淺談汽車電子電氣域架構(gòu)

散漫說(shuō)，面對(duì)“域”的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外各大整車廠與供應(yīng)商猶如八仙過(guò)海，各顯神通。單一功能的控制器不再成為主流，整車更多關(guān)注的是系統(tǒng)方案和軟件集成控制。只有掌握集大成于一體的“域”控制理念，才能在即將到來(lái)的市場(chǎng)機(jī)遇中真正做到屹立不倒，成為最強(qiáng)王者。分享一篇文章，一文淺談汽車電子電氣域架構(gòu)。以下為正文。

隨著現(xiàn)代汽車的功能越來(lái)越復(fù)雜，整車上的電子控制單元（Electronic Control Units， ECUs）也隨之增多。當(dāng)前一輛普通汽車的 ECU 多達(dá)七八十個(gè)，代碼約一億行，其復(fù)雜度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)安卓手機(jī)系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的汽車供應(yīng)鏈中，不同的 ECU 來(lái)自不同的供應(yīng)商，有著不同的嵌入式軟件和底層代碼。這種分布式的架構(gòu)在整車層面造成了相當(dāng)大的冗余，傳統(tǒng)汽車的軟件更新幾乎與汽車生命周期同步，極大地影響了用戶體驗(yàn)。

如何加快軟件的創(chuàng)新與迭代？從傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)，逐漸進(jìn)化為集中式架構(gòu)，“域”的概念由此而生。在行業(yè)的變遷和技術(shù)的發(fā)展潮流面前，永遠(yuǎn)都是適者生存，面對(duì)“域”的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外各大整車廠與供應(yīng)商猶如八仙過(guò)海，各顯神通。單一功能的控制器不再成為主流，整車更多關(guān)注的是系統(tǒng)方案和軟件集成控制。只有掌握集大成于一體的“域”控制理念，才能在即將到來(lái)的市場(chǎng)機(jī)遇中真正做到屹立不倒，成為最強(qiáng)王者。

電子電氣架構(gòu)的發(fā)展之路

模塊化和集成化架構(gòu)方案

在傳統(tǒng)的整車電子電氣架構(gòu)體系中，通常將功能劃分在不同的模塊領(lǐng)域，如動(dòng)力總成、信息娛樂(lè)、底盤、車身等，在每個(gè)模塊領(lǐng)域中，控制器的設(shè)計(jì)通?；谔囟ǖ墓δ?，如：座椅控制單元SCU、尾門控制器PLG等。模塊與模塊之間通過(guò)CAN總線傳遞信息，而其模塊劃分一般也根據(jù)總線數(shù)量而定，所以總線就是傳統(tǒng)功能模塊的領(lǐng)航員，這就是我們?yōu)槭裁磿?huì)稱呼某些特定總線為動(dòng)力CAN，車身CAN等。

這樣的架構(gòu)方案最大的特點(diǎn)是功能劃分明確，模塊與模塊之間嚴(yán)格明確界限，一切“越界”行為容易控制，由于模塊間的獨(dú)立性較強(qiáng)，模塊開發(fā)者不用太過(guò)于考慮其他模塊的干擾問(wèn)題。

例如，動(dòng)力總成不用擔(dān)心會(huì)被車身CAN上的信號(hào)所干擾，并且也不用擔(dān)心因?yàn)檐嚿砉δ懿环€(wěn)定，而導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)的功能受影響。

然而這樣的架構(gòu)也存在著非常大的局限性，功能控制器的獨(dú)立開發(fā)模式，就像封閉的部落式文化，雖然能夠確保自身生態(tài)環(huán)境內(nèi)的自給自足，但是由于信息的閉塞，傳輸信號(hào)的帶寬局限，導(dǎo)致了資源無(wú)法共享，大量運(yùn)算資源浪費(fèi)，性能“偏科”現(xiàn)象嚴(yán)重。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，部落中有十個(gè)村莊，A村莊有著專業(yè)的鐵匠，B、C等其他村莊沒(méi)有鐵匠，所以雖然A村莊的武裝力量非常強(qiáng)大，但剩余9個(gè)村莊沒(méi)有防衛(wèi)能力。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，90%的村莊很快就會(huì)淪陷，即使A村莊可以獨(dú)善其身，但整個(gè)部落卻遭到了滅頂之災(zāi)。而這個(gè)例子中的“鐵匠”就是車身中的諸多控制算法，例如EMS中的熱管理算法、濾波算法，雖然能力非常強(qiáng)，但是其他控制器，例如車身的胎壓控制、尾門控制、車窗防夾無(wú)法借用此算力，并且最多只能通過(guò)CAN信號(hào)得到一個(gè)數(shù)據(jù)量有限的結(jié)果。最后導(dǎo)致功能效果參差不齊，帶來(lái)的用戶體驗(yàn)也難以完美。

