè)升級的必然趨勢［2］ 。ICV 配備了智能感知系統(tǒng)、智能決策控制系統(tǒng)和智能執(zhí)行系統(tǒng)，與通信網(wǎng)絡、人工智能緊密結合，可實現(xiàn)車輛與多領域（車輛、道路、行人、云等）間的信息交互［3］ 。ICV 是汽車由傳統(tǒng)運輸工具向新一代智能終端的轉型的物理載體，對汽車電子電氣架構（electrical/electronic architecture，后文簡稱E/E 架構）的基礎設計理論和方法提出了新挑戰(zhàn)和新要求，催生了E/E 架構技術的新變革。E/E 架構技術作為ICV 系統(tǒng)設計技術之一，對整車軟硬件系統(tǒng)集成、功能實現(xiàn)、開發(fā)成本以及車輛綜合性能有著決定性的影響［4］ 。
汽車E/E 架構定義為實現(xiàn)整車功能的汽車電子電氣組件的組織結構及其軟硬件系統(tǒng)，強調各組件之間以及組件與整車環(huán)境之間的相互作用和相互依賴關系，以及指導設計和演變的原則。作為ICV 系統(tǒng)本身及功能構成的頂層設計，現(xiàn)有E/E 架構存在何種不足、未來E/E架構應該如何設計才能滿足ICV的未來復雜需求和適應新技術趨勢是汽車領域關注的重要問題。目前已有眾多學者對此展開了深入研究。Jiang 等［5］ 研究了E/E 架構的演變趨勢，討論了電氣化、自動駕駛和連接功能對E/E 架構的影響，提出了E/E 架構設計的指導方針、內容和實施過程。Navale 等［6］ 討論了自動駕駛和網(wǎng)絡安全等功能日益增加導致車載通信網(wǎng)絡、供電系統(tǒng)、硬件連接、安全方面的E/E架構變革以及現(xiàn)有E/E架構瓶頸，主要是通信帶寬和V2X 通信能力、不同需求靈活配置性、算力可擴展性及可行性。Bandur等［7］ 分析了傳統(tǒng)分布式架構的優(yōu)缺點，從汽車功能的可擴展性、架構通信性能、成本和功能安全等方面論述了E/E 架構由分布式向集中式演進的趨勢。Zeng等［8］ 對車載通信網(wǎng)絡架構展開研究，從系統(tǒng)成本、傳輸能力和容錯性等對LIN、CAN、FlexRay、Ethernet 和MOST 多種車載通信協(xié)議對比分析。Zhu 等［9］ 基于需求驅動分析了E/E 架構的演變過程，展示了當前先進的E/E 架構，包括網(wǎng)絡拓撲、通信標準、操作系統(tǒng)以及仿真平臺，提出基于軟件定義的分層可重構定制的E/E 架構的趨勢。崔明陽等［10］ 提出ICV的架構要從新概念車輛平臺架構和與車路云融合系統(tǒng)架構多維考慮，不僅要優(yōu)化自車架構功能，更要滿足架構共用、信息融合與控制協(xié)同的要求?？偟膩碚f，電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術快速發(fā)展與應用催生的汽車功能多元化、定制化需求是E/E 架構升級的源動力，也是當前架構設計面臨的新挑戰(zhàn)。
綜合來看，ICV的E/E架構設計技術亟須突破以下挑戰(zhàn)：（1）在總體架構設計上，現(xiàn)有基于經(jīng)驗的設計流程難以支撐全開發(fā)周期高精度設計，構建基于模型的設計理論和評估體系，以多元化需求為導向，強化架構軟硬綜合匹配、功能安全、數(shù)據(jù)安全、信息安全設計。（2）在硬件系統(tǒng)設計上，結合車輛功能設計ICV 專用智能控制器，實現(xiàn)提算力、降能耗；優(yōu)化電源系統(tǒng)與線束系統(tǒng)設計理念，降低整車成本與質量。