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汽车电子架构的重要性

发布日期:2020-04-10

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-04-10 17:28:48

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当今E / E架构的日益复杂性威胁着窒息汽车电子技术的进步。哪种体系结构方法导致了僵局?




由于最近计算能力的飞速发展以及制造商正在为其车辆配备的电子功能,现代车辆通常被称为“轮毂计算机”。但是,世界上第一辆汽车相对简单,完全由机械操作。直到1930年代,制造商才开始提供真空电子管收音机,第一批汽车电子部件才问世。


随着时间的流逝,由于技术进步和消费者趋势,车辆变得非常复杂。在汽车的许多历史中,机械系统是造成这种复杂性的主要原因,但是电气和电子系统的复杂性却在不断提高。如今,大多数汽车功能都是通过电子组件和基础的电气和电子(E / E)体系结构来辅助或启用的。发动机管理,制动,转向,信息娱乐以及其他舒适性和便利性特征均取决于电气和电子系统。嵌入式软件在车辆功能方面也起着主导作用。现代汽车包含数百万行代码,这些代码构成了从**进的信息娱乐和被动安全功能到自动门锁的所有应用程序。


随着车辆功能的不断发展和完善,以前不相关的子系统将开始接触。先前独立发展的系统将开始集成,并且相互依赖以实现新功能。1950年代后期,巡航控制系统的引入是汽车中机电系统的首次集成(图1a)。从那时起,巡航控制系统不断发展。自适应巡航控制系统可使现代汽车根据需要减速和加速,以保持驾驶员确定的跟随距离(图1b)。而且,即使驾驶员不注意,自动紧急制动系统也可以使车辆完全停止。



图1a:巡航控制是车辆中机电系统的首次集成。早期的系统使用流体压力来启动节流阀并由螺线管控制(美国专利号2,714,880,1955)。


图1b:自适应巡航控制系统更多地依赖于车辆的E / E系统,以基于传感器输入来控制车速(美国专利5,454,442,1995年)。


这种创新和集成的结果是电子控制单元(ECU),传感器,执行器和将它们全部连接在一起的布线的极为复杂的系统。这些架构的规模和复杂性给汽车OEM及其供应商带来了新的挑战。随着公司不断发展车辆技术,尤其是在自动驾驶领域,这些挑战将变得更加严峻。在这种环境下,底层E / E体系结构的重要性至关重要。


尽管面临挑战,汽车公司仍在投资以改进其电子电气架构,因为它们正在成为新业务模型和新收入来源的推动者。线束供应商正在通过制造汽车线束扩展其产品范围,以涵盖设计。同样,系统集成供应商正在提供完整的服务,以实施由OEM定义的约束和要求相结合而开发的车辆子系统。


同时,OEM厂商也在进行大量投资,以将关键的开发领域(例如软件)引入内部。大众汽车最近宣布了一个新的软件开发小组,该小组将创建该公司各个品牌的基本统一软件功能,并最终由5,000名软件专家和工程师组成(汽车新闻,2019年)。OEM拥有自己的软件团队,可以通过常规软件更新来改善所有权体验,从而提高系统性能并解决潜在问题。OEM还可以提供客户可以购买的全新功能,从而延长其使用寿命或提高其车辆的性能和价值。


在大规模的技术变革中,成熟的OEM必须通过E / E架构进行创新和差异化。这意味着要创建可在车辆平台之间扩展的架构,以适应未来的技术,并在现场延长使用寿命时具有可靠性。这也意味着以有吸引力的先进汽车平台击败竞争对手进入市场(图2)。以当今市场所需的步伐进行创新;但是,OEM需要改进其设计流程以跨域集成,自动化设计任务并提供可靠的数据一致性。



图2:OEM必须创建灵活,可扩展且可靠的E / E架构,以在汽车行业的新压力下竞争。


路障


汽车制造商和供应商在适应新的消费者需求和不断发展的技术时将面临若干挑战。


消费者希望有更多的自由来通过可选功能自定义其车辆,而无需支付高价。OEM仍在尝试大规模提供此定制服务,因为他们的业务仍然依赖于制造和销售大量车辆。同时,OEM尝试在整个车辆平台上重复使用物料清单(BOM),以降低设计和制造成本,这与定制相矛盾。因此,存在的潜在车辆配置数量越多,制造每辆汽车的成本就越高。跟踪和协调架构组件(例如ECU的正确版本或软件版本以及整个车辆平台上的相应连接器和终端)也变得更具挑战性,从而实现设备之间的功能连接。


消费者想要的许多(即使不是大多数)功能都是电子性质的:信息娱乐,ADAS甚至空调接口与运行嵌入式软件的ECU。随着大量更先进的电子设备的出现,典型的汽车供应商渠道比以前更加广泛和深入。更长,更大的供应商管道会大大增加级联和实施设计变更所需的时间。确保所有团队都了解正在实施的变更及其对其领域的影响已经是一项关键挑战。与其他供应商签约并扩展供应商生态系统以提供所需的功能只会加剧此问题。


