1.1.2 汽車電控系統(tǒng)發(fā)展前沿

進(jìn)入21世紀(jì)后，汽車的“新四化”正在引領(lǐng)汽車行業(yè)發(fā)生重要的變革，汽車的功能越來(lái)越多樣、復(fù)雜，汽車電子控制系統(tǒng)及其電子電氣架構(gòu)也在不斷變革，并逐漸從分布式架構(gòu)向集中式架構(gòu)演進(jìn)?，F(xiàn)階段，大多數(shù)汽車還是采用分布式架構(gòu)，車輛的各功能由不同的單一ECU通過(guò)車載控制總線相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)，一輛車往往分布著上百個(gè)ECU，線束長(zhǎng)度從1.5mile（1mile=1609.344m）增加到2.5mile。在這種架構(gòu)下，大量ECU會(huì)相互協(xié)同工作，共同為駕駛?cè)颂峁└鞣N功能。但這種架構(gòu)已經(jīng)快要“到達(dá)極限”了，不可避免地帶來(lái)以下問(wèn)題：

1）電子電氣部件占據(jù)整車大量有效空間。

2）硬件成本、功耗、重量增加，導(dǎo)致油耗也隨之增加。

3）整車的架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度增大。

4）架構(gòu)的復(fù)雜性增加（協(xié)議、線束、ECU、網(wǎng)關(guān)等）。

5）整車總線負(fù)載率Overload增加。

6）某些信號(hào)會(huì)在多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)發(fā)送。

7）不同ECU之間工作大多不能協(xié)同，算力浪費(fèi)。

8）功能分布在不同的ECU中，空中下載技術(shù)（OTA）升級(jí)困難。

9）不同的ECU往往由不同的供應(yīng)商開(kāi)發(fā)，軟件框架難以復(fù)用。

10）垂直孤島式開(kāi)發(fā)，對(duì)供應(yīng)商比較依賴。

為了解決這些問(wèn)題，許多車企及Tier 1廠家開(kāi)始著力于集中式電子電氣架構(gòu)的研究。2017年特斯拉Model 3發(fā)布，全新一代的集中式E/E架構(gòu)才呈現(xiàn)在人們面前。為了解決高昂的成本，且不丟失“域”的軟件集中的核心概念。特斯拉在Model 3上重新劃分了“域”。在新的概念中，不再存在傳統(tǒng)的車身域、動(dòng)力域等，取而代之的是物理空間上劃分的“區(qū)域Zone”。Model 3的電子電氣架構(gòu)只有三大部分：中央計(jì)算模塊（Center Compute Module，CCM）直接整合了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）和信息娛樂(lè)系統(tǒng)（In-Vehicle Infotainment，IVI）兩大域左車身控制模塊和右車身控制模塊分別負(fù)責(zé)剩下的車身與便利系統(tǒng)（Body and Convenience）、底盤(pán)與安全系統(tǒng)（Chassis and Safety）和部分動(dòng)力系統(tǒng)（Powertrain）的功能。圖1-12為傳統(tǒng)汽車的分布式電子電氣架構(gòu)與特斯拉集中式電子電氣架構(gòu)的對(duì)比。

安波福（APTIV）也在2020年CES上推出了其智能汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)。安波福所推出的SVA架構(gòu)主要在兩大領(lǐng)域進(jìn)行了革新——數(shù)據(jù)動(dòng)力中心及開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)。

數(shù)據(jù)動(dòng)力中心（Power Data Center，PDC）就好比筆記本計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展塢，它帶有多個(gè)輸入端，可以充當(dāng)其他設(shè)備的接入界面。數(shù)據(jù)動(dòng)力中心可以帶來(lái)數(shù)字智能融合解決方案，在故障情況下，可以在幾毫秒內(nèi)切換動(dòng)力供應(yīng)；在網(wǎng)絡(luò)方面，安波福將傳感器及周邊設(shè)備與當(dāng)前的以太網(wǎng)、CAN或低壓差分信號(hào)（LVDS）等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接，并將它們連入冗余的雙絞線主干；在區(qū)域控制方面，安波福增加了強(qiáng)大的應(yīng)用處理器，使我們能夠向上集成和控制特定區(qū)域內(nèi)的多種屬性及功能。

