下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
汽车早期是典型的机械产品，在电子技术兴起之后，经历了广泛的“电子-机械”替代阶段，其典型特征是机电技术的深度结合——电子技术扮演了传感和控制的角色，机械技术扮演了力的传导、执行和能量转换角色，机电系统深度耦合——这个特征在汽车底盘和动力系统中尤为突出。因此在汽车电子发展初期，为了更高效地产出质量稳定的产品，整车厂更多地选择将相关的“结构模块”和“电子模块”绑定给同一供应商开发，因为同一供应商对功能的集成方式较为精通。为了能用最小成本服务不同的车型，总成供应商会将其系统打包成“平台”提供给甲方。模块化阶段的特点是每一个功能都需要单独的、专用的控制器来实现。
由于基于机械结构部件和总成在车内空间上的分布性，汽车电子也自然而然地形成了分布式架构，其互联主要基于CAN总线。传统的EEA是基于CAN总线、面向机电控制系统设计的，而且针对底盘、动力和车身形成了不同的子网，其间用网关进行互联，网关作为信息传输中心，可以实现多个不同集群之间的通信并提供诊断应用，如图1.3所示。
图1.3 传统汽车电子架构
分布式架构发展了数十年，诞生出很多典型平台，如大众的MQB平台、通用的Global系列平台，也孵化了一系列出色的汽车电子供应商技术体系，如博世、大陆、德尔福、电装等，成为汽车行业生态的重要组成部分。
分布式的整车EEA单元可分类如下：
1）电子单元：众多分散的传感、运算和控制单元，以半导体技术为主导。
2）电气单元：发动机、电机、电磁阀等，以电磁技术为主导。
3）执行机构：机械、液压、气门机构等，以机械液压技术为主导。
分布式架构在传统燃油车时代尚可满足需求，但在车辆电动化、智能化背景下暴露出如下短板：
1）硬件方面：电动汽车控制器模块化程度提高，而分布式控制中车辆每增加一项功能，都需要增加一个控制器，各ECU算力及硬件模块存在巨大浪费。
2）软件方面：每个控制器来源于不同的供应商，ECU软件开发环境不一致，导致集成和维护困难，而且很难实现真正的远程升级。
3）通信方面：软件、硬件及通信要素高度耦合，在实际开发过程中发现，当有一个信号变更时，与之相关联的多个控制器都需要做适应性变更，使得整车开发周期更长；通信速率慢，不满足智能化大量信息通信的需求。
分布式向集中式演进的动因既有来自汽车电子的基因，也有来自互联网的基因，前者表现为技术改良的需求，后者表现为面向智能化的颠覆性需求。
（1）汽车电子渐进改良的需求
从技术需求来看，随着车辆的电子化程度逐渐提高，ECU越来越多，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、传感控制系统等。各级别汽车ECU数量都在逐年递增，一些高端车型已突破百个。如果继续使用分布式架构，则会产生更多ECU和更多线束，难以在车辆上布置，且ECU的算力不能协同、相互冗余，从而造成硬件资源的大量浪费。如果大量堆积低算力芯片，由于集成度低，印制电路板（PCB）以及域控制器会难以布置，功耗和成本也会很高。
（2）智能化颠覆性革命的需求
高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System，ADAS）和自动驾驶是近年来发展最快的应用，包括诸如停车辅助、车道偏离预警、夜视辅助、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等功能。ADAS中有各种传感器，如摄像头、毫米波雷达和激光雷达，产生像素和点云级的数据，数据产生和数据处理相互连接的对象间需要传输的数据量大幅增加，因此，车辆的EEA单元必须进化，以大幅度提升实时获取环境信息并同时处理这些数据的能力。
（3）整车企业增加掌控力的需求
