隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)已難以滿足面向未來(lái)的車路云網(wǎng)一體化發(fā)展新需求。本文中聚焦面向未來(lái)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車多域電子電氣架構(gòu)，分別從總體設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)4個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述并對(duì)我國(guó)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展進(jìn)行展望。本文可對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)技術(shù)研究提供重要的參考價(jià)值。
前言
隨著車輛電氣化與智能化的長(zhǎng)足發(fā)展，汽車工業(yè)與移動(dòng)計(jì)算、泛在車聯(lián)、人工智能等ICT 技術(shù)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(yùn)行的新一代智能交通系統(tǒng)，有望極大地提升未來(lái)交通系統(tǒng)的運(yùn)力、能效、安全與駕乘體驗(yàn)［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(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然趨勢(shì)［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(luò)、人工智能緊密結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)車輛與多領(lǐng)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(yùn)輸工具向新一代智能終端的轉(zhuǎn)型的物理載體，對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)（electrical/electronic architecture，后文簡(jiǎn)稱E/E 架構(gòu)）的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和方法提出了新挑戰(zhàn)和新要求，催生了E/E 架構(gòu)技術(shù)的新變革。E/E 架構(gòu)技術(shù)作為ICV 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)之一，對(duì)整車軟硬件系統(tǒng)集成、功能實(shí)現(xiàn)、開(kāi)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(gòu)定義為實(shí)現(xiàn)整車功能的汽車電子電氣組件的組織結(jié)構(gòu)及其軟硬件系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)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(guān)系，以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)和演變的原則。作為ICV 系統(tǒng)本身及功能構(gòu)成的頂層設(shè)計(jì)，現(xiàn)有E/E 架構(gòu)存在何種不足、未來(lái)E/E架構(gòu)應(yīng)該如何設(shè)計(jì)才能滿足ICV的未來(lái)復(fù)雜需求和適應(yīng)新技術(shù)趨勢(shì)是汽車領(lǐng)域關(guān)注的重要問(wèn)題。目前已有眾多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了深入研究。Jiang 等［5］ 研究了E/E 架構(gòu)的演變趨勢(shì)，討論了電氣化、自動(dòng)駕駛和連接功能對(duì)E/E 架構(gòu)的影響，提出了E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針、內(nèi)容和實(shí)施過(guò)程。Navale 等［6］ 討論了自動(dòng)駕駛和網(wǎng)絡(luò)安全等功能日益增加導(dǎo)致車載通信網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)、硬件連接、安全方面的E/E架構(gòu)變革以及現(xiàn)有E/E架構(gòu)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(kuò)展性及可行性。Bandur等［7］ 分析了傳統(tǒng)分布式架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，從汽車功能的可擴(kuò)展性、架構(gòu)通信性能、成本和功能安全等方面論述了E/E 架構(gòu)由分布式向集中式演進(jìn)的趨勢(shì)。Zeng等［8］ 對(duì)車載通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開(kāi)研究，從系統(tǒng)成本、傳輸能力和容錯(cuò)性等對(duì)LIN、CAN、FlexRay、Ethernet 和MOST 多種車載通信協(xié)議對(duì)比分析。Zhu 等［9］ 基于需求驅(qū)動(dòng)分析了E/E 架構(gòu)的演變過(guò)程，展示了當(dāng)前先進(jìn)的E/E 架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、通信?biāo)準(zhǔn)、操作系統(tǒng)以及仿真平臺(tái)，提出基于軟件定義的分層可重構(gòu)定制的E/E 架構(gòu)的趨勢(shì)。崔明陽(yáng)等［10］ 提出ICV的架構(gòu)要從新概念車輛平臺(tái)架構(gòu)和與車路云融合系統(tǒng)架構(gòu)多維考慮，不僅要優(yōu)化自車架構(gòu)功能，更要滿足架構(gòu)共用、信息融合與控制協(xié)同的要求?？偟膩?lái)說(shuō)，電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用催生的汽車功能多元化、定制化需求是E/E 架構(gòu)升級(jí)的源動(dòng)力，也是當(dāng)前架構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的新挑戰(zhàn)。
