汽车电气架构发展趋势

汽车电气架构发展趋势

赵广增

长城汽车股份有限公司，河北省汽车技术创新中心  河北省保定市  071000

摘要：汽车电子作为衡量汽车性能的重要指标，汽车电气架构正日益成为汽车制造商改进的重要领域之一。并且随着高科技技术的快速发展，特别是人工智能学习技术的大规模应用，车辆娱乐、驾驶辅助等系统将越来越复杂，所需控制器的数量和容量将呈几何倍数增长，这对车辆电气架构提出了新的要求。

关键词：汽车电器；电气架构；发展趋势

1汽车电子电气架构系统基本需求分析

1.1汽车电子电气架构系统基本要求概述

就现代汽车而言，科学的电子电气架构设计不仅可以有效提高汽车的综合性能和舒适性，还可以达到控制和降低汽车生产成本和总重量的目的。因此，加强汽车电子电气架构设计具有重要的现实意义。为了进一步提高汽车电子电气架构的科学合理设计，在正式设计工作之前，相关人员必须做好汽车电子电气系统的需求分析，搭建相应的电子电气架构整体平台，并在此基础上实现对汽车电子电气系统的分析和研究。一般来说，汽车电子电气架构系统的要求体现在以下两个方面：

一方面，分析与电子电气架构系统相关的操作需求。本部分分析的基本目的是充分满足用户对系统的所有外部要求，以确保在汽车电子电气架构的开发和设计过程中充分满足相关外部要求。具体而言，汽车电子电气架构可操作性要求主要包括以下内容。首先，相关人员需要分析电子电气架构系统在各种操作环境中的实际需求；其次，分析系统性能需求，并做好量化工作。同时，这部分工作的根本目的是分析和验证能够满足用户功能需求的实际标准水平。再次，工作人员应通过虚拟实例分析的方法，科学地分析某些特殊使用情况下的潜在需求和功能。最后，综合制定了电子电气系统的功能需求，以确定每个功能需求的实际运行状态，并强调了硬件故障状态下运行状态的确定。

另一方面，分析了电子电气架构的功能需求。与电子电气架构的操作需求分析相比，功能需求分析更侧重于系统的内部需求分析，以更好地满足用户的用车需求。因此，加强电子电气体系结构的功能分析也具有重要的现实意义。鉴于电子电气架构功能分析的特殊要求，当无法确定需求的正确性和完整性时，相关人员应建立功能需求模型进行分析，以确定外部的正确性与完整性。

1.2实现汽车电子电气架构要求的注意点分析

首先，在实现系统需求时，根据确定的系统约束条件，如ECU交通模式、ECU编号等，给出相应的电子电气架构解决方案。，以确保系统的主要约束集中于可用的ECU资源和相关的架构解决方案；其次，根据各职能的不同需要，注重科学分配工作；第三，对于非功能性需求，也需要做好科学分配；第四，在实现系统需求的过程中，应重点加强可靠性和安全性分析，以确保可靠性和安全的有效实施。第五，在具体方案设计过程中，应围绕电子电气架构设计制定多个备选方案，并逐一评估方案的综合性能指标。

2汽车电子电气架构发展趋势

伴随着汽车电子技术的发展，功能越来越多，如果按照当前的分布式架构进行设计，则需要更多的ECU和线束。过多的ECU和复杂的线束会增加整车的成本，同时会影响生产线的高度自动化。采用集中式电子电气架构，能够逐步平抑ECU数量和线束成本的增长趋势。电子电气架构发展逐步实现集中化，即实现从分布式向域集中式、再向中央集中式的转变。

汽车EEA的演变趋势大致分为以下6个阶段。

2.1第一代：分布式独立ECU

该架构形式适用于EE功能有限、数量有限且成本有限的车型，整车有1路或2路网段，每个网段之间无信息交互，每个ECU的功能独立。

2.2第二代:分布式集成网关

该架构形式出现了功能域的概念，整车约包含3～4个功能域，大体分类多为车身舒适域、动力域、底盘域、信息娱乐域。每个功能域内包含多个ECU，ECU之间信息交互增加，协助完成域内功能。不同功能域之间有少量信息交互，一般由主要节点集成网关的工作，进行信号转发。

2.3第三代：分布式独立网关

分布式独立网关架构形式与集成网关架构形式相比，增加了独立的网关控制器，能进行大批量信号转发，增加整车多个功能域的协同能力。该架构形式能够处理一些复杂的功能，如ACC自适应巡航、自动泊车等。

