1.1.2 汽車電控系統發展前沿

進入21世紀后，汽車的“新四化”正在引領汽車行業發生重要的變革，汽車的功能越來越多樣、復雜，汽車電子控制系統及其電子電氣架構也在不斷變革，并逐漸從分布式架構向集中式架構演進。現階段，大多數汽車還是采用分布式架構，車輛的各功能由不同的單一ECU通過車載控制總線相互協作實現，一輛車往往分布著上百個ECU，線束長度從1.5mile（1mile=1609.344m）增加到2.5mile。在這種架構下，大量ECU會相互協同工作，共同為駕駛人提供各種功能。但這種架構已經快要“到達極限”了，不可避免地帶來以下問題：

1）電子電氣部件占據整車大量有效空間。

2）硬件成本、功耗、重量增加，導致油耗也隨之增加。

3）整車的架構設計開發難度增大。

4）架構的復雜性增加（協議、線束、ECU、網關等）。

5）整車總線負載率Overload增加。

6）某些信號會在多個子網絡中重復發送。

7）不同ECU之間工作大多不能協同，算力浪費。

8）功能分布在不同的ECU中，空中下載技術（OTA）升級困難。

9）不同的ECU往往由不同的供應商開發，軟件框架難以復用。

10）垂直孤島式開發，對供應商比較依賴。

為了解決這些問題，許多車企及Tier 1廠家開始著力于集中式電子電氣架構的研究。2017年特斯拉Model 3發布，全新一代的集中式E/E架構才呈現在人們面前。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，不再存在傳統的車身域、動力域等，取而代之的是物理空間上劃分的“區域Zone”。Model 3的電子電氣架構只有三大部分：中央計算模塊（Center Compute Module，CCM）直接整合了高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）和信息娛樂系統（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責剩下的車身與便利系統（Body and Convenience）、底盤與安全系統（Chassis and Safety）和部分動力系統（Powertrain）的功能。圖1-12為傳統汽車的分布式電子電氣架構與特斯拉集中式電子電氣架構的對比。

安波福（APTIV）也在2020年CES上推出了其智能汽車架構設計。安波福所推出的SVA架構主要在兩大領域進行了革新——數據動力中心及開放式服務器平臺。

數據動力中心（Power Data Center，PDC）就好比筆記本計算機的擴展塢，它帶有多個輸入端，可以充當其他設備的接入界面。數據動力中心可以帶來數字智能融合解決方案，在故障情況下，可以在幾毫秒內切換動力供應；在網絡方面，安波福將傳感器及周邊設備與當前的以太網、CAN或低壓差分信號（LVDS）等網絡技術連接，并將它們連入冗余的雙絞線主干；在區域控制方面，安波福增加了強大的應用處理器，使我們能夠向上集成和控制特定區域內的多種屬性及功能。

開放式服務器平臺是一種全新的、更具邏輯的中央計算策略：當智能汽車架構將輸入輸出端移出計算機、由數據動力中心統一管理時，面向未來的中央計算架構便由此誕生。安波福的開放式服務器平臺是一種靈活的計算平臺，帶有智能抽象的軟件框架，可以解決車輛的軟件工作負荷問題，實現計算、圖像、人工智能、網絡及汽車功能安全的最佳平衡。通過開放式服務器平臺，新架構可以根據車輛內工作負荷的整體計算需求定制協同處理器。安波福的開放式服務器平臺可以同時運行各種應用，從后門控制、信息娛樂，到自動駕駛的數據應用。該開放式服務器平臺不僅增強了計算能力，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體。這一設計突破可以使在汽車的各個控制器上開發或改進的軟件實現“脫離”，重新打包及向上集成到服務器平臺上。安波福推出的智能汽車架構（SVA）如圖1-13所示。

近些年來，隨著信息技術的發展，車聯網與云計算技術日趨成熟。因此現在的電子電氣架構不僅要滿足車輛本身的功能和車輛本身的服務，還要延伸到云端，實現車與車之間的互聯、車與交通設施之間的互聯、車與人之間的互聯，這些都將通過電子電氣架構來實現，所以將來的電子電氣架構是互聯的電子電氣架構。車內E/E架構和云端架構越來越接近。越來越多的汽車功能與云端交換數據或部分功能運行在云端。因此，功能分離、編碼和防火墻等方面變得越來越重要。這些安全模式已經存在于信息技術和消費電子行業，并且可以轉移到汽車領域。基于云端的整車電子電氣架構如圖1-14所示。

博世公司的電子電氣架構發展的戰略規劃：整車電子電氣架構的發展分為模塊化階段（一個功能一個ECU硬件）、功能集成階段、中央域控制器階段、跨域融合階段、車載中央計算機和區域控制器階段、車載云計算階段共6個階段，如圖1-15所示。

隨著域控制器的提出，軟件將根據相應功能重新分類。未來的汽車電子電氣系統將越來越面向駕駛人并以面向服務為導向。車載娛樂系統、人車交互系統、車聯網系統將扮演愈發重要的角色，其代碼量也必將與日俱增。為了應對這一系統性變革，必須將相應的軟件系統從分散在各處的電子控制器中剝離出來并重新集成在相應的域控制器中。圖1-16展示了一種未來可能的汽車電子電氣架構。左上角為面向駕駛人的域控制器，它主要負責人機交互功能。它從傳統的動力系統等控制器中分離出來，并通過中央網關和以太網與其他域控制器進行通信連接。

當我們在討論域控制器的時候，是要利用其強大的運算處理能力為龐大的汽車軟件集中運算提供支持，當今許多量產的汽車電子控制器大多采用的是依據AUTOSAR或OESK開發的靜態驅動系統。在軟件系統運行過程中，不同的功能函數被事先定義好的排序文件依次調用、逐個運行。靜態驅動系統的優點是資源分配問題被事先一次性解決。每個函數的具體運行區間也被提前鎖定。這滿足了一些對于行車安全有苛刻要求的功能函數的運行需求，比如決定安全氣囊是否打開的功能函數會固定地幾毫秒運行一次，以便在緊急情況下確保安全氣囊得以及時打開。