缩短变更实施周期使OEM可以更快地将新车推向市场,这对于在充满争议的市场中运营的公司来说是一项关键的竞争优势。一些制造商正试图通过将主要基于供应商的域引入内部来缩短开发周期。通用汽车公司增加了近万名信息技术员工,这是他们经过多年的外包努力做出的巨大努力,以使IT服务重新受其控制(汽车新闻,2017年)。


接下来,今天的普通新车包含70-100个ECU。在未来的车辆中,OEM将把它们整合到数量更少,功能更强大的控制单元中。这种整合应该走多远?但是,这是一个主要争论点。一些人主张采用具有几个或单个非常强大的ECU来管理车辆功能的集中式架构。其他人则认为,具有更多ECU的分布式体系结构是更好的选择,主要是在车辆系统中创建冗余。


OEM可能还将组件整合作为节省成本的策略进行调查。通过将传感器,执行器和其他组件融合在一起,OEM可以实现相同的功能,从而降低成本。另一方面,OEM可能希望维护独立的组件以保留系统冗余。


此外,原始设备制造商将寻求限制投资以节省成本,但是不断增加的结构复杂性和更严格的安全要求增加了车辆设计的挑战。挑战的增加等于成本的增加,因为需要投资来交付市场所需的复杂车辆。


清除障碍


汽车OEM及其供应商的前进之路仍然漫长而混乱。虽然全自动驾驶是一个热门话题,但具有高度影响力的技术将在实现真正的自动驾驶之前很长一段时间就成熟。这些新技术将进一步增加E / E体系结构对功能和可靠性的需求。


E / E体系结构是领域的融合:电子硬件,网络通信,软件应用程序和布线都结合在一起构成了车辆体系结构。当前,这些域仅在其他域的活动,约束和目标的有限知识下运行。这些域相互作用时可能会导致严重问题。例如,OEM内的几个团队可能正在为车辆中的核心ADAS ECU开发软件应用程序。这些团队按功能组织并独立工作。例如,将有单独的团队进行车道偏离,主动巡航控制和其他应用程序。为了确保将来更新的灵活性,此ECU的处理器利用率限制为大约75%。当每个团队将他们的软件加载到ECU时,它们都超过了利用率上限,甚至超过了处理器的功能。之所以发生这种情况,是因为每个团队都独立地开发其实现,并且在开发过程中超出关键点之前,无法理解ECU上的全部负载。


汽车制造商和供应商将需要采用一种新的设计方法,以在一个日趋复杂的环境中处理这些领域之间的相互作用。几家大型汽车制造商已进行了重大改组,以更好地满足这些需求:福特,菲亚特-克莱斯勒,戴姆勒等。这种方法必须确保紧密的跨域集成,强大的设计自动化和全面的数据一致性。这种方法为每个域提供系统级上下文,以在特定于域的工程设计中加以利用。借助系统级上下文,工程师可以评估设计备选方案,消除问题并在更短的时间内完成更高质量的设计。


但是,行业挑战不仅仅限于技术创新。因此,应对移动行业巨大而多样的挑战的策略必须超越新的设计解决方案。主要的OEM和供应商都意识到,对其组织和商业模式的改变将为未来的成功奠定基础。OEM正在投资以提高其软件能力,而长期的汽车供应商正在扩展其提供的服务,以涵盖从设计到制造的整个组件开发。实际上,一些供应商甚至展示了自动穿梭和包裹递送平台。通常,真正的挑战来自于新技术一旦通过验证就可以扩展规模并创造利润。


汽车E / E体系结构的不断扩展,使其设计在车辆工程范围内更具挑战性,也变得越来越关键。E / E体系结构的各个方面在实现核心车辆功能方面都扮演着更大的角色。结果,从传感器和ECU之类的设备到网络和布线的各个方面都在不断发展,以满足这些日益增长的需求。ECU已变得越来越强大,可以使用功能日益强大的软件来处理来自大型传感器阵列的数据。同时,车辆网络必须在这种复杂的传感器和控制器系统中管理通信。


在不断变化的行业中,同时采用其设计方法和组织结构以提供**质量的电气,电子和数字汽车体验的公司将获得最大的成功。


参考文献:


Labuhn,P.I.&Chundrlik Jr.,W.J.(1995)。美国专利号5454442。华盛顿特区:美国专利商标局。

Riley,F.J。(1955)。美国专利号2714880。华盛顿特区:美国专利商标局。


关于作者:


Doug Burcicki是西门子业务部Mentor的集成电气系统部的汽车总监,负责战略,执行和思想领导。在2018年初加入Mentor之前,Burcicki曾担任Yazaki北美副总裁,在他服务的24年中担任过多个管理职务。他拥有劳伦斯技术大学的汽车工程硕士学位和韦恩州立大学的电子工程学士学位。





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