1.3 汽车电子电气架构的演变

早期（一般认为是1970年以前、用导线传递信号的时代）汽车电气系统发展，车上只有照明、充电、起动、点火系统等几个功能相对简单的电气回路。这种由导线将电器从一个接插件的针脚（Point）到另一个接插件针脚（Point）连起来的电气系统成为“点对点”连接式系统。随着汽车功能要求越来越多，电器间的协调工作关系越来越多，基于导线的协调控制方式会使得整车线束大大增加，且协调控制不灵活；电器之间的协调关系不断升级和变化，电器之间的这种依赖性往往需要系统进行重新设计。

汽车电子电器系统结构的演化与发展创新，其典型的结构是从点对点连接式架构、集中式控制架构和分布式架构，如图1-11a～c所示。

下面几个小节中，作者将针对不同时期的主流汽车电子电气架构形态做一些分析和说明，所谓“集中式”“分布式”等分类和称呼有些时候并不十分严格，读者在阅读和理解这些概念的时候需要注意。

1.3.1 集中式控制架构

既然“点对点”系统中用导线传递信号有诸多弊端，那么我们采用一个控制器，作为整车协调逻辑的中枢，即传感器的信号首先全部进入到这个中央的控制器，做完逻辑协调和控制运算之后将指令发送给执行器，完成整车层面所有功能，这被称为集中式控制架构。

1979年博世开始生产集电控点火和电子燃料喷射于一体的Motronic数字式发动机控制系统，是今天真正意义上的电子控制系统的雏形，也出现了今天我们熟悉的电子控制单元（Electrical Control Unit，ECU）。1981年宝马开始采用车载计算机技术；1981年用于安装到普通车辆的ABS系统开始生产；1983年奥斯汀·罗孚（Austin Rover）第一次采用有语音功能的仪表板。到了20世纪80年代中期，一些具有代表性的电子控制系统开始应用，比如发动机控制系统、制动防抱死控制系统、电子车身稳定性控制系统等，这些都可以看作是集中式控制架构的代表，系统和系统之间往往是没有联系、没有信号传递的。

1.3.2 分布式控制架构

20世纪90年代初期，CAN总线通信技术首先用在梅赛德斯汽车上得到应用，使得各个ECU之间能够进行实时的信息交换，使得整个电子电气架构出现了质的变化。

各个ECU之间通过总线连接在一起，通过厂商预先定义好的通信协议交换信息。因此这个时期的汽车电子电气架构也称为“分布式EEA架构”。在分布式EEA下，ECU通常都是特定于某个功能的，因此整车ECU数量很多。此时，ECU之间的通信能力是非常受限的，一般是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线来在需要协同的ECU之间进行点对点的通信。

一般而言，功能相仿、逻辑依赖性强或空间位置相近的ECU组成独立的内部网络，各个ECU之间通过本域的局部网络来进行协同合作。各网络一般是互相独立的，即域和域之间的通信功能非常有限，只是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线进行垮域通信。

汽车中央网关的加入使得功能模块之间数据通信变得更为容易。网关通过整合不同总线和网络的数据进行跨总线数据交换，比如：CAN、LIN、FlexRay和MOST等。汽车中央网关承担不同总线类型之间的协议转换工作，并参与各网段网络管理；根据实际需求路由信号和消息控制路由时序。从而实现不同模块和功能之间通信。如图1-12所示。

在汽车智能化、网联化的发展趋势下，这种分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。

1）总线的线束长度与重量问题。随着汽车功能的日益增加，每辆汽车搭载的ECU数量也逐年增加。据统计，近些年生产的汽车中平均每辆车搭载的ECU数量可达30个左右，而一些高端的车型这一数量甚至会超过100个。ECU数量越多，总线的线束长度必将越长，相应地总线的线束重量也必将大大增加。2000年奔驰S级轿车的电子系统已经拥有80个ECU，1900条总长度达4km的通信总线。2007年上市的奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度则已经突破6km，总重量超过70kg，基本是位列发动机之后的全车第二重的部件。

