面向量產的整車電子電氣架構演變

小毛HYL 2020-08-06

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前言

在數字化重塑的浪潮下，一場深刻的汽車電子電氣（E/E）構架變革正在醞釀，從分布式架構到域集中架構，從域集中到跨域融合，從跨域融合再到最終的中央計算平臺，這個演化過程已經成為行業的共識。不管是那張經典的博世對于EEA的演化示意圖，還是其他相似示意圖，都對趨勢有了相似的指引和預測。

博世EEA演進圖

新型EEA行業格局

今天，E/E構架設計面臨四大挑戰：功能安全、實時性、帶寬瓶頸、算力黑洞。為此，智能汽車E/E構架正從分布式走向集中式；其終極形態將是超級中央計算機。

整體上講，過去幾年多樣化的EEA設計，現在終于開始收斂了。畢竟，方案上即便存在相互“借鑒”，也都是帶著腦子借鑒的，消化消化，靠譜的方案終歸會有更多追隨者。目前看來，基本上兩種方案比較主流：第一種，三域架構，利用三個大型域控制器實現車控、智駕、信息娛樂三個域的功能；國內不少新造車勢力也在搞這種架構。第二種，Zonal架構，比較終極的方案，可能需要更長時間來實現。

傳統的分布式EEA，使得車輛的本質屬于機電一體化的機械載具，而非數字化/信息化的半導體設備；若想要汽車真正變成一臺類似蘋果手機一樣的智能設備，首先需要實現集中式的EEA；然后基于集中化的硬件基礎，實現軟件的SOA架構（基于AUTOSAR，或者像特斯拉一樣不care）和基于服務的通信，才能成為現實。

三域EEA

顧名思義，是指車控域、智能駕駛域和智能座艙域（注：自己起的名字，沒有出處...）。

其中，車控域基本將原動力域、底盤域和車身域等傳統車輛域進行了整合；智能駕駛域和智能座艙域則專注實現汽車的智能化和網聯化。

涉及的零部件主要有4類，車控域控制器（VDC，Vehicle Domain Controller）、智能駕駛域控制器（ADC，ADAS\AD Domain Controller）、智能座艙域控制器（CDC，Cockpit Domain Controller）以及若干高性能網關，其中：

VDC作為Private DCU，負責整車控制，實時性安全性要求高；
ADC作為Public DCU，負責自動駕駛相關感知、規劃、決策相關功能的實現；
CDC作為Public DCU，負責HMI交互和智能座艙相關（甚至整合T-Box）功能的實現；

三域架構常見的實踐包括：

大眾的MEB平臺（首款車ID3）的E3架構

即由3個車輛應用服務器（ICAS，即In-Car Application ）組成的新型集中式EE架構，具體包括：車輛控制服務器ICAS1、智能駕駛服務器ICAS2和信息娛樂服務器ICAS3；

圖1 大眾對車載服務器的概念設計

圖2 大眾的E3架構的通信方式

偉世通對三域架構的proposal：

圖3 偉世通的三域架構概念

華為的CC架構

CC架構比較特殊，把智能網聯也囊括了，應該是IOT視角的中心計算（云）+通信（管）+邊緣計算（端）這種思路。從華為的視角，所有業務都分為“云”、“管”、“端”；把端做多做大了，就像往懸崖對面拉了更多的鎖鏈，橋（華為的“管”，各種基站啥的）就更結實穩固了。手機、汽車、智能家居，都屬于各種“端”。而華為的汽車三域架構，也屬于“端”（車端）的范疇。因此車端的EE架構算是CC架構包含的一個“小架構”，也是VDC、ADC、CDC和網關等部件組成。另外，華為將ADC叫做MDC（大名鼎鼎的“移動數據中心”，Mobile Data Center），以后有機會可以聊一聊MDC300；

圖4 華為的CC架構

寶馬三域EEA

寶馬新一代電子架構于2016年初開始設計，2018年9月正式量產，大量使用以太網和域控制器。

圖5 寶馬新一代整車電子架構

Zonal EEA

中央&區架構都有什么好處呢？

線束方面：簡化線束復雜度，減少線束用量（重量和成本也同步降低）；尤其在復雜功能需求驅動的背景下，能夠有效平抑復雜度。例如，不斷增加的執行器和傳感器，不斷增加的數據處理能力和數據帶寬，不斷增加的智能配電需求，等等，都需要類似中央&區的EEA來解決這些潛在的問題。

圖6 Zonal EEA如何減少線束

制造方面：線束簡化，增加了產線自動化的潛力；
空間和安裝位置：節省了安裝空間；
軟件更新靈活性：只需要在車載中央計算機更新APP即可。

中央計算單元

中央計算單元是EEA中最關鍵，不管是按區域的架構，還是以后的純中央計算平臺，其硬件構型從根本上決定了軟件架構的設計方向。

圖7 中央計算單元構型

中央計算單元可以分為以下三種形態：

分離式
硬件隔離式
軟件虛擬式

分離式是指，將多個不同的芯片集成到一個中央計算單元上去，每個運行不同的操作系統，只是在形態上集中到了一起，各單元依然獨立的完成各自任務，代表如特斯拉AP，奧迪zFAS等。

硬件隔離式是指，在統一的計算平臺上采用虛擬化方案，同時運行多個操作系統，但是各個系統依然在硬件上進行隔離，每個系統都有自己的專屬硬件資源。

軟件虛擬式是指，在統一的計算平臺上采用虛擬化方案，同時運行多個操作系統，每個操作系統所使用的硬件資源，由Hypervisor層動態調配，每個系統并沒有專屬的硬件資源。