（3）在通信系統(tǒng)設計上，現(xiàn)有通信機制難以適應暴漲的數(shù)據(jù)傳輸需求，亟須設計高帶寬、強實時、低時延抖動的車載通信機制，強化通信網(wǎng)絡的可配置性和多通信協(xié)議的可擴展性。（4）在軟件系統(tǒng)設計上，軟件功能的差異化和快速迭代將成為核心競爭力。軟件定義汽車（software defined vehicle， SDV）與基于服務（service-oriented architecture， SOA）的軟件設計理念成為系統(tǒng)軟件設計的基石，設計可解耦、可升級、易配置、高安全、個性化的軟件將成為整車企業(yè)角力的主戰(zhàn)場。上述挑戰(zhàn)形成了E/E 架構技術發(fā)展的重大需求牽引，如何引導E/E 架構技術進一步發(fā)展迭代是ICV 架構設計亟須解決的重大問題。本文在充分綜合大量國內外文獻的基礎上，從總體架構設計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)4 個角度對ICV 多域E/E 架構研究的關鍵技術進行研究分析，并展望未來發(fā)展趨勢。
1 多域電子電氣架構技術現(xiàn)狀
按照算力集中程度，本文將E/E 架構劃分為分布式架構、域集中式架構和中央集中式架構，各架構特點論述如下。
1.1 分布式架構
分布式E/E 架構主要根據(jù)汽車功能劃分為不同的控制器網(wǎng)段。每個電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設計都基于特定功能需求展開的，ECU之間主要通過CAN 總線傳遞彼此間的信息，以此來實現(xiàn)整車的功能，典型的硬件拓撲如圖1 所示。在該架構中，單一ECU 只負責單一功能的實現(xiàn)，一輛車往往分布著上百個ECU，各個ECU 不但直接驅動執(zhí)行器和傳感器，而且承擔了業(yè)務功能的復雜控制邏輯。該架構的軟硬件緊密耦合，每擴展一個功能，很大程度上就需要增加相應的ECU 和通信信號。由于ECU 擴展計算能力不足、通信帶寬較受限、功能升級困難等問題，制約架構升級、影響汽車安全性能的瓶頸效應明顯。此外，隨著ECU 部署增多，車內的線束也會隨之延長，不僅增加了整車質量和成本，同時也給整車布置及裝配帶來了很大的困擾。
圖1 分布式架構
1.2 域集中式架構
隨著高算力芯片低成本大帶寬的車載以太網(wǎng)的應用，域集中架構的出現(xiàn)逐漸擺脫了分布式架構在安全性、可擴展性等方面的困境。域集中架構的基本思路是根據(jù)功能將多個ECU 的功能進行聚類，整車只部署幾個域控制器（domain control unit， DCU）主控。典型的基于中央網(wǎng)關的域集中架構如圖2所示，該架構各DCU 負責完成各域的數(shù)據(jù)處理與功能決策，對該域下屬的傳感器與執(zhí)行器進行控制管理。域間通過中央網(wǎng)關交換所需數(shù)據(jù)，這種架構形式不僅保證了域間可以根據(jù)需求進行通信和互操作，同時也實現(xiàn)了信息安全與功能安全。
圖2 域集中式架構
與傳統(tǒng)ECU 相比，DCU 具有強大的硬件計算能力和豐富的軟件接口支持，使得更多核心功能模塊集中于DCU 內，域內算力集中，提高了系統(tǒng)功能集成度。單個ECU 的作用弱化，復雜的數(shù)據(jù)處理和控制功能被統(tǒng)一安排在DCU 中，ECU 逐步退化為DCU命令的執(zhí)行器。在通信方面，以太網(wǎng)成為域間通信的骨干網(wǎng)，通信速率得以顯著提升。得益于軟硬件解耦、接口標準化以及信訊性能升級，域集中架構是架構設計思想由信號驅動模式轉向為SOA 模式的分水嶺。在域集中架構中軟件與硬件具備分層解耦可行性，系統(tǒng)耦合度降低，軟件的遠程升級（OTA）與硬件部署更加便捷，同時標準化接口也使得傳感器與執(zhí)行器模塊無須與具體ECU 相對應，從而支持零部件標準化生產。