2.4第四代：域集中式架构

域集中式架构增加了域控制器的概念。根据功能将整车划分成几个功能域，每个功能域设计一个域控制器，用于主要算法逻辑运算，每个域控制器与多个ECU进行信息交互，通过独立网关进行信息交换，主干网络多采取用以太网+CANFD、FLexray+CANFD等方式。该架构能够将域内功能进行融合，从而可以处理更加复杂的功能。同时，该架构留有与云端交互的接口，可在云端存储一些车辆信息，便于数据分析。

2.5第五代：中央计算平台架构

中央计算平台架构打破了功能域的限制，不再将功能域作为控制器划分的依据，而是综合考虑了整车功能逻辑实现方案、整车电器布置、控制器安装位置等多个维度，将整车绝大部分的功能逻辑运算集成到几个中央控制器中。Model3的设计思路就是采用了大集成的概念，即把一个区域范围内可见到的控制器都集成在一起，大大降低了单车控制器及线束的成本。

中央控制器之间的信息通讯不再需要单独的网关，通过高速主干网络即可满足整车信息交互的要求。由于该架构形式终端传感器体积小巧，因此所需安装空间较小，且安装位置灵活，所以替换成本较低；同时，由于数据不会在传感器中因为预处理或压缩而丢失，中央处理器可以获取全部原始数据，从而提高了数据的可信度。但此架构形式也有一定的挑战：①高达几个GB每秒的宽带通信可能会带来较高的电磁干扰，所以在设计之初就需从技术上进行一定的规避；②中央处理器需要强大的运算能力和运算速度来实现功能，对软件和硬件都是一个不小的挑战。

中央计算平台架构需要OEM作为主导来开发，因此，OEM需要具备的能力可分为三类：①产品定义能力：智能化的产品需要强大的“场景定义能力”，产品经理应该对各域的功能实现进行通盘考虑；②软件能力：车端的代码主要分为C/C++及JAVA，代码能力与软件架构能力各域本质上是相通的；③架构能力：各域的HPC选型、外设选型在技能上趋同，亦可合并在一起。而SOA、EEA架构更多考虑的是功能的分配(灰盒与黑盒)、电力/线束的分配等功能，这两者协同合作更佳。

建立上述能力，可分以下几个阶段进行实施：

第一阶段：EEA架构能力应作为OEM的基础能力。

第二阶段：OEM首先应该在某个领域开始自研，拉通“需求与设计”、“代码编写”、“软件架构”这三方面的能力。

第三阶段：在自研1～2年后，或者开始第二个量产项目之后，会发现软件用于适配各种硬件的工作量越来越多，所以，应该在“自研”之后，建立系统架构的设计能力，尽量实现“硬件平台化”，以及“硬件可升级”的目的。

第四阶段：把“SOA架构能力”放在最后一阶段，因为它需要基于Ethernet来建立，且各域最好都已有自研部分，否则推动供应商实施会较难。它可实现的功能太多，比如可使能整车软件功能的“按需购买”、3月一迭代变成1月一迭代，大幅提高软件复用度等等。同时职能部门的数字化需要同步进行，以给研发提供更好的支持。

2.6第六代：云计算架构

随着5G时代的到来，高级别自动驾驶技术和V2X技术迎来高速发展，云计算已成为未来汽车发展的趋势。将部分车辆功能移交至云计算平台，简化车身的电子电器系统（减少ECU和线束），在云端依靠强大的算力实现更复杂的功能。例如：车辆与车辆之间可实现车间通信（V2V），规避交通事故或下载最新版地图及交通道路信息；智能车辆还能够自动规划最佳、最快捷的行驶路径，将用户载入到目的地；车企还能利用云计算技术来驱动产品创新，可覆盖车辆的研发进程及车辆的整个使用寿命。云计算目前还属于设想阶段，受限于5G基站数量、V2X工程实现技术、数据带宽等因素，目前还不具备系统性整合资源落实方案的条件。

3结束语

对于汽车来说，电子电气架构既是一门科学，也是一门艺术。“科学”解决了计算能力提高的问题，而“艺术”解决了应用程序多样性的问题。特斯拉、大众、中国运通等企业对电子电气架构的创新为我们探索了更多可能性，揭开了未来汽车硬件和软件架构的面纱。未来，谁将会抢占市场的制高点，大幕落下才会揭晓。

参考文献

[1]马雷刚.浅谈汽车线束轻量化设计[J].汽车实用技术,2017(07).

[2].浅谈汽车线束轻量化设计[C]//.2017年中国汽车先进技术应用大会论文集（《汽车实用技术》2017年第7期）.,2017:63-65.

[3]陈华梦.汽车线束的优化设计和可靠性分析[D].上海交通大学,2016.DOI.