綜合來(lái)看，ICV的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)亟須突破以下挑戰(zhàn)：（1）在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)上，現(xiàn)有基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程難以支撐全開(kāi)發(fā)周期高精度設(shè)計(jì)，構(gòu)建基于模型的設(shè)計(jì)理論和評(píng)估體系，以多元化需求為導(dǎo)向，強(qiáng)化架構(gòu)軟硬綜合匹配、功能安全、數(shù)據(jù)安全、信息安全設(shè)計(jì)。（2）在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，結(jié)合車輛功能設(shè)計(jì)ICV 專用智能控制器，實(shí)現(xiàn)提算力、降能耗；優(yōu)化電源系統(tǒng)與線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，降低整車成本與質(zhì)量。（3）在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，現(xiàn)有通信機(jī)制難以適應(yīng)暴漲的數(shù)據(jù)傳輸需求，亟須設(shè)計(jì)高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)、低時(shí)延抖動(dòng)的車載通信機(jī)制，強(qiáng)化通信網(wǎng)絡(luò)的可配置性和多通信協(xié)議的可擴(kuò)展性。（4）在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，軟件功能的差異化和快速迭代將成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。軟件定義汽車（software defined vehicle， SDV）與基于服務(wù)（service-oriented architecture， SOA）的軟件設(shè)計(jì)理念成為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基石，設(shè)計(jì)可解耦、可升級(jí)、易配置、高安全、個(gè)性化的軟件將成為整車企業(yè)角力的主戰(zhàn)場(chǎng)。上述挑戰(zhàn)形成了E/E 架構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重大需求牽引，如何引導(dǎo)E/E 架構(gòu)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展迭代是ICV 架構(gòu)設(shè)計(jì)亟須解決的重大問(wèn)題。本文在充分綜合大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)4 個(gè)角度對(duì)ICV 多域E/E 架構(gòu)研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
1 多域電子電氣架構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀
按照算力集中程度，本文將E/E 架構(gòu)劃分為分布式架構(gòu)、域集中式架構(gòu)和中央集中式架構(gòu)，各架構(gòu)特點(diǎn)論述如下。
1.1 分布式架構(gòu)
分布式E/E 架構(gòu)主要根據(jù)汽車功能劃分為不同的控制器網(wǎng)段。每個(gè)電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設(shè)計(jì)都基于特定功能需求展開(kāi)的，ECU之間主要通過(guò)CAN 總線傳遞彼此間的信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整車的功能，典型的硬件拓?fù)淙鐖D1 所示。在該架構(gòu)中，單一ECU 只負(fù)責(zé)單一功能的實(shí)現(xiàn)，一輛車往往分布著上百個(gè)ECU，各個(gè)ECU 不但直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和傳感器，而且承擔(dān)了業(yè)務(wù)功能的復(fù)雜控制邏輯。該架構(gòu)的軟硬件緊密耦合，每擴(kuò)展一個(gè)功能，很大程度上就需要增加相應(yīng)的ECU 和通信信號(hào)。由于ECU 擴(kuò)展計(jì)算能力不足、通信帶寬較受限、功能升級(jí)困難等問(wèn)題，制約架構(gòu)升級(jí)、影響汽車安全性能的瓶頸效應(yīng)明顯。此外，隨著ECU 部署增多，車內(nèi)的線束也會(huì)隨之延長(zhǎng)，不僅增加了整車質(zhì)量和成本，同時(shí)也給整車布置及裝配帶來(lái)了很大的困擾。
圖1 分布式架構(gòu)
1.2 域集中式架構(gòu)