1.3 中央集中式架構
為進一步降低車內結構連接的復雜度，提高算力的利用率，降低器件的綜合成本，提高冗余安全性，中央集中式架構將域集中架構中的多個DCU 進一步的融合，形成一個或多個擁有算力更強的多核異構SoC 芯片以及多種操作系統(tǒng)組合的中央計算平臺（central computing platform， CCP）。車載傳感器與執(zhí)行器等不再按照功能去部署，而是按照物理位置劃分就近接入?yún)^(qū)域控制器（zonal control unit，ZCU）。中央集中架構典型的拓撲如圖3 和圖4 所示。在該架構中，各采集、執(zhí)行節(jié)點將原始數(shù)據(jù)通過ZCU 傳輸?shù)蕉鄠€或一個CCP 中處理，所有數(shù)據(jù)處理與決策都在CCP 中完成。ZCU 更多地承擔數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議轉化與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。多個ZCU 之間通過以太網(wǎng)組成環(huán)形網(wǎng)絡，進一步提高了通信冗余及可靠性。按照區(qū)域進行傳感器與執(zhí)行器的就近接入簡化了構型布置，縮短了線束長度。如圖 4 所示，架構將整車控制計算功能全部集中到一個CCP中，但是從目前的技術能力來看，圖3 所代表的多CCP 架構，從硬件設計、軟件開發(fā)以及安全冗余都比單CCP要求更低，是當前架構的主流方案。
圖3 多中央計算單元的中央集中式架構
圖4 單中央計算單元的中央集中式架構
綜合來看，E/E 架構實現(xiàn)分布式架構→域集中式架構→中央集中式架構發(fā)展帶來了以下優(yōu)勢：
（1）算力集中化，算力利用率更高。汽車在實際運行過程中，大部分時間僅部分芯片執(zhí)行計算工作，導致分散的各個獨立功能的ECU 運算處理能力處于閑置中，采用計算集中架構方式，可以在綜合情況下，最大化利用處理器算力。
（2）統(tǒng)一交互，實現(xiàn)整車功能協(xié)同。傳統(tǒng)分布式架構從執(zhí)行器、傳感器、控制器、軟件算法等都是緊耦合設計，造成跨部件跨ECU 級特性設計和開發(fā)效率低、升級困難等問題。集中式架構（后文代指域集中式架構和中央集中式架構）為軟硬件解耦提供基礎，減少ECU 數(shù)量，實現(xiàn)真正意義上的整車級特性開發(fā)，便于快速迭代和上市，大幅降低開發(fā)和升級成本。
（3）縮短整車線束長度和質量，降低故障率。傳統(tǒng)分布式ECU 造成線束較長、錯綜復雜以及導致電磁干擾，故障率較高。集中式架構實現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件區(qū)域接入，縮短線束長度、降低整車質量。
（4）為軟硬件解耦奠定基礎，支撐軟件定義汽車。分布式軟硬件緊密耦合而難以解耦，集中式架構實現(xiàn)了功能和算力的集中，為軟硬解耦、軟件分層提供了條件。（5）車輛易于平臺化，擴展性增強。集中式架構下ECU 的功能被弱化，傳感器和執(zhí)行器接口實現(xiàn)標準化和通用化，域控制器和區(qū)域控制器可根據(jù)需求調整配置以匹配不同的傳感器和執(zhí)行器方案。
2 多域電子電氣架構總體設計技術
2.1 架構總體設計的主要任務
