2.2　汽车电子电气架构

在近百年来汽车技术的发展过程中，汽车电子电气架构的变化速度远胜于其机械结构的改进，这得益于现代电子技术的蓬勃发展。现代电子技术的发展，特别是已普遍应用的线控技术让汽车从机械底盘全面过渡到了线控（电子）底盘，令汽车的操控性能和成本控制有了大幅的提升。线控技术将汽车的不同系统装置间的连接用电子信号对拉线（拉杆）等机械装置进行了替代，电子信号的传输媒介是各种线缆，因此称之为线控技术。线控技术的出现意味着电子电气架构已成为现代汽车系统中最重要的基础结构。

2.2.1　汽车线控底盘

相对传统机械底盘，线控底盘主要包括线控节气门（发动机油门）、线控转向、线控换挡、线控制动以及线控悬挂这5类装置。其基本原理是用传感器采集驾驶员的操控信息形成数据，通过电子线路传递数据给ECU（电子控制器），再将ECU计算生成的控制信息传递给底盘各个装置以实现对车辆的驾驶控制。通过线路传递数据，连接操控者、ECU和各个执行部件，能够极大地减少原本机械底盘各部件之间的连接复杂度，有利于整体提高汽车的控制性能，但是电子信号容易受到干扰，ECU计算会产生延时，因此线控系统替代机械连接的一个必要前提是应具有足够的实时性和安全性。线控技术的实时性和安全性随着电子技术的发展而不断提高，采用更快速的ECU，采用冗余设计等都是提高性能的必要手段。

传统汽车实现加速的过程：通过踩下加速踏板，踏板通过拉线调整发动机节气门（俗称油门）的开度，改变发动机燃油混合气体的进气量，从而加大发动机的功率输出提高车速。节气门是控制发动机功率的重要部件。线控节气门则通过在节气门部位安装微型电动机来调节其开度。线控底盘汽车的加速过程为：踩下加速踏板时，不再使用拉线传递踏板位移信息，而是通过踏板上的位移传感器来采集加速踏板的位移力度和行程，并将这些信息数据传递给ECU，由ECU将计算结果传递给节气门部位的微型电动机来调整节气门的开度。现代汽车的线控（电子）节气门技术发展得已经非常成熟，几乎已成为燃油汽车的标准配置。电动汽车没有燃油发动机，自然没有节气门，控制数据可直接传输给电动机控制电路。

线控换挡是将传统的机械手动挡位改成类似于按钮的电子感应操控装置。线控换挡对于燃油汽车而言只是对传动装置中变速箱电气化的改造，技术难度比较小，发展得也非常成熟，而对于电动车而言更是基本配置，甚至已升级为无级变速。线控悬架主要是通过具有主动减震功能的电动悬架装置，根据车辆轿体的姿态变化数据来调整悬架减震器的性能，以达到减少颠簸，提高驾乘舒适度的目的。

线控转向是在方向盘与车轮转向器之间不再使用万向节、螺杆等连接方式，而是由传感器检测方向盘转动的角度和转速并采集成为电信号，然后通过线路传输由ECU控制转向装置完成对转向轮驱动。传统方向盘转向过程中，驾驶员可以感受到汽车改变方向时方向盘传回的力反馈，而线控转向没有机械力的回传反馈，令驾驶员缺乏了对这种力反馈的感受，因此部分线控转向装置还会根据实际的路况，将转向力反馈通过方向盘辅助转向电机呈现给驾驶员。而对于采用电动轮驱动的车辆，只需要改变4个电动轮的转速就可以完成转向，线控转向更是最佳的匹配方案。

线控制动的过程：踩下刹车踏板时，通过传感器采集踏板被踩下的力度和速度并转换为电信号，电信号通过线路传递给ECU后，由ECU直接通过电子线路控制制动装置实现车辆的制动。为了让驾驶者仍有传统汽车脚踏板踩下的力反馈感觉，部分线控制动系统也根据路面状况提供制动信息的反向反馈。线控制动目前比较成熟的是电子驻车制动系统（EPB）和电液线控制动系统（EHB）。EPB用于车辆停止行驶时的制动，相对较为简单。EHB目前已在量产车辆上应用，具有较好的性能，与ABS、ESP等可以很好地进行匹配，能够整体提升车辆的制动性能。此外，电子机械制动系统（EMB）技术也在不断完善，EMB系统中没有油路液压等部件，电信号控制响应也较为快速，但目前成本和可靠性等问题还有待于进一步解决，在未来将拥有广阔的市场应用。