這樣的例子在低功能安全或L2以下的自動(dòng)駕駛運(yùn)用中，可能還可以被接受，然而一旦涉及L4級(jí)別或ASIL-D級(jí)以上的功能安全，那么，模塊化封閉的架構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷就會(huì)被放大，成為功能正向開發(fā)最大的障礙。

而集成化方案僅僅是模塊化方案的一個(gè)小規(guī)模升級(jí)，在架構(gòu)上減少了功能單一和冗余的模塊，將復(fù)數(shù)功能小范圍地融合在一個(gè)控制器中，例如BCM集成PEPS，ESP集成TPMS等等。其帶來(lái)最大的利益在于成本，卻無(wú)法依然彌補(bǔ)跨模塊之間通訊率低下的缺陷。

中央集中式架構(gòu)方案

中央集中式架構(gòu)方案中，第一次出現(xiàn)了“域”Domain的概念?！坝颉边@張牌和“模塊集成”最大的區(qū)別在于，模塊集成是將傳統(tǒng)的模塊集中“打包”，其本質(zhì)依然是原有的功能劃分，模塊與模塊之間的壁壘仍然沒(méi)有被打破，而且有很強(qiáng)的硬件捆綁特性。例如，市面上有很多BCM集成了PEPS功能，但假設(shè)需要將PEPS系統(tǒng)集成到ESP控制器，那么原有平臺(tái)將無(wú)法兼容，需要花費(fèi)較大工作量來(lái)開發(fā)新平臺(tái)。

而“域”的概念的核心思想在于靈活，系統(tǒng)與軟件層面的集成，脫離了硬件捆綁的限制。我們繼續(xù)從剛才村莊鐵匠的例子說(shuō)起，“域”在剛才的例子中是如何體現(xiàn)的呢？首先，鐵匠還是住在A村莊，他的“工匠手藝”依然是核心機(jī)密，B村莊、C村莊依然無(wú)緣一睹精良的武器是如何生產(chǎn)的。但是，由于通信的壁壘被具有超大帶寬的“以太網(wǎng)”所打破，B和C雖然沒(méi)有鐵匠，但是由于他們村通網(wǎng)了！并且和A村莊在一個(gè)“局域網(wǎng)”信號(hào)范圍內(nèi)，他們可以通過(guò)打電話、發(fā)信息或網(wǎng)上訂購(gòu)的方式，向A村莊下訂單。而對(duì)于A村莊而言，由于消費(fèi)者和訂單量的增加，鐵匠的社會(huì)地位迅速提升，一下子成為了村里的大地主，他也會(huì)有更多的動(dòng)力來(lái)研究高效率打鐵。

這個(gè)升級(jí)版的例子里面的幾個(gè)關(guān)鍵字，“ABC村莊”對(duì)應(yīng)ECU控制器，而“村莊間的局域網(wǎng)”對(duì)應(yīng)車載以太網(wǎng)、FlexRay或CAN-FD，“網(wǎng)絡(luò)訂單”則對(duì)應(yīng)靈活的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（可能聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，TCP/IP、SOME-IP協(xié)議中的消費(fèi)者和提供方就是這個(gè)概念）。而例子中的靈魂人物鐵匠，則是我們熟悉的域控制器Domain Controller，他是大而全的功能提供方，具備獨(dú)家絕學(xué)的核心算法，如果說(shuō)“互聯(lián)網(wǎng)關(guān)”是域架構(gòu)中負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)度的“村長(zhǎng)”，那么“域控制器”就是給村民帶來(lái)福利的鄉(xiāng)紳。在大部分域架構(gòu)設(shè)計(jì)中，域控制器可以集成給其他小控制器、小執(zhí)行器提供什么樣的算法、功能，決定了域的范圍有多大。

舉個(gè)實(shí)際點(diǎn)的例子，“車身域控制器BDU”，是集成了所有車身電子的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)、鑰匙功能、燈、門、車窗等等的大控制器。由于車身域控制器可以提供“車身打鐵” 技術(shù)，例如車窗防夾算法、電壓補(bǔ)償、備份驅(qū)動(dòng)等功能。所以，小型的控制器可以不再關(guān)注復(fù)雜算法，而是更多地關(guān)注硬件和驅(qū)動(dòng)。不但冗余軟件的開發(fā)量可以大幅度縮減，并且非常多的控制器可以被精簡(jiǎn)優(yōu)化，例如傳統(tǒng)的電動(dòng)尾門控制器、車窗防夾控制器、門控制器等等。小村民不再考慮如何造武器，更多地開始考慮如何修煉武功。這樣一個(gè)干練的精兵團(tuán)體，組成了數(shù)量少、成本低卻又具有著強(qiáng)大功能的車身域。這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的共享軟件資源的架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，不但在車身，而是在整車各個(gè)領(lǐng)域都得到了充分的運(yùn)用，成為了我們耳熟能詳?shù)膭?dòng)力域、底盤域、車身域、信息娛樂(lè)域和ADAS域等等。這就是基于不同“域Domain”的集中式電子電氣架構(gòu)。