傳統(tǒng)汽車E/E 架構設計主要是對E/E 元器件進行合理的排布以達到性能最優(yōu)、成本最低［11］ ，而多域E/E 架構不僅要滿足傳統(tǒng)目標，還須成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車軟硬件搭載的基礎設施、汽車系統(tǒng)功能與性能的支撐載體。ICV 多域E/E 架構設計的主要任務包括：
（1）根據(jù)車輛功能需求合理劃分各子系統(tǒng)功能，明確功能邏輯連接關系，實現(xiàn)軟硬件映射。
（2）權衡功能交互、成本、供配電等因素設計硬件空間拓撲、連接拓撲和通信拓撲。
（3）形成集成控制器、傳感器、處理器、線束、功能軟件等軟硬件的多維度整車系統(tǒng)設計方案。
（4）最終降低系統(tǒng)重復性，提高系統(tǒng)可驗證性、高集成性、高安全性與可擴展性。
2.2 架構總體設計與評估方法
ICV 功能配置的復雜性與多樣性引發(fā)了E/E 架構設計理論與方法的相應變革。目前基于模型（model based systems engineering，MBSE）的汽車E/E架構設計開發(fā)方法逐步引起重視。MBSE 從E/E 架構設計伊始即以模型的形式進行表達，對各復雜系統(tǒng)的需求、結構與行為等進行基于圖的無二義性說明、分析、設計等，從而在相關設計人員間建立統(tǒng)一的交流平臺。MBSE 方法可解決整車E/E 架構研發(fā)過程中的工程數(shù)據(jù)不一致性、可驗證性、可追溯性等問題，降低整車產品開發(fā)難度、盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在風險，進而提升開發(fā)效率和降低開發(fā)成本以及后期維護成本。圖5 為基于MBSE 的汽車E/E 架構V 字型設計開發(fā)流程。
圖5 V字型設計開發(fā)流程
E/E 架構設計是整車設計核心任務之一，E/E 架構評估是架構方案再優(yōu)化的直接參考依據(jù)。綜合目前E/E 架構的主流開發(fā)設計流程及面向ICV 的E/E架構需求，確定多域E/E 架構總體設計重點內容主要包括以下5 個方面：架構需求定義、架構功能設計、架構拓撲設計、架構系統(tǒng)設計、架構分析評估。
2.2.1 架構需求定義
無論是傳統(tǒng)還是多域E/E 架構開發(fā)，都必須從市場需求角度出發(fā)，進行全面的需求分析。基于分析評估，架構需求定義需要確定功能方案實現(xiàn)的目標，制定開發(fā)車型的整車需求，明確整車系統(tǒng)及各個子系統(tǒng)的需求，并同時制定出整車驗證測試規(guī)范［12］ 。分析開發(fā)需求的最終目的是確定系統(tǒng)的內部框架，滿足外部系統(tǒng)需求，歸納出汽車電子系統(tǒng)必須實現(xiàn)的功能與非功能需求。通過需求分析，識別出開發(fā)目標和開發(fā)約束，是整個架構設計的起點［13］ 。
2.2.2 架構功能設計
根據(jù)架構的需求定義完成架構的總體功能設計。為降低E/E 架構的復雜性，對總體功能進行細分切割，對軟硬件進行解耦。常用的功能設計方法首先將整車功能劃分為一級功能域級別，再對功能域進行詳細的二級功能劃分，以實現(xiàn)將二級網(wǎng)絡中控制器的功能移至域控制器，為后續(xù)高級的功能落地提供基礎，支持更高級的功能實現(xiàn)［14］ 。功能架構設計階段須完成初版網(wǎng)絡拓撲、電子電氣方案、子系統(tǒng)技術規(guī)范、功能方案等設計工作。
2.2.3 架構拓撲設計
