電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮哪些方面？

當(dāng)前車輛日益復(fù)雜，車聯(lián)網(wǎng)功能在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都在不斷增加，而更強(qiáng)大的智能功能也逐步增加。

所有這些高級(jí)功能都依賴于線束和控制器才能發(fā)揮作用。然而面對(duì)日益增加的車輛復(fù)雜性和產(chǎn)品開發(fā)周期縮短的壓力，導(dǎo)致汽車制造商和系統(tǒng)集成商的成本和時(shí)間壓力增加。

因此汽車制造商紛紛革新現(xiàn)有的的電子電氣架構(gòu)，像國內(nèi)小鵬的X-EEA3.0中央計(jì)算平臺(tái)+區(qū)域控制架構(gòu)、廣汽埃安的中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)——星靈架構(gòu)、長城的計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)GEEP3.0等（如圖1所示）。

意在降低電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)軟硬件進(jìn)行解耦，以及為后續(xù)高級(jí)的功能落地提供基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖1 上汽、廣汽、長城的中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)（來源網(wǎng)絡(luò)）

圖2 分布式架構(gòu)與中央架構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比（來源九章智駕）

在設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)的過程中，一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)是基于整車需求分解出電氣/電子需求。整車需求包括機(jī)械、電氣/電子、軟件、熱學(xué)等。工程師需要從中提取電氣/電子方面需求，并且對(duì)其進(jìn)行分解然后協(xié)調(diào)各下游部門進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。在整個(gè)過程中，涉及電子電氣架構(gòu)的定義、設(shè)計(jì)和交付的各種工程師必須平衡相互依賴的需求。下面從以下這些方面來聊一聊電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)。

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網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在定義拓?fù)鋾r(shí)，首先是需要各控制器的接口人負(fù)責(zé)整理出功能清單，然后同一個(gè)域的會(huì)組織會(huì)議討論功能分配優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)連接等，例如：

1.升級(jí) ECU 以在一個(gè)或多個(gè)連接上支持更高波特率的網(wǎng)絡(luò)；

2.將二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中控制器的功能移至域控制器，以支持更高級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)；

同時(shí)不同域之間也會(huì)開會(huì)討論功能分配優(yōu)化，看是否需要將功能劃到其他域中去。

從分布式架構(gòu)到域控制器架構(gòu)的過渡相對(duì)容易，這種升級(jí)通常僅是將部分分散于不同控制器的功能整合到一個(gè)控制器中（圖3）。這些通常在功能域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并進(jìn)行適度更新以使其適應(yīng)新車型。再下一階段是將域控制器重組為更通用的計(jì)算單元，將大部分功能集中至通用計(jì)算單元，而二級(jí)或者三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的控制器僅作為執(zhí)行器。區(qū)域控制器是根據(jù)車輛的物理布局將其余功能整合在一起。區(qū)域控制器的實(shí)施通常需要對(duì)軟件和供應(yīng)商交互進(jìn)行很大的更改，這對(duì)汽車制造商和供應(yīng)商都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)示意圖

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功能安全

在設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)時(shí)，ISO26262功能安全要求是必須的，分析首先是從整車層面進(jìn)行功能安全分析，然后再分解到各個(gè)域，以及各控制器，如圖4所示。

圖4 動(dòng)力域功能安全示例 針對(duì)從整車層面提出的功能安全需求，其可以通過多種方式來滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能安全。其一承載車輛功能的硬件和軟件平臺(tái)被開發(fā)到特定的完整性級(jí)別以支持功能安全。另外是在系統(tǒng)中添加冗余部件。與其增強(qiáng)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來支持 ASIL D 功能，不如使用兩個(gè) ASIL B傳感器將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給 ASIL D 功能?？紤]故障功能行為的需求也在增加，特別是在更高級(jí)別的 ADAS 功能 （L3+） 中，這會(huì)導(dǎo)致更廣泛的系統(tǒng)級(jí)考慮，例如圍繞電力網(wǎng)絡(luò)、通信、處理器、傳感器等，這些額外的冗余層可能包括技術(shù)冗余，如圖5所示。

圖5 傳感器冗余示意圖

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網(wǎng)絡(luò)安全

雖然功能安全與系統(tǒng)可靠性有關(guān)，但網(wǎng)絡(luò)安全必須考慮對(duì)車輛系統(tǒng)的惡意攻擊。現(xiàn)代汽車存在多個(gè)潛在攻擊面，例如集成的Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、車載診斷（OBD）、USB及其他連接點(diǎn)都可以提供進(jìn)入車輛通信系統(tǒng)的潛在路徑。甚至網(wǎng)絡(luò)總線電路也被作為入口點(diǎn)訪問。