从整车厂的角度，所谓分布式EEA，可以理解为汽车电气系统的软硬件资源和能力是分散在不同的供应商手中，ECU的软硬件开发全部由供应商完成，整车厂主要负责提出设计需求和测试验证。分布式EEA导致的ECU软硬件资源和能力的浪费是显而易见的，不同的供应商负责不同的ECU开发，整车数十个ECU分别负责实现特定的软硬件功能，然后通过硬线信号或者网络信号进行交互，这种信息交互方式也被称为面向信号的通信。传统汽车时代，整车企业的主要能力体现在整车产品的定义、制造和销售，但在智能电动汽车时代，电控和软件成为其核心竞争力，不可能任由供应商独立完成。
从技术供应来看，随着微电子技术的巨大进步，大型的、高算力的、制程小的、集成化程度高的处理芯片能够较好地解决集中算力和集中存储问题，为集中化奠定了物质基础，而车载以太网技术的发展，也为集中处理提供了高带宽通道。此外，汽车动力系统也在这个过程中开始了电动化转型，电动化之后的动力系统更加紧凑，集中在电机和电池系统中，其集成性和可控性大大增加。
当然，受限于研发周期、项目资源、技术发展（芯片算力、操作系统、软件架构等）、供应商能力以及整车厂能力等众多因素，由分布式EEA走向集中式EEA必然是一个渐进的过程。目前，大部分整车厂量产车型的EEA处于分布式EEA阶段，因为无论是物理集成还是功能集成，都仅仅是在局部功能实现上减少ECU的数量，实现功能所需的软硬件资源还是以ECU为核心进行设计的。分布式与集中式控制的本质区别在于分布式阶段的整车功能是围绕一个个ECU作为主体进行设计的，而集中式阶段则需要根据子系统甚至整车的软硬件资源所具备的能力，对功能实现进行分层设计。
综上所述，以上两种方法各有利弊，方法选择的偏好还取决于汽车制造商应对的细分市场的策略，但面向大规模生产的电动化和智能化乘用车无疑更倾向于集中式策略，集中控制的核心思想是不同的层面具备不同的能力，其主要目的是实现软硬件资源的解耦，从而使软件迭代和硬件分离。
未来车辆必将面向高级别的自动驾驶和车路一体系统演进，高级别的自动驾驶带来车内信息处理集中化的需求，而车路一体带来车云数据和算力交互的需求，因此必然推动进一步集中化的趋势。
在此背景下，汽车行业等提出“域控制器”的概念，对ECU框架进行优化。其根据汽车电子部件功能将整车划分为车辆控制域、智能座舱域和智能驾驶域等几个域，通过系统和软件层面的集成，把原有的硬件配置局限打破，域控制器成为一个领域内的主要计算和调度单位。典型的智能电动汽车集中式汽车电子拓扑架构示例如图1.4所示。
图1.4 集中式汽车电子拓扑架构示例
车辆不再是信息孤岛，车云互联已是目前技术的重点发展领域。根据智能网联汽车的功能需求，拓展型域控制器架构分为“云-管-端”一体化设计，顶层为云端层，中间层为计算层，底层为传感器与执行器层。在这种架构中，根据智能网联车辆行驶过程中的数据需求，通过底层传感器层进行数据收集，在中间层进行数据处理与分析，最终反馈到云端。
云端服务器根据需要处理的信息，为不同车辆设备提供灵活的集群处理，符合未来智能网联汽车的功能需求。比如通过云计算，可以通过远程服务器来实时预估电动汽车电池的安全状态和健康状态，从而提高整车安全性。
功能域集中式设计的主要优势如下：
1）将整车层级软件集中于域控制器，减少了协调控制各部件所需要的总线信号通信，有利于跨功能域协调控制的实现，避免了跨域功能大幅增加可能带来的系统复杂度失控。
2）域控制器电子电气架构主要能实现面向服务的体系架构（SOA），从而实现了区别于分布式架构的基于信号的驱动，这种面向服务的架构使得整车层级软件协调控制各部件，实现用户易感知的车辆层功能。该部分软件更新和升级需求较多，集中在域控制器中有利于软件升级管理，特别是实现远程升级。此外，域控制器内可预留计算、存储和通信资源，用于在车辆批产后通过软件增加车辆功能。