根據(jù)架構功能，提取架構的基本拓撲結構，具體包括硬件拓撲架構、連接拓撲架構、通信拓撲架構。通過對拓撲架構細化優(yōu)化，輸出最優(yōu)拓撲方案，為其他設計部門進行軟硬件開發(fā)提供設計規(guī)范。硬件拓撲架構主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內部構成及其對外接口的詳細信息，包括部件與其它部件的組合關系，以及部件的內部細節(jié)。連接拓撲架構描述了各部件之間的邏輯連接方式及實現(xiàn)情況，包括具體的導線、線纜連接方式、保險繼電器盒的內部結構等。通信拓撲基于域間/域內不同通信需求，完成通信組網(wǎng)以及協(xié)議確定。
2.2.4 架構系統(tǒng)設計
根據(jù)上述階段制定的電源分配圖、接地點、整車Planview 以及供應商提供的接口控制文件，架構系統(tǒng)設計須完成整車原理、接口定義及功能規(guī)范設計，并搭建整體架構模型。通過拓撲層信息、已有開發(fā)數(shù)據(jù)庫、經(jīng)驗輸入等條件的支撐，實現(xiàn)正確的邏輯和算法定義。完成系統(tǒng)級E/E 架構的解決方案制定和系統(tǒng)級驗證測試規(guī)范制定。最終實現(xiàn)功能下發(fā)，更新到產品部件設計中加以落實和驗證［15］ 。
2.2.5 架構分析評估
傳統(tǒng)的E/E 架構在裝車前實現(xiàn)整車仿真較難，多數(shù)只完成部件級仿真。隨著RTaW［16］ 、CANoe［17］和VEOS［18］ 等架構評估商業(yè)化軟件的發(fā)展，業(yè)界已經(jīng)逐步使用更加全面的架構仿真評估軟件進行功能、通信、安全等方面的迭代驗證與優(yōu)化［19］ 。
多域E/E 架構的分析評估，除硬件成本、開發(fā)成本、生產成本、保修成本、車輛性能燃油經(jīng)濟性、質量等傳統(tǒng)目標外，還需要關注以下新問題：
（1）是否滿足用戶個性化需求及未來可能的需求變化，主要在于能夠滿足自動駕駛L3 等級及以上車輛架構需求變化。
（2）平臺是否具有良好的沿用性以及平臺公用性，能否滿足高等級自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)的基本技術需求，具有超前的技術先進性［20］ 。
3 多域電子電氣架構的硬件系統(tǒng)
3.1 功能域控制器及關鍵技術
為了減少總線長度與ECU 數(shù)量，以達到減輕電子部件質量、降低整車制造成本的目的，將分散的ECU按照功能劃分，集成為運算能力更強、接口更為豐富的DCU?，F(xiàn)有技術方案通常將整車劃分為車控域、智駕域和座艙域。車控域控制器負責整車動力系統(tǒng)控制、底盤系統(tǒng)控制以及車身系統(tǒng)控制。智駕域控制器配置豐富的接口以滿足多種類傳感器信號的采集，集成高算力異構計算平臺以支撐復雜的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，結合高精地圖和導航等信息進行環(huán)境識別、路徑規(guī)劃，并輸出整車控制指令，從而實現(xiàn)更高級別的智能駕駛功能［21］ 。典型的自駕域控制器如圖6 所示，計算平臺上集成有通用計算單元、AI計算單元、實時控制單元以及多種接口。
圖6 智駕域控制器功能示意圖
座艙域控制器通常集成了全液晶儀表、抬頭顯示器、流媒體后視鏡、座艙娛樂系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)以及遠程信息等，同時也是人與車技系統(tǒng)交互的接口［22］ 。智能座艙域控制器須具備強大的處理能力以及復雜的操作系統(tǒng)，由主控芯片、實時微處理器、數(shù)字信號處理器、CAN、以太網(wǎng)口等組成，典型功能如圖7所示。
圖7 智能座艙域控制器功能示意圖