2）系统复杂度已接近极限。这一时期由于整车厂在技术竞争中落于下风，ECU的数量不受控地剧增，整车的电子电气系统硬件和软件复杂度大大增加，从而导致整个系统缺乏“灵活性（Flexibility）”和“可扩展性（Scalability）”。在这样复杂的系统中，增加一项新功能往往会引起整个系统中好多个环节的软硬件变更。这极大地制约了汽车功能的开发和升级。

3）通信带宽无法满足信息传递要求。汽车不断增加的传感器数量，也使得车载内部网络通信的数据量呈几何级数激增。以单个传感器的数据传输量测算，如辅助驾驶系统的雷达和摄像头各自产生的数据量都超过了100Mbyte/s。以一台配备有五个雷达传感器和两个摄像头传感器的汽车为例，在采集和存储期间，需要管理大约1GByte/s的海量数据。因此，传统的FlexRay、LIN和CAN低速总线等已经无法提供所需的高带宽通信能力。

4）软硬件紧耦合。由于软件嵌入硬件，每个ECU都与某个具体功能紧紧绑定在一起，无法实现横跨多个ECU/传感器的复杂功能，也无法通过远程通信来持续更新汽车上的软件系统。

上述这些问题和挑战，在汽车三化的发展背景下是质量、成本和时间的天敌；要解决这一问题，最有效的办法就是将多个分散的小传感器集成为功能更强的单个传感器，将多个分散的ECU按照功能域划分，集成到一个运算能力更强大的域控制器（Domain Control Unit，DCU）中。这一思想直接开启了汽车电子电气架构从“分布式到域集中式，再到中央加区域集中式”的升级和进化序幕。

1.3.3 域集中式架构

对数量众多的ECU开启模块化整合。将功能类似的ECU整合成一个模块，这也是“功能域（Function Domain）”的前身。随着ECU模块化的深入，出现了集成度更高、性能更强的ECU，原本多个功能单一的ECU进而融合成单个功能更强大的ECU。如图1-13所示。

随着模块化程度和ECU功能集成度的更进一步提高，就出现了“功能域（Function Domain）”的概念，功能域的出现是“域集中式EEA（Domain Centralized EEA）”的标志。从软、硬件架构上来看，域集中式EEA最直观的表现就是有了“域控制器（Domain Control Unit，DCU）”来作为整个功能域的核心。所谓域控制器是指域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等几部分组成的整个控制器的统称。

域主控处理器（Domain Host Processor）又是域控制器的大脑核心，通常由一个集成度更高、性能更强的处理器来担任。它一方面具备网关的协议转换功能，负责域局部的不同总线间的协议数据转换；另一方面由于它有更强的计算能力，因此它也会将本域中的其他ECU或者传感器所感知的信息都进行汇总处理和计算，再把结果发回给不同的执行器进行执行。如图1-14所示。

在基于域控制器的域集中式EEA中，传感器、ECU与功能特性不再是一对一的关系，也就意味着传感器与数据处理被分离开来。这点变化带来了诸多好处，包括：①集中式管理起来比较容易；②更高的集成度可以减少ECU的数量，平台的可扩展性也会更好；③在更强大的域主控处理器上可以运行更复杂的传感器融合算法，使得实现跨多个传感器的复杂功能成为可能。

对于功能域的具体划分，各汽车厂家会根据自身设计理念的不同，相应划分成几个不同的域。比如博世划分为5个域：动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）和自动驾驶域（ADAS）。这也就是最常见的五域集中式EEA。

伴随着域主控处理器性能的进一步增强，对主处理器需求比较类似的多个不同功能域可以进一步融合成一个功能域，也即融合成“跨域集中式EE架构”。大众MEB平台则划分为三个域：自动驾驶域、智能座舱域和车身控制域，华为对域的划分也跟大众MEB类似。这种三域集中式EEA可以理解为在5域集中式架构进一步融合的结果。也就是把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域。如图1-15所示。