3）通过高度嵌入式控制器接口的标准化，将其抽象为标准化传感器或执行器，有利于高集成度嵌入式控制器在车型谱系间的整体重用。域控制器和标准化传感、执行器控制器的组合实现了更好的硬件抽象，有利于变形管理和部件复用，通过降低变形开发费用和提高部件安装率来降低成本。
当前汽车市场在用的车载电子电气架构主要以多域控制器为主，主流主机厂一般主要采用以多域控制器及“中央集中+区域控制器”相结合的电子电气架构，将车辆分为不同的子模块即不同的域，比如动力总成域、底盘域、车身域、娱乐媒体域等，不同的域对域内的ECU进行整合，域内的ECU通过共享总线系统进行通信，中央网关用于连接不同的域，实现不同域之间的信息交互和数据通信。
目前典型EEA架构是三域架构，三域是指车辆控制域、智能驾驶域和智能座舱域（分布式网络+域控制器）。华为、大众、宝马、丰田等各公司虽然对各域的称呼不同，但从其功能划分来看均采用了这一架构，图1.5所示为华为的三域架构。
图1.5 华为公司的三域架构
车辆控制域（Vehicle Domain Controller，VDC）负责整车控制，实时性安全性要求高，基本将原动力域、底盘域和车身域等传统车辆域进行了整合（整合更多是系统层面的概念，并不一定是硬件层面合并，因此并不一定是该域中原有的某ECU被删除了）。智能驾驶域控制器（ADAS/AD Domain Controller，ADC）负责自动驾驶感知、规划、决策等相关功能的实现。智能座舱域控制器（Cockpit Domain Controller，CDC）负责人机交互（HMI）和智能座舱相关（甚至整合T-Box）功能的实现。
域控制器EEA的骨干网采用车载以太网实现。VDC需要更多的算力，因此除了提供MCU外，往往还有一个多核ARM内核作为微处理器单元（MPU）。
大众MEB E3架构中车辆控制域（ICAS1）与智能座舱域控制器（ICAS3）的连接示意图如图1.6所示。
图1.6 大众MEB E3架构示意图
按照功能来进行划分的“功能域”最大的问题在于同一个域内的零部件可能分布在整车四周，也就是说功能域和空间布置不重合，因此造成连接域内部件往往需要线束在车内往返。为此，特斯拉汽车推出了“区域（zone）控制器”的概念，以Model 3电子电气架构为例（图1.7），中央计算模块（Central Computing Module，CCM）直接整合了ADAS和信息娱乐系统（In-Vehicle Infotainment，IVI）两大域，直接跨域控制实现区控制，也就是多域控制，将对于运算需求较高的不同功能电子单元布置在一个区域内，通过提升单个区域控制器的运算能力来解决整车算力的高要求。
图1.7 特斯拉Model 3电子电气架构
特斯拉Model 3的电子电气架构按照车辆的位置对车辆系统控制进行了区域划分，只有CCM、左车身控制模块（Body Control Module Left，BCM LH）和右车身控制模块（Body Control Module Right，BCM RH）三部分。各控制器之间通过共享总线系统进行通信，及时将监测到的车辆信息反馈给CCM，保证与各控制器及CCM模块之间的实时通信。
CCM将信息娱乐系统、辅助驾驶系统和车内外通信三部分整合为一体，其上运行着x86 Linux系统。CCM模块主要作为整车的决策中心，负责处理所有智能辅助驾驶相关的传感器，同时对与其相连的主要控制器进行数据处理、决策仲裁。BCM LH负责车身便利系统，包括转向、助力、制动等，BCM RH负责底盘安全系统、动力系统、热管理等。
这种拓扑的优势主要有：
1）算力集中化：可以真正地实现硬件标准化和软件开发重复利用，既实现供应商可替代，也可以大大缩短软件迭代周期，同时为日后第三方软件开发扫清了障碍。车辆成为移动的智能终端，同时大量计算工作可以集中至车载中央处理器甚至云端，减少了内部冗余，使车联网协同成为可能。