3.2 區(qū)域控制器及關鍵技術
ZCU 主要有區(qū)域數(shù)據(jù)中心、區(qū)域IO 中心以及區(qū)域配電中心3 大功能，如圖8 所示。作為區(qū)域數(shù)據(jù)中心配備有ETH、CAN、LIN 等豐富網(wǎng)絡接口，充當區(qū)域網(wǎng)關、交換機功能實現(xiàn)網(wǎng)絡通信與路由。區(qū)域IO 中心支持各類型的傳感器、執(zhí)行器以及顯示器接口。ZCU 作為區(qū)域配電中心負責將電力向下輸送到控制器、執(zhí)行器等用電設備，現(xiàn)階段趨向于用電子保險絲（eFuse）替代傳統(tǒng)的繼電器加熔斷絲的方案，以實現(xiàn)智能管理。同時ZCU 具備吸收區(qū)內其他ECU功能的能力，將區(qū)內的功能在服務層面進行抽象，控制I/O虛擬化。因涉及到對安全性、實時性以及可靠性要求較高車控功能，ZCU 主控芯片一般會配備ASIL-D的MCU，后續(xù)發(fā)展有引入高算力計算單元的趨勢［23］ 。
圖8 區(qū)域控制器功能示意圖
3.3 中央計算單元及關鍵技術
中央計算單元的核心定位提供足夠的算力以支撐智能駕駛和智能座艙相關的業(yè)務邏輯，同時須具高帶寬低時延的通信能力支撐與區(qū)域控制器之間的數(shù)據(jù)交換，并且具備網(wǎng)聯(lián)功能，連接到車端和云端［24］ 。中央計算單元硬件層面上大多會采用多顆異構多核SoC 芯片，芯片間采用高速串行通信或者PCIe。其中SoC 芯片架構主要有硬件隔離式和軟件隔離式兩種形態(tài)，均是采用虛擬化方案同時運行多個操作系統(tǒng)。硬件隔離式是在軟件設計階段劃定各個核心運行的操作系統(tǒng)，各個系統(tǒng)依然在硬件上進行隔離，擁有專屬硬件資源；而軟件虛擬式中操作系統(tǒng)沒有專屬的硬件資源，硬件資源由Hypervisor層動態(tài)調配。
3.4 電源系統(tǒng)及關鍵技術
隨著整車電氣負載的增加、電氣架構的發(fā)展、半導體技術的突破，電源系統(tǒng)設計已從電源部件的組合轉型為電源網(wǎng)絡的系統(tǒng)設計和電源網(wǎng)絡的控制設計。傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)多采用中央電氣盒的方案，電路的控制與保護采用繼電器與熔斷器，存在繼電器燒蝕以及熔斷器損毀后無法再利用的問題。現(xiàn)階段電源系統(tǒng)主要技術路線是保護和控制的融合，使用基于MOSFET 的eFuse 進行配電［25］ 。單個芯片集成驅動、電流檢測、熱保護、過壓保護、過流保護、EMC以及開路短路等各種診斷。
3.5 線束系統(tǒng)及關鍵技術
線束對整車電器電子功能的實現(xiàn)起著至關重要的作用，也是架構優(yōu)化設計的研究熱點。在線束布置的總體設計中要充分考慮各相關的邊界條件，充分考慮各相關件對線束布置可能產生的影響，并對相關件的設計提出相應合理的要求。陳華夢［26］ 分析了汽車線束的設計準則，基于數(shù)學層次模型和優(yōu)化模型來達到線束設計的優(yōu)化目的。周濤［27］ 和鄭繼翔［28］ 提出了基于PREEvision 的線束系統(tǒng)開發(fā)方法，設定了線束回路數(shù)、平均線徑、質量、成本、總線負載率、可擴展性和可靠性等方面的評估標準，對線束系統(tǒng)進行全面評估。目前線束系統(tǒng)的設計趨向于成熟化、全面化，基于PREEvision 軟件展開的多維度、多目標線束建模、設計、評估和優(yōu)化方法極大地簡化了線束系統(tǒng)的設計過程，提高了設計效率，提升了設計效果。
轉自智能汽車設計