隨著高算力芯片低成本大帶寬的車載以太網(wǎng)的應(yīng)用，域集中架構(gòu)的出現(xiàn)逐漸擺脫了分布式架構(gòu)在安全性、可擴(kuò)展性等方面的困境。域集中架構(gòu)的基本思路是根據(jù)功能將多個(gè)ECU 的功能進(jìn)行聚類，整車只部署幾個(gè)域控制器（domain control unit， DCU）主控。典型的基于中央網(wǎng)關(guān)的域集中架構(gòu)如圖2所示，該架構(gòu)各DCU 負(fù)責(zé)完成各域的數(shù)據(jù)處理與功能決策，對(duì)該域下屬的傳感器與執(zhí)行器進(jìn)行控制管理。域間通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)交換所需數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)形式不僅保證了域間可以根據(jù)需求進(jìn)行通信和互操作，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了信息安全與功能安全。
圖2 域集中式架構(gòu)
與傳統(tǒng)ECU 相比，DCU 具有強(qiáng)大的硬件計(jì)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(nèi)，域內(nèi)算力集中，提高了系統(tǒng)功能集成度。單個(gè)ECU 的作用弱化，復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化以及信訊性能升級(jí)，域集中架構(gòu)是架構(gòu)設(shè)計(jì)思想由信號(hào)驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)向?yàn)镾OA 模式的分水嶺。在域集中架構(gòu)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(yuǎn)程升級(jí)（OTA）與硬件部署更加便捷，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化接口也使得傳感器與執(zhí)行器模塊無(wú)須與具體ECU 相對(duì)應(yīng)，從而支持零部件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。
1.3 中央集中式架構(gòu)
為進(jìn)一步降低車內(nèi)結(jié)構(gòu)連接的復(fù)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(gòu)將域集中架構(gòu)中的多個(gè)DCU 進(jìn)一步的融合，形成一個(gè)或多個(gè)擁有算力更強(qiáng)的多核異構(gòu)SoC 芯片以及多種操作系統(tǒng)組合的中央計(jì)算平臺(tái)（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(gòu)典型的拓?fù)淙鐖D3 和圖4 所示。在該架構(gòu)中，各采集、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)將原始數(shù)據(jù)通過(guò)ZCU 傳輸?shù)蕉鄠€(gè)或一個(gè)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(dān)數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。多個(gè)ZCU 之間通過(guò)以太網(wǎng)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了通信冗余及可靠性。按照區(qū)域進(jìn)行傳感器與執(zhí)行器的就近接入簡(jiǎn)化了構(gòu)型布置，縮短了線束長(zhǎng)度。如圖 4 所示，架構(gòu)將整車控制計(jì)算功能全部集中到一個(gè)CCP中，但是從目前的技術(shù)能力來(lái)看，圖3 所代表的多CCP 架構(gòu)，從硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)以及安全冗余都比單CCP要求更低，是當(dāng)前架構(gòu)的主流方案。
圖3 多中央計(jì)算單元的中央集中式架構(gòu)
圖4 單中央計(jì)算單元的中央集中式架構(gòu)
綜合來(lái)看，E/E 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)→域集中式架構(gòu)→中央集中式架構(gòu)發(fā)展帶來(lái)了以下優(yōu)勢(shì)：
（1）算力集中化，算力利用率更高。汽車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，大部分時(shí)間僅部分芯片執(zhí)行計(jì)算工作，導(dǎo)致分散的各個(gè)獨(dú)立功能的ECU 運(yùn)算處理能力處于閑置中，采用計(jì)算集中架構(gòu)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(shí)現(xiàn)整車功能協(xié)同。傳統(tǒng)分布式架構(gòu)從執(zhí)行器、傳感器、控制器、軟件算法等都是緊耦合設(shè)計(jì)，造成跨部件跨ECU 級(jí)特性設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)效率低、升級(jí)困難等問(wèn)題。集中式架構(gòu)（后文代指域集中式架構(gòu)和中央集中式架構(gòu)）為軟硬件解耦提供基礎(chǔ)，減少ECU 數(shù)量，實(shí)現(xiàn)真正意義上的整車級(jí)特性開(kāi)發(fā)，便于快速迭代和上市，大幅降低開(kāi)發(fā)和升級(jí)成本。
（3）縮短整車線束長(zhǎng)度和質(zhì)量，降低故障率。傳統(tǒng)分布式ECU 造成線束較長(zhǎng)、錯(cuò)綜復(fù)雜以及導(dǎo)致電磁干擾，故障率較高。集中式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件區(qū)域接入，縮短線束長(zhǎng)度、降低整車質(zhì)量。
（4）為軟硬件解耦奠定基礎(chǔ)，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(gòu)實(shí)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(tái)化，擴(kuò)展性增強(qiáng)。集中式架構(gòu)下ECU 的功能被弱化，傳感器和執(zhí)行器接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，域控制器和區(qū)域控制器可根據(jù)需求調(diào)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(gòu)總體設(shè)計(jì)技術(shù)