2）内部结构简化：车载以太网开始取代CAN总线结构，半导体层面的高度集成使得特斯拉可以精简内部线束结构，这样的控制器布置简化了线束，提高了系统效率，而线束结构的精简可以进一步降低成本、提高效率和可靠性。
3）服务附加值提升：实现整车空中下载（Over The Air，OTA）功能后，特斯拉可以通过系统升级持续改进车辆功能，软件在线更新一定程度上替代了传统4S店的功能，可以持续提供车辆交付后的运营和服务。传统汽车产品交付就意味着损耗和折旧的开始，但软件OTA赋予汽车更多生命力，带来更好的用户体验。
丰田的Zonal-EEA在硬件上通过ECU的集成来降低控制器成本，在软件上使用基于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；在线束上，大幅度减少线束长度，降低线束设计复杂度，减重降本；在安装空间上，集中化的架构减少了ECU数量和线束长度，为后续迭代预留空间，如图1.8所示。
图1.8 丰田Zonal-EEA的优势
Zonal-EEA有几个关键组成，包括车载中央计算机（Vehicle Central Computer，VCC）、区控制器（Zonal ECU，ZCU）、环形链接的以太网TSN组成的主干网及CAN/LIN/10BaseT1s区内网、双电源冗余供电及区域内智能分级供电，如图1.9所示。
做个简单的对比，传统汽车分布式EEA就是“计算的分布式，供电的集中式”，而Zonal-EEA就是“供电的分布式，计算的集中式”。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。
图1.9 Zonal-EEA示意图
基于Zonal-EEA的通信方式会从面向信号的通信（如CAN/CAN-FD）切换到面向服务的通信（如以太网及以太网TSN），便于SOA架构在车辆上的实现。
在目前的设计与规划中，区域控制器的功能可以分为三大部分：
1）区域供电中心：负责区域内用电器的供电与用电管理，量化用电行为，提高用电效率与安全性。联合电子汽车有限公司设计的区域架构中，区域控制器由两路整车电源进行独立供电，并作为二级电源分配节点，给对应区域内下级控制器/传感器与执行器提供电源与供电管理，同时与智能电网管理模块产品配合设计供电架构，构成一套完整的、可以适应不同自动驾驶等级的、灵活的供电方案。
2）区域信息中心：需要在区域内负责通信管理与信息转发，缩短信息通路，提高通信效率与安全性。区域控制器承担了区域信息中心或网关部分功能，目前主流车型现有通信需求使用CAN-FD已能满足。当有功能安全需求时，可以通过预留的私有CAN进行备份。考虑到面向SOA的需求，区域控制器也需设计以太网接口进行大带宽通信。
3）区域功能与驱动中心：集成区域内的功能模块，标准化硬件I/O的采集与驱动，提高扩展性与通用性。作为区域的I/O中心存在，区域控制器不仅将逐步集成原先功能单一的节点，而且也将在软件向计算中心集中的过程中，扮演底层服务提供者这样重要的角色。同时，新的应用软件将根据功能策略、分层功能时延与区域同步性、代码复用率、功能可能的迭代速率、功能安全这几个维度的相关判断原则，进行功能的重新划分。功能划分后，将会把分配在区域控制器中的软件模块进行原子或基础服务的封装，通过SOME/IP协议供计算中心调用，为计算中心实现新的复杂功能或特性提供软硬件基础。
在系统设计过程中，划分功能块主要有集成式和分布式两种方法：在集成式方法中，许多功能块被设计集成在一个ECU中；在分布式方法中，一个ECU只包含了少数功能块。为了实现相同的功能，集中式设计方法将包含更少的ECU和更简单的通信网络，这种设计思路，也导致了硬件的同质化。
