智能化下的新电子电气架构

一、背景

在汽车还处于功能为主的硬件时代，其电子电气架构的设计考虑的主要是车辆应用场景的需求、功能逻辑的实现、网络通讯的拓扑以及整车线束的连接等方面，并通过对功能、法规等约束条件的解读，再结合整车性能、成本等诸多方面的考虑，以此得到最优化的电子电气系统解决方案。

而随着汽车智能化、网联化的发展，汽车电子底层硬件不再是仅提供简单的逻辑计算，而是需要提供更为强大的算力支持，同时软件也不再是基于某一固定硬件开发，而是需要具备可移植、可迭代和可拓展等特性。因此传统的以硬件为主的电子电气架构转而以软件架构为核心，新架构的本质是为整车提供一个异构的分布式面向服务的中央计算平台。

图1 异构的面向服务的计算平台

二、智能化电子电气架构

新架构平台我们可称之为智能化电子电气架构，该架构采用中央计算平台为核心，通过动力数据中心（PDC）在为电子系统分配电源的过程中收集并分发大量原始传感器数据到中央计算平台，中央计算平台对这些数据进行处理以实现自动驾驶等命令。

同时区域控制器为外围传感器提供接口等资源，并提供相应的区域算力，中央计算平台可动态分配算力资源，保证汽车即使在关键部位发生故障的情况下也能安全行驶。该架构以供电和数据为主干，通过双环拓扑以实现冗余网络，其涵盖了汽车电子的软件架构、硬件架构和通讯架构。

图2 新架构硬件平台

软件架构：采用面向服务架构（SOA，Service-Oriented Architecture）。在分布式的EEA中，由于功能的不集中，软件之间的交互异常复杂，为了确保软件的安全可靠，软件代码和逻辑冗余相当严重。面向服务架构是一个组件模型，它可通过将不同控制节点的不同功能按照‘服务’的维度像拼积木一样的进行组合（即应用程序以功能单元的形式进行逻辑封装），再通过定义好的接口将全部功能单元联系起来从而实现对软件的集成。

图3面向服务的架构示例

其优点包括：1）软硬件分离；2）软件部署灵活3）服务间低耦合，互相不依赖，易于维护； 4）各服务之间通信接口标准化，不依赖于平台实现功能。

正是由于软硬件的解耦，若硬件发生迭代，软件可随时扩展相应的服务。如近期推行的电子后视镜，通过电子后视镜硬件的增加，可在软件架构中添加对应的服务，若将该电子后视镜的服务与视频服务结合，便完成了电子后视镜的视频显象功能，而这个过程中并不影响其他服务。

同时由于接口独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，这使得构建在这类系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。SOA架构，不但可以使APP与HW及APP与APP之间轻松耦合，还可以使车端软件、通信、信息安全和云端环境产生很好的协同，实现完整车云生态环境。

硬件架构：采用域控制器、区域控制器到中央计算平台的高性能平台为支撑。在传统电子电气架构之下，软硬件处于高度耦合状态，控制器的开发模式是硬件先行，在硬件确认之后再进行软件的设计、开发、测试等工作，这过程软件无法先行或同步开发，同时一旦硬件发生改变，软件则需要大量的修改适配工作。而在新的EEA下，硬件平台实现集成化、通用化和标准化，软件以功能服务化、接口统一化，同时又增加了中间件层的方式实现软硬分离，即使遇到硬件变更的情况，软件的适配工作可同步完成且工作量远远小于传统方式。

图4 域集中到中央集成的高性能平台

通讯架构：以太网作为骨干网络，采用SOME/IP（Scalable Service-oriented Middleware over IP，可扩展面向服务的通信中间件协议）或DDS（Data Distribution Service，数据分发/订阅的通信中间件协议和应用程序接口标准）面向服务通讯中间件，融入TSN（Time-Sensitive Network，时间敏感网络）、信息安全等技术，以确保整车海量数据的高速传输。同时借助5G、边缘云等技术，形成车路云一体化集中计算能力。

图5 应用TSN协议的ADAS安全控制信号转发及DDS通信模型

三、各主机厂EEA平台的发展现状

2.1特斯拉

目前在国内外主机厂中，以特斯拉为首已经实现整车由1个中央计算平台+3个区域控制器控制的电子电气架构。

图4 特斯拉Model 3(图片|配置|询价) 电子电气拓扑简图

当前特斯拉Model 3所搭载的中央计算模块（CCM）是通过将原本分散的Autopilot（自动驾驶）+IVI（信息娱乐系统）+T-BOX（远程信息处理器）三合一后的产品，它是以物理集成的形式将三块PCB集成到同一壳体中形成一个‘大’总成件，此举虽并未实现统一硬件平台、统一软件平台的终极目标，但已经领先业内水平一大截了。该模块的主要功能是连接各类自动驾驶传感器，同时综合执行逻辑计算功能以完成车辆的动力控制、制动等相关功能，同时完成座舱内人机交互等动作。