分離式最大的好處就是功能邊界清晰，相比于傳統的獨立的BOX，只需要在電路設計上，把每個芯片放在不同的PCB板，然后將多塊PCB疊加在一起。壞處就是，硬件資源浪費，每個芯片都需要一個最小系統，并且硬件上還沒法拓展。

硬件隔離式和軟件虛擬式，都采用了虛擬化方案，唯一不同點在于硬件資源是否專屬，如果是專屬的，就意味著資源無法動態調配，容易產生資源浪費。虛擬化方案最大的好處是，硬件上的可拓展性，如果中央計算單元采用刀片式的設計結構，可以很方便的拓展計算單元的算力，而不用替換整個計算單元。

區控制器（Zonal Controller）

中央&區架構概念中，車載中央計算機（也有叫中央控制器、中央計算平臺...）固然重要，但是搞清楚區控制器（Zonal Controller）更重要。根據獲得的資料顯示，區控制器所扮演的角色主要是充當網關、交換機和智能接線盒的角色，提供并分配數據和電力，并實現車輛特定區域的feature，具體來講：

關于數據分發：

1.支持任何類型的傳感器、執行器和Display（顯示器）的接口；

2.區域內，區控制器與低階的ECU通信時，有可能會用10BaseT1s（無屏蔽雙絞線以太網1）代替其他的通信方式，比如CAN、FlexRay等；因此，也會充當IP-based設備（以太網通信設備）與骨干網（車載中央計算機與區控制器級之間的以太網通信）之間的交換機角色；當然，如果區域內的通信不完全被10BaseT1s以太網替代時（有CAN、LIN等通信存在），還會充當傳統設備的網關；

3.關于TSN骨干網（以太網），要具備高帶寬和實時通信，同時保證可靠性和fail-operational特性；

關于分級配電（供電）：

1.一級配電網絡，雙電源（冗余）將電力輸送到區控制器；

2.二級配電網絡，區控制器負責將電力繼續向下輸送到底層控制器，因此區控制器需要具備高邊power distribution功能，以及eFuse（電子熔絲）等功能；

關于車輛特定區域的feature實現：

區控制器會配置ASIL等級高的MCU，以及其他應用芯片，來實現車輛區域的各種基本功能。

中央&區架構中SOA架構的部署

在Central&Zone架構中，部署SOA有以下好處：

功能不再與ECU關聯，而是與區關聯；
單個feature可由不同ECU所提供的服務構成，而非一個功能對應一個控制器盒子；
業務邏輯（Business Logic）放在車載中央計算機中實現；

能夠有效解決以下問題：

保證功能在不同ECU或區之間的可移植性；
增加SWC的重用性；
有助于物理連接向邏輯連接進行抽象；
傳統通信機制得以保留；比如關鍵任務ECU（ESP）能夠保留，并仍舊使用基于信號（signal-based）的通信；可使用Classic-AUTOSAR將服務（Services）映射到傳統的ECU中；
新增功能不需要改變ECU和線束（降低拓撲復雜度、增加線束優化潛力），直接在車載中央計算機中添加就行。

中央&區架構實現的一些挑戰：

供電與數據傳輸集成在一起（通過區控制器），對EMC測試的挑戰很大；
散熱問題；
安全問題；缺失相關標準；

Zonal EEA常見的實踐包括：

特斯拉的Zonal EEA：

車載中央計算機其實是偽“中央”，是Autopilot ECU和MCU（Media Control Unit，其實就是車機），以及網聯模塊堆疊在一起組成的CCM（中央計算模塊），湊一起，蹭同一套液冷系統；

圖8 Model3 Zonal EEA

豐田的Zonal EEA：

豐田的EEA屬于典型的Zonal-EEA。首先，在硬件上，通過ECU的集成來降低控制器成本；軟件上，使用基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR的SOA架構，實現便捷的軟件迭代和功能的可擴展性；線束上，最大程度減少線束長度，降低線束設計復雜度，減重降本，提高產線自動化；安裝空間上，集中化的架構減少了ECU數量和線束長度，騰出更多空間，為后續迭代預留空間。

圖9 豐田的Zonal EEA概念

圖10 豐田認為Zonal EEA幾個較有優勢的點

沃爾沃的Zonal EEA：

沃爾沃的Zonal EEA包括Core System和Mechatronic Rim，不過將ZCU劃入了中央計算集群中；同時還定義了與核心計算系統相對應的概念：機電一體化區域，其實如果以VIU為節點看的話，也可以分出幾個區來。VCU對應VCC；冗余設計；VIU對應ZCU。

圖11 沃爾沃的Zonal EEA概念

安波福的Zonal EEA

即SVA架構；供應商層面的Zonal EEA啊，是靠自己能力搞不出來Zonal EEA的OEM的福音啊，又可以直接買買買了。

圖12 APTIV的SVA 架構

圖13 SVA架構部署時間表

博世的Zonal EEA概念：

圖14 博世的Zonal EEA概念，區有點多...

圖15 減少線束是主要目的之一

偉世通的Zonal EEA概念

圖16 偉世通對Zonal EEA的設計概念

圖17 偉世通對區控制器的一些概念設計

結語

從技術上，中央計算機-層-區的概念將建立起智能汽車的新構架。區是局部控制、感知與執行單元，層是按照職能劃分的資源池，中央計算機是真正的決策大腦，面向應用/服務，調用各層資源，執行高級決策，由區控制單元執行決策或完成態勢感知任務。

對于車載E/E構架來說，中央計算機概念是全新的，但對于PC和手機行業，都已經是非常成熟的概念。當智能化浪潮從IT行業延伸到汽車的時候，我們看到了相同的故事正在上演，汽車行業的基因正在發生改變。

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