2.1 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)
傳統(tǒng)汽車E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)E/E 元器件進(jìn)行合理的排布以達(dá)到性能最優(yōu)、成本最低［11］ ，而多域E/E 架構(gòu)不僅要滿足傳統(tǒng)目標(biāo)，還須成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車軟硬件搭載的基礎(chǔ)設(shè)施、汽車系統(tǒng)功能與性能的支撐載體。ICV 多域E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)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(guān)系，實(shí)現(xiàn)軟硬件映射。
（2）權(quán)衡功能交互、成本、供配電等因素設(shè)計(jì)硬件空間拓?fù)?、連接拓?fù)浜屯ㄐ磐負(fù)洹?/span>
（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(shè)計(jì)方案。
（4）最終降低系統(tǒng)重復(fù)性，提高系統(tǒng)可驗(yàn)證性、高集成性、高安全性與可擴(kuò)展性。
2.2 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)與評(píng)估方法
ICV 功能配置的復(fù)雜性與多樣性引發(fā)了E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法的相應(yīng)變革。目前基于模型（model based systems engineering，MBSE）的汽車E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法逐步引起重視。MBSE 從E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)伊始即以模型的形式進(jìn)行表達(dá)，對(duì)各復(fù)雜系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)與行為等進(jìn)行基于圖的無(wú)二義性說(shuō)明、分析、設(shè)計(jì)等，從而在相關(guān)設(shè)計(jì)人員間建立統(tǒng)一的交流平臺(tái)。MBSE 方法可解決整車E/E 架構(gòu)研發(fā)過(guò)程中的工程數(shù)據(jù)不一致性、可驗(yàn)證性、可追溯性等問(wèn)題，降低整車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度、盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提升開(kāi)發(fā)效率和降低開(kāi)發(fā)成本以及后期維護(hù)成本。圖5 為基于MBSE 的汽車E/E 架構(gòu)V 字型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。
圖5 V字型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程
E/E 架構(gòu)設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)核心任務(wù)之一，E/E 架構(gòu)評(píng)估是架構(gòu)方案再優(yōu)化的直接參考依據(jù)。綜合目前E/E 架構(gòu)的主流開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程及面向ICV 的E/E架構(gòu)需求，確定多域E/E 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容主要包括以下5 個(gè)方面：架構(gòu)需求定義、架構(gòu)功能設(shè)計(jì)、架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、架構(gòu)分析評(píng)估。
2.2.1 架構(gòu)需求定義
無(wú)論是傳統(tǒng)還是多域E/E 架構(gòu)開(kāi)發(fā)，都必須從市場(chǎng)需求角度出發(fā)，進(jìn)行全面的需求分析。基于分析評(píng)估，架構(gòu)需求定義需要確定功能方案實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，制定開(kāi)發(fā)車型的整車需求，明確整車系統(tǒng)及各個(gè)子系統(tǒng)的需求，并同時(shí)制定出整車驗(yàn)證測(cè)試規(guī)范［12］ 。分析開(kāi)發(fā)需求的最終目的是確定系統(tǒng)的內(nèi)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(shí)現(xiàn)的功能與非功能需求。通過(guò)需求分析，識(shí)別出開(kāi)發(fā)目標(biāo)和開(kāi)發(fā)約束，是整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)［13］ 。
2.2.2 架構(gòu)功能設(shè)計(jì)
