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Continental | 未来的汽车电子/电气架构

发布日期:2020-05-17

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-05-17 21:14:50

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在18世纪末和19世纪初的工业革命中,是革命的一支新力量。当前,世界正在发生巨大的变化,这种变化主要归因于4种主要大趋势的融合。


大趋势


1.城市化

人口的居住,经济活动和活力的源头正在从农村地区转移到世界各地的城市。根据联合国的数据,今天,全球55%的人口居住在城市地区,到2050年,这一比例预计将增加到68%。再加上世界人口的整体增长,则可能再增加25亿人口到2050年成为城市地区。在满足日益增长的城市人口需求方面,许多国家可能面临挑战。住房,交通,能源系统,基础设施,就业,教育和医疗保健的需求将会增加。


2.数字化


诸如人工智能,物联网等技术以****的规模和范围颠覆了全世界的行业。这些技术带来了世界的快速数字化,而数字化主要是由更快,更便宜的计算,可靠的互连性以及普遍的云功能所决定的。摩尔定律,梅特卡夫定律和带宽定律共同定义了我们的计算设备可以变得多么快速和高效,为什么更多的数字连接对网络上的每个人都意味着更大的价值以及我们可以收集,管理和处理多少数据。以上三者正在迅速改变我们生活的世界。


3.老龄化社会


老龄化社会-生育力下降和生存改善导致老年人比例的必然增长-在世界范围内正在发生。在发达国家,这种人口转变更为突出。日本等许多国家/地区的人口开始减少。欧盟委员会预计,到2060年,德国的人口将减少五分之一,而工作年龄的人数将低于德国的工作年龄。

法国。人口变化导致人口的社会和经济行为发生变化,因此将对经济中的所有部门产生影响。


4.可持续发展


可持续发展的重点是满足当前的需求,而不损害子孙后代满足其需求的能力。世界维持越来越多的人在驾驶碳排放汽车,消费越来越多的食物篮所产生的食物方面的能力正在使人类可持续生存的方程式不平衡。


促成因素


为了应对4大趋势带来的挑战,移动行业正在开发最容易被缩写CASE记住的技术支持


1.连通性

汽车正在成为物联网中的节点。这已使汽车从单纯的运输方式转变为可为所有乘员提供新用户体验的吊舱。连接性提高了汽车的安全性和舒适性,并为所有老牌玩家打开了新的业务渠道。连接性还为进入壁垒开辟了通道,苹果和谷歌等科技巨头进入了该行业。


2.自动驾驶

自动驾驶有潜力使通勤时间更有效率,降低事故发生率,增加身体残障人士和老年人的出行能力,优化道路交通。


3.共享出行

道路上私家车数量过多导致所有城市地区出现问题。交通拥挤,停车位不足导致生产时间的损失。共享的班车和自动出租车将在城市地区变得更加流行,并且在这一领域将进行多项服务创新。


4.电气化

电动汽车具有减少温室气体排放的潜力,更重要的是可以减少对石油的依赖,而石油是一种正在消耗的自然资源。全球所有市场日益严格的排放标准正在促使汽车制造商计划更多的电动汽车。解决方案

在出行生态系统不断扩展的同时,汽车领域的传统市场参与者也开始关注

致力于提高车辆性能,并更加着重于移动解决方案。软件将在移动解决方案中扮演重要角色。未来的车辆必须


•故障安全,即使部分故障也能够完成其关键功能。

•通过预测,避免,检测和防御网络攻击来确保安全。

•可更新,因为能够通过空中(OTA)更新软件。

•连接到基础设施,互联网,移动设备,...

•在软件和硬件上均可升级。

•协作,与智能运输系统交互以优化无缝运输。

•通过启用人工智能实现自我学习。



汽车电子电气架构的演变


电子控制单元(ECU)的整合是E / E车辆体系结构中的一个重要趋势。新的移动解决方案将需要具有更少单个ECU的集中式架构。合并主要由两个因素驱动


1.自动驾驶算法的**性:如果将来自各种传感器的数据融合到单个计算单元中,则用于自动驾驶的环境感知和环境建模算法是**的。


2.成本:整合可降低计算成本,减少通用组件(例如电源),减少线束和整合软件功能





过去:


过去的车辆E / E体系结构具有多达150个电子控制单元(ECU)。该ECU的大多数具有嵌入式微控制器,该微控制器可控制执行器,处理传感器信号,控制机械操作(如点火/喷射控制)并执行电子功能(如自动停车,安全气囊触发器)。每个功能都有其自己的电子控制单元。这些ECU通过线束连接,并且两者之间存在有限的相互作用。软件到硬件的集成度很高。这通常导致供应商锁定。



当下:


当今的车辆E / E架构已转向具有专用域控制单元(DCU)或域ECU的集中式系统。多个功能组合到一个域ECU中,以减少单个ECU的数量,合并功能并简化线束(例如,用于信息娱乐,车身控制)。随着时间的流逝,这种演变将遍及所有车辆领域。信息娱乐和驾驶员协助有望成为先行者,因为高性能和/或低安全性或延迟关键性领域更容易和/或更有利于改造。