域集中式EEA涉及的域控制器主要有4类，车控域控制器（Vehicle Domain Controller，VDC）、智能驾驶域控制器（ADAS/AD Domain Controller，ADC）、智能座舱域控制器（Cockpit Domain Controller，CDC）以及若干高性能网关，其中VDC负责整车控制，实时性安全性要求高；ADC负责自动驾驶相关感知、规划、决策功能的实现；CDC负责HMI交互和智能座舱相关（甚至整合T-Box）功能的实现。

1.3.4 中央集中式控制架构

随着功能域的深度融合，功能域（Function Domain）的概念反而将逐渐消失，域主控处理器演变为更加通用的计算平台，这就是车载“中央+区域（Central & Zonal）EEA”，也称为“中央集中式EEA（Vehicle Centralized EEA）”或者“区域EEA（Zonal EEA）”。

多个车载中央计算机（Vehicle Central Computer，VCC）组成一个异构服务器集群，作为一个通用计算平台（General Computing Platform，GCP），提供整车所需的计算、存储、通信和管理能力。因此，车载VCC平台可以被看作是一个缩微版的数据中心服务器集群。

平台的每个区域又会有一个区域计算机（Zonal Control Unit，ZCU），这里的区域是指车内位置空间上的区域概念。ZCU是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接“整车中地理意义上某一个区域内”的传感器、执行器以及ECU等，并负责本区域内的传感器数据的初步计算和处理，它本身也具有网关的协议转换功能（因此也称为Zonal Gateway），负责本区域内的网络协议转换。中央计算平台和区域计算平台都是功能域无关（Function Domain Independent）的通用计算平台，因此区域计算平台通常会支持各种常见的连接接口类型。

采用中央集中式的架构具有如下特征：

1）两级通信网络。时间敏感网络（Time Sensetive Network，TSN）以太网作为整车通信的主干网基础设施，要具备高带宽和实时通信，同时保证可靠性和容错操作特性；而在区域内，ZCU与ECU之间、ZCU与传感器之间的通信仍然采用诸如CAN、CANFD或LIN之类的中低速总线。

2）分级供电网络。一级配电网络（也就是骨干供电网络）有双电源保证供电冗余，它将电源输送到区域控制器ZCU节点。二级配电网络由区域控制器负责将电力继续向下输送到底层控制器，因此区域控制器需要具备电功率分配功能，以及电路保护功能。

1.3.5 汽车电子电气架构趋势

如果用电器和控制器的商来定义架构的一个分布指数 i ， i 为0～1之间的正实数，它能综合反映汽车电器系统中控制器相对于电器的控制水平和控制器的分布程度：分布指数越小，表明控制器所占比重越少，分布设计程度不高，反之则系统结构分布程度高。0表示没有控制器，系统为点对点连接系统结构，1表示全分布式电器系统结构，所有电器中均含有控制器。电子电气架构分布指数演进趋势如图1-16所示。

从点对点式连接系统到中央集中式构架，分布式EEA是“计算的分布式，供电的集中式”；而中央+区域EEA就是“供电的分布式，计算的集中式”，正好反过来。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。而ZCU作为分级通信和分级供电的区域节点，在整个体系中扮演了非常关键的角色。

随着汽车智能化、网联化发展，汽车电子底层硬件不再是由单一功能的芯片实现简单的逻辑计算，而是需要提供更为强大的算力支持；软件也不再是基于某一固定硬件开发，而是要具备可移植、迭代和拓展的特性。智能化与网联共同推动了汽车电子气架构的变革：一方面是车内网络拓扑的优化高速网络的启用，另一方面是ECU的功能进一步标准化、集成化、模块化，如图1-17所示。