根據(jù)架構(gòu)的需求定義完成架構(gòu)的總體功能設(shè)計(jì)。為降低E/E 架構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)總體功能進(jìn)行細(xì)分切割，對(duì)軟硬件進(jìn)行解耦。常用的功能設(shè)計(jì)方法首先將整車功能劃分為一級(jí)功能域級(jí)別，再對(duì)功能域進(jìn)行詳細(xì)的二級(jí)功能劃分，以實(shí)現(xiàn)將二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中控制器的功能移至域控制器，為后續(xù)高級(jí)的功能落地提供基礎(chǔ)，支持更高級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)［14］ 。功能架構(gòu)設(shè)計(jì)階段須完成初版網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、電子電氣方案、子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、功能方案等設(shè)計(jì)工作。
2.2.3 架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
根據(jù)架構(gòu)功能，提取架構(gòu)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體包括硬件拓?fù)浼軜?gòu)、連接拓?fù)浼軜?gòu)、通信拓?fù)浼軜?gòu)。通過(guò)對(duì)拓?fù)浼軜?gòu)細(xì)化優(yōu)化，輸出最優(yōu)拓?fù)浞桨福瑸槠渌O(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)規(guī)范。硬件拓?fù)浼軜?gòu)主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內(nèi)部構(gòu)成及其對(duì)外接口的詳細(xì)信息，包括部件與其它部件的組合關(guān)系，以及部件的內(nèi)部細(xì)節(jié)。連接拓?fù)浼軜?gòu)描述了各部件之間的邏輯連接方式及實(shí)現(xiàn)情況，包括具體的導(dǎo)線、線纜連接方式、保險(xiǎn)繼電器盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。通信拓?fù)浠谟蜷g/域內(nèi)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(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)上述階段制定的電源分配圖、接地點(diǎn)、整車Planview 以及供應(yīng)商提供的接口控制文件，架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)須完成整車原理、接口定義及功能規(guī)范設(shè)計(jì)，并搭建整體架構(gòu)模型。通過(guò)拓?fù)鋵有畔?、已有開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)輸入等條件的支撐，實(shí)現(xiàn)正確的邏輯和算法定義。完成系統(tǒng)級(jí)E/E 架構(gòu)的解決方案制定和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證測(cè)試規(guī)范制定。最終實(shí)現(xiàn)功能下發(fā)，更新到產(chǎn)品部件設(shè)計(jì)中加以落實(shí)和驗(yàn)證［15］ 。
2.2.5 架構(gòu)分析評(píng)估
傳統(tǒng)的E/E 架構(gòu)在裝車前實(shí)現(xiàn)整車仿真較難，多數(shù)只完成部件級(jí)仿真。隨著RTaW［16］ 、CANoe［17］和VEOS［18］ 等架構(gòu)評(píng)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(gòu)仿真評(píng)估軟件進(jìn)行功能、通信、安全等方面的迭代驗(yàn)證與優(yōu)化［19］ 。
多域E/E 架構(gòu)的分析評(píng)估，除硬件成本、開(kāi)發(fā)成本、生產(chǎn)成本、保修成本、車輛性能燃油經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量等傳統(tǒng)目標(biāo)外，還需要關(guān)注以下新問(wèn)題：
（1）是否滿足用戶個(gè)性化需求及未來(lái)可能的需求變化，主要在于能夠滿足自動(dòng)駕駛L3 等級(jí)及以上車輛架構(gòu)需求變化。
（2）平臺(tái)是否具有良好的沿用性以及平臺(tái)公用性，能否滿足高等級(jí)自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)的基本技術(shù)需求，具有超前的技術(shù)先進(jìn)性［20］ 。
3 多域電子電氣架構(gòu)的硬件系統(tǒng)
3.1 功能域控制器及關(guān)鍵技術(shù)
為了減少總線長(zhǎng)度與ECU 數(shù)量，以達(dá)到減輕電子部件質(zhì)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(yùn)算能力更強(qiáng)、接口更為豐富的DCU?，F(xiàn)有技術(shù)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(fù)責(zé)整車動(dòng)力系統(tǒng)控制、底盤(pán)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(hào)的采集，集成高算力異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)以支撐復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，結(jié)合高精地圖和導(dǎo)航等信息進(jìn)行環(huán)境識(shí)別、路徑規(guī)劃，并輸出整車控制指令，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能駕駛功能［21］ 。典型的自駕域控制器如圖6 所示，計(jì)算平臺(tái)上集成有通用計(jì)算單元、AI計(jì)算單元、實(shí)時(shí)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(lè)系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程信息等，同時(shí)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(qiáng)大的處理能力以及復(fù)雜的操作系統(tǒng)，由主控芯片、實(shí)時(shí)微處理器、數(shù)字信號(hào)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(guān)鍵技術(shù)