Zone 區(qū)域架構(gòu)方案

如上文提及，“域”的概念其實(shí)對(duì)于許多OEM和Tier1并不陌生，你可能也已經(jīng)想到，在互聯(lián)網(wǎng)、航天、船舶等領(lǐng)域，域早已不是一個(gè)新鮮詞，既然集中式方案的域架構(gòu)理念如此完美，那么“域Domain”為什么近幾年來(lái)在中低端車型上沒(méi)有得到大范圍的運(yùn)用呢？

這個(gè)問(wèn)題的答案其實(shí)很簡(jiǎn)單，關(guān)鍵字就在于“成本”。前沿的設(shè)計(jì)理念帶來(lái)了現(xiàn)實(shí)的矛盾。隨著近年來(lái)汽車電子爆發(fā)，ECU數(shù)量，ECU的運(yùn)算能力需求都呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，在ADAS時(shí)代和即將到來(lái)的自動(dòng)駕駛時(shí)代更加明顯，同時(shí)對(duì)運(yùn)算帶寬的需求也開始爆發(fā)。這造成汽車電子系統(tǒng)成本大增，除了ECU系統(tǒng)數(shù)量的增加之外，為了配合基于模塊劃分的“功能域”的概念，線束、布置、安裝、支架，不得不重新洗牌設(shè)計(jì)，并且?guī)?lái)非常驚人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的成本。

繼續(xù)拿“車身域”舉例，為了建成這個(gè)以功能為導(dǎo)向的電子電氣架構(gòu)，OEM不得不將后剎車燈、后位置燈、尾門鎖、甚至雙撐桿的連接線束拉長(zhǎng)，跨過(guò)80%的白車身，連接到置于車身前方的域控制器中。電子架構(gòu)是舒服了，機(jī)械布置的同事們卻崩潰了。同樣的例子，在ADAS的前后雷達(dá)、空調(diào)系統(tǒng)的前后制冷、底盤系統(tǒng)的前后輪轉(zhuǎn)向控制均有類似的問(wèn)題。一輛低端車的線束系統(tǒng)成本只要大約300美元，重量大約30公斤，長(zhǎng)度大約1500米，線束大約600根，1200個(gè)接點(diǎn)；而目前一輛豪華車的線束系統(tǒng)成本大約550-650美元，重量大約60公斤，線束大約1500根，長(zhǎng)度大約5000米，3000個(gè)接點(diǎn)。如果沿用目前的電子架構(gòu)體系，自動(dòng)駕駛時(shí)代的線束成本將不會(huì)低于1000美元，重量可高達(dá)100公斤。這些令人詫異的數(shù)字，成為了大多數(shù)車型望“域”止步的原因。

言歸正傳，為了解決高昂的成本，且不丟失“域”的軟件集中的核心概念。電動(dòng)車的領(lǐng)跑者TESLA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的劃分“區(qū)域Zone”，比如中域、左域和右域。

你可能會(huì)說(shuō)，新的域按照布置方案來(lái)劃分，這一刀是不是切得有點(diǎn)太“土”了？然而這卻是區(qū)域的核心理念。汽車電子在經(jīng)歷了這么多的變遷后，終于開始走向一條由繁至簡(jiǎn)的路。而新的域，也就是今天提到的，未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)的基于位置分布的“域Zone”，通過(guò)不同域之間的交互融合，用接近原則這一簡(jiǎn)單的招式，完美規(guī)避了上述問(wèn)題，但是卻也給軟件開發(fā)帶來(lái)了史詩(shī)級(jí)的挑戰(zhàn)。例如，車身控制器工程師可能需要開始研習(xí)雷達(dá)的驅(qū)動(dòng)和算法；功能安全ASIL-C和D級(jí)別的軟件開發(fā)逐漸變成標(biāo)配。域的控制開發(fā)要求將不再僅限于功能，軟硬件開發(fā)將打破傳統(tǒng)的功能劃分壁壘，更多地需要從整車角度思考去設(shè)計(jì)。

寫在最后

基于“域Zone”的電子電氣架構(gòu)，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則包含了非常多的架構(gòu)學(xué)問(wèn)在其中。它打破的，不僅僅是功能與功能之間的隔閡，更打破了整車架構(gòu)的思維壁壘。更重要的是，特斯拉已經(jīng)用他們?cè)贛odel3上的答卷證明了，Zone并不是不可實(shí)現(xiàn)的，超前的架構(gòu)和低廉的成本是可以同時(shí)具備的。那么，域究竟是終點(diǎn)，還是新時(shí)代的起點(diǎn)？整車電子電氣架構(gòu)有沒(méi)有更好的解決方案？

審核編輯 ：李倩