假使所有汽车均具备相同的硬件配置，那么如果让一些功能由软件激活，未激活功能仍然可以作为可选项进行销售，留待未来空中下载或激活。也就是说，汽车功能的差异主要通过软件来实现，这也造成了“软件定义汽车”这一说法的产生，但是这样的前提是硬件需要超前配置，即用硬件的高配来适应软件的灵活性，这也体现了摩尔定律驱动下硬件成本逐年下降，但软件成本却没有这样的趋势，因此开发的重点转向了软件。
集成式设计和分布式设计对比见表1.1。
表1.1 集成式设计和分布式设计对比
通过以上对比可以看出，集中式EEA可带来如下好处：
1）计算性能：分布式EEA使用嵌入式控制器，MCU的主频在80M～300MHz，计算性能提高空间有限；而域控制器采用MCU+MPU架构，能提供高计算性能和硬件加速能力。
2）通信带宽：分布式EEA主要基于CAN总线通信，带宽在1M～5Mbit/s；集中式EEA由以太网主干网络提供100Mbit/s～1Gbit/s的高带宽和灵活的通信机制。
3）软硬件耦合程度：分布式EEA的硬件和软件集成，软件分散在多个嵌入式控制器，难以实现升级更新；集中式EEA的软硬件分离，车辆层级软件集中在域控制器，能实现便捷的软件在线升级、硬件可更换升级以及传感器的可拓展性，达到软件定义汽车的目标。
4）数据交换：分布式EEA通过信号交互实现跨域功能，跨域功能增加会带来信号大幅增加；集中式EEA中央化协调跨域功能，大部分数据交换发生在域内，能有效减少信号传输，减少了ECU内部来自中央网关的通信，实现了资源的更高效利用。
5）软件架构：分布式EEA使用Classic AUTOSAR的软件架构，而集中式EEA可采用基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR的混合软件架构，兼顾了实时控制和高性能信息处理，并使软件的组织更加明晰。
6）设备安装：中央集中式电子电气架构逐步减少了控制器、ECU的数量和线束长度，为后续固件升级预留了更多的空间。
综上所述，功能域控制器将进一步发展形成车载计算中心，在硬件层面提高了可扩展性、提高了通信效率、减少了线束长度（重量），I/O等硬件资源将被重新规划，打破原有功能边界，按照区域划分，形成区域控制器，完成功能域架构向整车集中式架构进化，实现了真正意义上的软硬件解耦，为将来“软件定义汽车”奠定了基础，也为未来大量计算和存储能力向云端迁移奠定了基础。
图1.10所示为博世公司提出的汽车电子电气架构发展阶段，第一阶段为分布式电子电气架构，是目前绝大多数以内燃机为动力的主机厂所采用的；第二阶段为域控制器电子电气架构；第三阶段为中央计算电子电气架构。
图1.10 汽车电子电气架构发展阶段
自动驾驶要求更高的算力和更多的传感器件，互联网技术（5G+）形成了车云高速互联的通道，通信网络带宽足够宽，通信延迟足够低，加快了电子电气架构的演进。汽车电子将以服务为导向，把更多的功能集成到一个或几个高性能的计算单元，为软件提供高性能实时计算平台。在这样一个大的理念下，将催生真正的汽车大脑——超级中央计算机，也叫作车载计算平台、车载计算机以及服务器，汽车将成为一个整体计算平台，能够执行复杂的软件功能，就像在服务器上运行那样。这让主机厂可以独立于硬件来开发软件功能，成为预定义功能的应用软件和第三方软件及服务平台，凭此可实现新的移动概念，并且在不升级硬件的情况下，升级软件和安全功能，增强终端用户体验。
综上所述，汽车电子架构的演进从本质上来说是两个基因链的混合：一个是来自汽车电子，或者说是汽车电子控制，其特征是分布式的实时控制；另一个来自互联网，其特征是高性能计算、高带宽互联及云-管-端架构，云通过高速的管向端赋能。随着智能化和电动化的进一步发展，域控制可以进一步相互集成，形成以车身、底盘和动力总成控制为一体的运动控制域以及以交通信息处理交换为一体的智能驾驶域两大核心域控制器。这两大核心域控制器与汽车电子电气架构的信息处理层、嵌入式系统控制层相对应，也与滑板式底盘的概念和智能座舱的概念相对应，进一步发挥汽车电子在未来智能电动汽车中的重要作用。