開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)是一種全新的、更具邏輯的中央計(jì)算策略：當(dāng)智能汽車架構(gòu)將輸入輸出端移出計(jì)算機(jī)、由數(shù)據(jù)動(dòng)力中心統(tǒng)一管理時(shí)，面向未來(lái)的中央計(jì)算架構(gòu)便由此誕生。安波福的開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)是一種靈活的計(jì)算平臺(tái)，帶有智能抽象的軟件框架，可以解決車輛的軟件工作負(fù)荷問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、圖像、人工智能、網(wǎng)絡(luò)及汽車功能安全的最佳平衡。通過(guò)開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)，新架構(gòu)可以根據(jù)車輛內(nèi)工作負(fù)荷的整體計(jì)算需求定制協(xié)同處理器。安波福的開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)可以同時(shí)運(yùn)行各種應(yīng)用，從后門控制、信息娛樂(lè)，到自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)應(yīng)用。該開(kāi)放式服務(wù)器平臺(tái)不僅增強(qiáng)了計(jì)算能力，還具有靈活的軟件框架及智能抽象，邏輯域幾乎接近所代表的實(shí)體。這一設(shè)計(jì)突破可以使在汽車的各個(gè)控制器上開(kāi)發(fā)或改進(jìn)的軟件實(shí)現(xiàn)“脫離”，重新打包及向上集成到服務(wù)器平臺(tái)上。安波福推出的智能汽車架構(gòu)（SVA）如圖1-13所示。

近些年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)日趨成熟。因此現(xiàn)在的電子電氣架構(gòu)不僅要滿足車輛本身的功能和車輛本身的服務(wù)，還要延伸到云端，實(shí)現(xiàn)車與車之間的互聯(lián)、車與交通設(shè)施之間的互聯(lián)、車與人之間的互聯(lián)，這些都將通過(guò)電子電氣架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以將來(lái)的電子電氣架構(gòu)是互聯(lián)的電子電氣架構(gòu)。車內(nèi)E/E架構(gòu)和云端架構(gòu)越來(lái)越接近。越來(lái)越多的汽車功能與云端交換數(shù)據(jù)或部分功能運(yùn)行在云端。因此，功能分離、編碼和防火墻等方面變得越來(lái)越重要。這些安全模式已經(jīng)存在于信息技術(shù)和消費(fèi)電子行業(yè)，并且可以轉(zhuǎn)移到汽車領(lǐng)域。基于云端的整車電子電氣架構(gòu)如圖1-14所示。

博世公司的電子電氣架構(gòu)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃：整車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展分為模塊化階段（一個(gè)功能一個(gè)ECU硬件）、功能集成階段、中央域控制器階段、跨域融合階段、車載中央計(jì)算機(jī)和區(qū)域控制器階段、車載云計(jì)算階段共6個(gè)階段，如圖1-15所示。

隨著域控制器的提出，軟件將根據(jù)相應(yīng)功能重新分類。未來(lái)的汽車電子電氣系統(tǒng)將越來(lái)越面向駕駛?cè)瞬⒁悦嫦蚍?wù)為導(dǎo)向。車載娛樂(lè)系統(tǒng)、人車交互系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將扮演愈發(fā)重要的角色，其代碼量也必將與日俱增。為了應(yīng)對(duì)這一系統(tǒng)性變革，必須將相應(yīng)的軟件系統(tǒng)從分散在各處的電子控制器中剝離出來(lái)并重新集成在相應(yīng)的域控制器中。圖1-16展示了一種未來(lái)可能的汽車電子電氣架構(gòu)。左上角為面向駕駛?cè)说挠蚩刂破鳎饕?fù)責(zé)人機(jī)交互功能。它從傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)等控制器中分離出來(lái)，并通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)與其他域控制器進(jìn)行通信連接。

當(dāng)我們?cè)谟懻撚蚩刂破鞯臅r(shí)候，是要利用其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力為龐大的汽車軟件集中運(yùn)算提供支持，當(dāng)今許多量產(chǎn)的汽車電子控制器大多采用的是依據(jù)AUTOSAR或OESK開(kāi)發(fā)的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在軟件系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不同的功能函數(shù)被事先定義好的排序文件依次調(diào)用、逐個(gè)運(yùn)行。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是資源分配問(wèn)題被事先一次性解決。每個(gè)函數(shù)的具體運(yùn)行區(qū)間也被提前鎖定。這滿足了一些對(duì)于行車安全有苛刻要求的功能函數(shù)的運(yùn)行需求，比如決定安全氣囊是否打開(kāi)的功能函數(shù)會(huì)固定地幾毫秒運(yùn)行一次，以便在緊急情況下確保安全氣囊得以及時(shí)打開(kāi)。