未来:


未来基于服务器的车辆体系结构的特点是一些用于集中式高性能计算的服务器。这些服务器将紧密连接并连接到云,以进行定期更新以及非车载计算。传感器和执行器由中央车辆服务器通过标准化接口控制。但是,从今天的体系结构到基于服务器的体系结构的这一转变不能一step而就。因此,中间步骤将是基于服务器的车辆体系结构,其中具有额外的ZONE ECU和一些剩余的ECU,用于对实时性或延迟性有严格要求的安全关键型应用。(例如,用于制动或安全气囊控制系统)。区域ECU将当今的传感器和执行器桥接到车辆服务器,因此当线束放置在车辆的不同区域(例如前/后,侧面)时,有助于减少线束。新的基于服务器的车辆E / E网络体系结构将具有3个主要级别:


A.执行器/传感器级别,可将压力,加速度,位置,图像等数据提供给计算级别,并提供执行器的驱动器模块,例如阀门,电机,变频器等。

B.执行传感器融合,分析,计划以及功能和服务执行的计算级别

C.机外计算,大数据管理,AI培训,服务等的后端



汽车E / E架构发展面临的技术挑战当今汽车级嵌入式处理器没有足够的计算能力来处理自动驾驶所需的算法,如多传感器数据融合。当前的自动驾驶演示(Level-3)结合使用了来自消费行业的高性能CPU和GPU,以及符合汽车标准的主ECU。但是,要将这些系统投入批量生产,需要用汽车级eHPC(嵌入式HPC)代替消费类计算引擎。未来的处理能力需求将进一步增加,因为从3级车辆迁移到4级车辆需要更大的计算能力(x2),而从4级车辆迁移到5级则需要更大的计算能力(x1.5)。像传统的HPC世界一样强大。这是由于管理微控制器/片上系统的众多特殊要求所强制执行的,以适合未来的汽车应用。这些特殊要求如下图所示。



eHPC-逼近现实


几家高档汽车制造商及其供应商(所谓的1级)已经在ECU整合方面很活跃。欧洲处理器计划(EPI)是构建百亿亿次HPC的一项努力,而汽车则是目标应用之一。目前,来自十个欧洲国家的23个合作伙伴加入了这个联盟。成员包括汽车制造商,半导体供应商,从事高级开发的公司到学术界的研究人员,从而确保多样性。他们旨在将新颖的低功耗eHPC引入汽车市场。 该eHPC旨在实现故障安全,汽车级,实时且功能强大,甚至能够解决5级自动驾驶。 第一个代号为“ Rhea”的系列将于2021年上市。ARM,RISC-V和外部IP将成为其中的一部分。 它将包括汽车eHPC的概念验证。EPI计划在2022-2023年交付第二个家庭,克罗诺斯。 它将包括汽车eHPC。


新E / E架构的行业影响


•传感器,线束的标准化和商品化,计算硬件,例如ECU / DCU / Server,以及其他可能发生的电子硬件组件。

•软件将变得越来越突出。该功能将通过软件而不是其他硬件来实现,即可以看到“应用”(例如,基于一套标准化的电子硬件,可以按需启用ADAS功能)。

•面向服务的架构(SOA)将会出现。该架构可能会在各类车辆,应用程序和功能部件之间具有更大的可扩展性和可重用性。

•经常进行空中(OTA)更新。

•硬件和软件开发周期将分开,从而帮助汽车公司加快软件开发速度。

•由于硬件和软件的分离,出现了新的采购模型。这将避免供应商锁定。对于市场上的数字原生代而言,这意味着进入汽车行业的准入门槛进一步降低。

•进一步开放生态系统,加强参与者之间的合作,以分担成本并加快发展。我们已经开始看到发生了。甚至移动领域的传统竞争对手也都在转型过程中携手合作。

•将看到组织的持续敏捷转型。通常,汽车公司在采用现代组织模型方面落后于其他行业。这将很快改变。为了提高自身的敏捷性,例如,一家**的欧洲汽车OEM拥有一个庞大的组织,另一个主要的汽车OEM进行了大规模的敏捷转型。


参考文献

  1. www.un.org/development/desa/en/news/population/2018-revision-of-world-urbanization-prospects.html

  2. No Ordinary Disruption: The Four Global Forces Breaking All the Trends, Book by James Manyika, Jonathan R. Woetzel, and Richard Dobbs

  3. Automotive software and electrical/electronic architecture: Implications for OEMs, McKinsey & Company Article, April 2019

  4. Mapping the automotive software-and-electronics landscape through 2030, McKinsey & Company Report, July 2019

  5. European Processor Initiative (EPI)—An Approach for a Future Automotive eHPC Semiconductor Platform, Electronic Components, and Systems for Automotive Applications. Lecture Notes in Mobility. Springer, May 2019 



作者:

阿伦·香卡(Arun Shankar)先生,IEEE高级会员,**经理

大陆汽车零部件(I)有限公司

arunshankar@ieee.or




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