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(luò)接口，充當(dāng)區(qū)域網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)將電力向下輸送到控制器、執(zhí)行器等用電設(shè)備，現(xiàn)階段趨向于用電子保險(xiǎn)絲（eFuse）替代傳統(tǒng)的繼電器加熔斷絲的方案，以實(shí)現(xiàn)智能管理。同時(shí)ZCU 具備吸收區(qū)內(nèi)其他ECU功能的能力，將區(qū)內(nèi)的功能在服務(wù)層面進(jìn)行抽象，控制I/O虛擬化。因涉及到對(duì)安全性、實(shí)時(shí)性以及可靠性要求較高車控功能，ZCU 主控芯片一般會(huì)配備ASIL-D的MCU，后續(xù)發(fā)展有引入高算力計(jì)算單元的趨勢(shì)［23］ 。
圖8 區(qū)域控制器功能示意圖
3.3 中央計(jì)算單元及關(guān)鍵技術(shù)
中央計(jì)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(guān)的業(yè)務(wù)邏輯，同時(shí)須具高帶寬低時(shí)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(jì)算單元硬件層面上大多會(huì)采用多顆異構(gòu)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(gòu)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(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。硬件隔離式是在軟件設(shè)計(jì)階段劃定各個(gè)核心運(yùn)行的操作系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)依然在硬件上進(jìn)行隔離，擁有專屬硬件資源；而軟件虛擬式中操作系統(tǒng)沒(méi)有專屬的硬件資源，硬件資源由Hypervisor層動(dòng)態(tài)調(diào)配。
3.4 電源系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)
隨著整車電氣負(fù)載的增加、電氣架構(gòu)的發(fā)展、半導(dǎo)體技術(shù)的突破，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)已從電源部件的組合轉(zhuǎn)型為電源網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電源網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)計(jì)。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(hù)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(wú)法再利用的問(wèn)題。現(xiàn)階段電源系統(tǒng)主要技術(shù)路線是保護(hù)和控制的融合，使用基于MOSFET 的eFuse 進(jìn)行配電［25］ 。單個(gè)芯片集成驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、EMC以及開(kāi)路短路等各種診斷。
3.5 線束系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)
線束對(duì)整車電器電子功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，也是架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。在線束布置的總體設(shè)計(jì)中要充分考慮各相關(guān)的邊界條件，充分考慮各相關(guān)件對(duì)線束布置可能產(chǎn)生的影響，并對(duì)相關(guān)件的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)合理的要求。陳華夢(mèng)［26］ 分析了汽車線束的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，基于數(shù)學(xué)層次模型和優(yōu)化模型來(lái)達(dá)到線束設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)方法，設(shè)定了線束回路數(shù)、平均線徑、質(zhì)量、成本、總線負(fù)載率、可擴(kuò)展性和可靠性等方面的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)線束系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估。目前線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨向于成熟化、全面化，基于PREEvision 軟件展開(kāi)的多維度、多目標(biāo)線束建模、設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化方法極大地簡(jiǎn)化了線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率，提升了設(shè)計(jì)效果。
轉(zhuǎn)自智能汽車設(shè)計(jì)