2.2.2　控制器架构模式的发展

现代汽车以线控技术为基础构架，线控技术的控制核心是ECU。随着汽车工业的发展，汽车内部的结构愈加复杂，各种电子功能部件和电气化新结构的出现，对汽车的电子电气架构的发展也产生了影响。很长时间以来，汽车的功能由ECU提供，每一个功能由一个ECU及其软件提供。汽车内部使用ECU的部件也越来越多，众多ECU不但需要各负其责，彼此之间也要协同工作。

如图2.7 ^[1] 所示，汽车的电子电气架构由需求分析分解出各种功能，组成功能逻辑层。每个功能分别由硬件层、网络层和线束层的相应模块支持实现。每层模块分别由不同的ECU实现控制。汽车中基于ECU的功能模块，既在不同的功能层面内部进行划分，也能在不同功能层面间进行划分，形成了一种分散的模块化架构模式。这种架构模式就是分布式ECU架构模式，具有如下特点：

（1）各ECU系统由一级（Tier1）提供商提供，车厂作集成组装；

（2）各ECU系统独立开发，有独立的硬件和软件，系统不开放；

（3）软件依附于硬件产生价值，软件可重用性差；

（4）ECU计算能力弱，不利于复杂软件功能的实现；

（5）无法适应更大量，更复杂功能的集成。

为了解决复杂功能集成的问题，现代的电子电气架构引入以太网按ECU控制的各种功能分别将其组成不同的域，并引入了域控制器（domain control unit，DCU）集中管理一个功能域中的多个ECU，例如安全域、车身域、底盘域、动力域等。如图2.8所示，这种集中式的域控制器方式，在功能上具有更高的集成度，弥补了分布式ECU的各种不足，形成了基于域控制器的架构模式。

随着自动驾驶汽车的快速演进，更先进的变化是引入车载中央计算机，通过重新优化设计车内的布线，引入强大的计算机系统，统筹管理全车的信息收集、计算和指挥，形成了如图2.9所示的基于中央计算机的架构模式。自动驾驶汽车还能够融合云计算和车联网等功能，从外界获取信息、操控指令和算力服务。

从汽车硬件架构模式的发展中不难发现，其变化的根源来自汽车对自身功能（特别是电子电气功能）不断丰富的需求，是为了追求更高的算力、更精准的操控和更丰富的多媒体交互所做出的适应性提升。

2.2.3　汽车开放系统架构

随着ECU的大量使用，汽车内部控制系统中使用的软件算法程序也越来越多，越来越复杂，这些软件大多是嵌入式软件。根据汽车电子电气架构本身的设计思想，各个部件由很多厂商分别进行封闭式开发，这造成大量嵌入式软件的设计规范、架构标准不完全统一。现代汽车软件架构发展的重要思路是建立统一的软件平台，用标准协议层覆盖底层的ECU物理层。特别是汽车的功能越来越多，内部的软件系统占整车的成本已经从传统汽车的10%逐步上升至40%。相对硬件部件的改进，汽车中的软件创新已经成为新车升级换代的主要标志。

如图2.10所示，汽车开放系统架构（automotive open system architecture，AUTOSAR）建立的初衷是为了统一当前汽车电子电气架构的复杂多样性，以现存的开放工业标准为起点，实现一致的汽车电子电气架构标准，为将来的应用和软件模块建立起一个基础的管理架构。其优点如下：

（1）提高了软件的可重用度，尤其是跨平台的可重用度；

（2）AUTOSAR分层架构的高度抽象使得汽车嵌入式系统软硬件的耦合度大大降低；

（3）标准化软件接口和模块减少了设计错误，减少了手动代码量，提高了软件的质量；

（4）统一标准，方便各公司合作交流，便于软件的升级维护。

如图2.11所示，各大汽车厂商普遍使用大众MEB（电动车模块化）平台软件的AUTOSAR架构，这个框架在Adaptive AUTOSAR（自适应平台的AUTOSAR）之上建立了自己的软件开发框架ICAS（in-car application server，车载应用服务器）。由于Adaptive AUTOSAR基于SOA，使得新功能的开发不但解耦于具体的硬件，而且可以方便地将新功能增加到运行的软件框架中，实现了新功能的即插即用。这种框架展现出了很强的更新能力（updateability）、可升级性（upgradeability）、可重用性（reusability）和可移植性（portability）。

国内的厂商也在使用Adaptive AUTOSAR标准，华为发布的智能驾驶域控制器也支持和兼容Adaptive AUTOSAR架构，东软睿驰还基于AUTOSAR标准定制化开发了基础软件NeuSAR等。

为了让汽车早日进入完全自动驾驶时代，大量的新技术正在涌现，通过持续的智能化改造和升级，以现有的汽车软件平台为基础，车控软件系统的发展也逐步迎来了新的机遇。 8f5oEwtaSuZHgYrYmC1qe1LHOWJRO7oV56cOf3bjsJBGYcmTRnZIp4rqAWUFWbRi