網(wǎng)絡(luò)安全是通過分層方法實(shí)現(xiàn)的，在架構(gòu)中的關(guān)鍵點(diǎn)加入安全機(jī)制，包括ECU內(nèi)部和周圍的硬件保護(hù)，基于軟件的車內(nèi)保護(hù)，車內(nèi)車外的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，以及安全云服務(wù)。從而構(gòu)建安全可靠的電子電氣架構(gòu)，如圖6所示。具體的措施包括分域隔離、引入硬件安全模塊（HSM）、防火墻、入侵檢測(cè)/防御系統(tǒng)（IDS /IPS）等，詳細(xì)介紹可以查閱文章（汽車E/E架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全分析）。

圖6 網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制

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電源模式

車輛通常具有多種電源模式和喚醒狀態(tài)。帶有傳統(tǒng)鑰匙的車輛通常在點(diǎn)火開關(guān)上有四個(gè)位置，轉(zhuǎn)換為 4-6 種動(dòng)力模式，從關(guān)閉和鎖定到啟動(dòng)（如圖7所示），就喚醒源而言，有插槍充電喚醒、鑰匙喚醒、開車門喚醒、遠(yuǎn)程喚醒、診斷喚醒等等。對(duì)于電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)而言，需要考慮不同電源模式或者喚醒源的情況下，應(yīng)該喚醒哪些控制器，這里應(yīng)該是最小化原則。比如在充電的場(chǎng)景下，僅需整車控制器、電池管理系統(tǒng)、DCDC、水泵控制器等處于工作狀態(tài)，而像電機(jī)控制器就無需喚醒了，這樣一來可以分區(qū)管理，減少電耗，另外也可以延長控制器的使用時(shí)間。

圖7 不同電源模式下，不同域的工作情況

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處理器和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

另一個(gè)重要的架構(gòu)考慮因素是每個(gè)控制器的處理器、網(wǎng)絡(luò)總線以及網(wǎng)關(guān)的負(fù)載情況。首先說一下控制器處理器負(fù)載，這里主要當(dāng)把功能分配給特定的控制器時(shí)，需要考慮這些控制器的處理器是否能夠支撐功能的實(shí)現(xiàn)，通常功能安全的要求是處理器的最高負(fù)載是70~80%左右，假設(shè)100s，也就是說處理器有70~80s是在工作的，其余20~30s是空閑的。這樣功能不會(huì)因?yàn)樨?fù)載過高導(dǎo)致某些低優(yōu)先級(jí)功能卡死，無法執(zhí)行的情況。

另外網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載也是重要的一方面，隨著功能的逐步增加，總線上交互信號(hào)也會(huì)增加，這樣會(huì)導(dǎo)致總線負(fù)載逐漸增加，在當(dāng)前的架構(gòu)中，很多局域的CAN總線負(fù)載都很高（CAN總線負(fù)載通常任務(wù)是不能大于30%），必須對(duì)總線進(jìn)行升級(jí)，比如從CAN升級(jí)到CANFD，或者通過功能整合，減少交互，或者分割網(wǎng)絡(luò)等。

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復(fù)用

車輛特性、功能和系統(tǒng)的可重用性現(xiàn)在至關(guān)重要。電子電氣架構(gòu)的優(yōu)化和有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于最大限度地提高可重用性、減少車輛變體的數(shù)量以及提高按時(shí)交付車輛的能力至關(guān)重要。

在開發(fā)新的或改款車型時(shí)，控制器的重復(fù)使用受到限制，一部分約束是固定的，比如傳統(tǒng)上，來自一級(jí)供應(yīng)商的控制器增加功能的范圍有限，除非供應(yīng)商簽訂了開發(fā)此類功能的合同。因此汽車制造商在開發(fā)控制器、軟件模型甚至完整軟件方面需要承擔(dān)了更多責(zé)任。當(dāng)前也可以看到大部分汽車制造商在做控制器的應(yīng)用層開發(fā)，底層和硬件交給供應(yīng)商，不過現(xiàn)在也有趨勢(shì)汽車制造商擴(kuò)展到戰(zhàn)略模塊的硬件和芯片設(shè)計(jì)。

在電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，架構(gòu)師需要基于復(fù)用原則來確定整個(gè)生命周期內(nèi)的功能分配。

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總結(jié)

開發(fā)全新的電子電氣架構(gòu)對(duì)汽車制造商來說面臨的挑戰(zhàn)多種多樣。E/E 系統(tǒng)架構(gòu)師在開發(fā)、更新和優(yōu)化車輛架構(gòu)時(shí)需要考慮的因素很多，因此有必要借助架構(gòu)設(shè)計(jì)工具來根據(jù)工程師定義的一組規(guī)則和指南來規(guī)劃和檢查架構(gòu)，將指標(biāo)可視化。這樣更有利于權(quán)衡拓?fù)渥兓?、功能分配和信?hào)分配等，以便在詳細(xì)設(shè)計(jì)開始前對(duì)電子電氣架構(gòu)架構(gòu)進(jìn)行早期優(yōu)化。

審核編輯 ：李倩