特斯拉的发展电子电气架构与其他主机厂不同，它抛弃了功能域（如按功能划分为底盘域、智能座舱域等）的概念，通过引入了BCM-F/L/R 3个区域控制器对整车各执行器进行供电，并通过CCM对不同的区域节点及其部件进行统一管理，再通过CAN通信的方式形成交互，这使得整车内部拓扑变得更加简洁，实现了算力集中的高集成、高模块的准智能汽车架构。

目前F-BCM（前车身控制模块）负责低压电源网络的分配和热管理功能，L-BCM（左车身控制模块）和R-BCM（右车身控制模块）分别负责不同区域的车窗、门锁、灯光、座椅等功能。

同时由于整车内部拓扑的简洁化，使得整车线束的总长度得以缩短。特斯拉Model S/Model X 的整车线束总长度约为3km，而Model 3的整车线束总长度则缩短到了1.5km，Model Y则仅有1km左右。

2.2大众汽车

大众汽车的MEB平台实现了电子电气架构由分布式向域融合的转变。在其架构中共有整车控制域（ICAS1）、智能驾驶域（ICAS2）以及智能座舱域（ICAS3）三大域控制器。

图5 大众MEB-EEA

其中，ICAS1实现整车所有控制类功能，如高压能量管理、低压电源管理、扭矩控制、车身电子控制、存储等功能。同时ICAS1与诊断口和T-BOX连接，作为整车OTA的主控ECU。

ICAS2作为智能驾驶运算中心，通过以太网接收ICAS1的雷达和摄像头等传感器信息，通过运算处理实现对于制动和转向系统的请求。

ICAS3采用一机多屏控制方式，通过以太网接收ICAS1和ICAS2的需求，从而达到控制座舱各类功能的目的。

2.3 VOLVO

VOLVO一代SPA1为分布式电子电气架构，整车ECU总量已超100个。为了推进其电子电气架构的发展，在其推出的第二代SPA2（即GPA）架构中，采用了‘1+2’（中央计算平台VCU+智能互联模块IHU和自动驾驶模块ADPM）模式。其做法是先通过按功能划分，将需要大量计算的ECU集成到中央计算平台VCU中，以简化主干网络。

图6 VOLVO电子电气架构演化

后续VOLVO将会进一步把网关、配电、机电一体化ECU集成为区控制器，同时将ADPM/IHU集成于VCU中，以形成区域电子电气架构。

图7 VOLVO区域电子电气架构

该架构包括Core System（核心系统）和Mechatronic Rim（机电区域）。以以太网为主网络，通过VIU（Vehicle Integration Unit，整车集成单元）负责不同区域的感知、控制与执行。VCU（Vehicle Computation Unit，整车控制器）提供整车智能化所需的算力与数据存储。

2.4奥迪

奥迪在电子电气架构上采取了中央集群计算方案（Central Computing Cluster ）。其将整车划分为驱动域、能源域、横纵向控制域、驾驶辅助域、座舱域、车身舒适域以及信息安全域。域之间通过以太网进行信息交互，域内则通过CAN/Lin等方式进行交互。整车的中央计算单元通过云技术与奥迪企业的后台相连接，奥迪的后台会与HERE后台相连，以形成数据共享，通过车载传感器收集的数据来辅助进行地图制作与数据更新等。

图8 奥迪EEA架构

相比于合资/外资企业，国内传统汽车企业的电子电气架构的发展亦完成了分布式向域集中式的过渡。而造车新势力则更进一步，普遍采用功能域控到域融合的方案，如按照整车的功能划分为智能座舱、自动驾驶、整车控制、车身控制四大领域，骨干网采用以太网与CAN的混合搭配方式。与此同时，从域融合到中央集成是他们下一步正在进行的工作内容。

图9 国内传统车企与新势力主要EEA状态

2.5 宇通汽车

宇通汽车以商用车为主，其电子电气架构仍为分布式，通过独立网关隔离不同功能域，如下图。在商用车领域，EEA的发展要稍缓于乘用车，同时商用车对于通信速度、整车更新等方面的要求也要低于乘用车，因此这类整车的通信方式仍以CAN为主。

图10 宇通汽车EEA

2.6极氪

极氪001脱胎于吉利集团，该车型采用了典型的功能域集中式架构，由四大功能域承担整车级别的各功能逻辑，将传感器/执行器的控制与整车的功能应用分离，保留有部分传统的ECU，将这些ECU作为传感器/执行器的控制单元（即只负责输出控制，不负责功能逻辑）。这类技术趋势会使得传统ECU逐渐弱功能化，因为主要的功能将会被域/中央计算承揽。

在各功能域内，跨子系统内部的逻辑接口通过域控的软件即可完成，且功能接口模块化、标准化、开放化，可方便产品快速迭代。跨域信息交互通过FlexRay和以太网为主干网的双网实现（FlexRay 由于成本相对过高，在国内主机厂中仅有吉利的部分车型在使用）。