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传统汽车电子电气架构将何去何从

发布日期:2020-07-05

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电子电气架构简称 E/E 架构,有时也被称为 EEA(Electrical/Electronic Architecture)。是首先由德尔福公司提出的,集合汽车的电子电气系统原理设计、中央电器盒的设计、连接器的设计、电子电气分配系统等设计为一体的整车电子电气解决方案的概念。通过EEA的设计,可将动力总成、驱动信息、娱乐信息等车身信息转化为实际的电源分配的物理布局、信号网络、数据网络、诊断、容错、能量管理等的电子电气解决方案。E/E 架构这一概念最早由汽车供应商德尔福提出,后来被行业广泛采用。

 

近几年,随着汽车行业走向智能化,传统 E/E 架构开始受到挑战。先是特斯拉以新一代集中式布局的 E/E 架构率先发力,后有供应商如博世、安波福、大陆等强调 E/E 架构要从分布式向集中式转变。在主机厂中,也出现了大众、通用和丰田这样的变革者,正在布局新一代 E/E 架构。

 

在很长一段时间内,研发 E/E 架构是 Tier 1 的专业。Tier 1 配合主机厂进行 E/E 架构设计和优化,最终目的是通过开发一套合理的整车电子电气系统,来实现性能提升与成本控制并重的效果。

 

最初,这件事很容易。因为自 1886 年第一辆三轮汽车被发明出来之前,车上的电子设备并不像今天这么复杂,更谈不上 E/E 架构。直到 20 世纪初,开始出现更多需要电力进行启动的设备如起动机、车载收音机等,电子电气系统才逐渐成型。以车灯为例,最早的车灯是在灯罩下点煤油,直到发明了电灯,汽车开始采用钨丝白炽灯进行汽车照明。

 

 

越来越多的电子电气系统出现后,一些问题随之出现。比如,这些系统内 ECU 之间的通信。在汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同,由多条总线构成的情况很多,线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需要,1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。再过几年,也就是 1991 年,世界上首款基于 CAN 总线系统的量产车型正式亮相。由于采用了 CAN 总线设计,车内各个控制模块之间的传输速率为到 83.3-500 kbit/s,其中用于发动机信号的 CAN 总线传输速度500kbit/s。此后,CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化,在欧洲已是汽车网络的标准协议。

 

CAN 的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。2007 年,德尔福首次提出 E/E 架构的概念,对发动机系统、车窗控制、车载娱乐系统等一切需要电力控制的软硬件进行系统设计和不断优化,这一名为「E/E 架构」的方案解决了汽车电子的通信和效率问题。如果没有后来兴起的电动车和自动驾驶,传统 E/E 架构也许还能延续辉煌。但是,如你我所见,电动车和自动驾驶技术席卷了整个行业,大量新出现的 ECU 和信号传输效率需求,让原来的分布式 E/E 架构受到挑战,甚至正在成为技术发展的桎梏。 

事实上,直到 2017 年特斯拉 Model 3 发布时,整个汽车行业都没有一款产品尝试对传统 E/E 架构进行革新。换句话说,正是 Model 3 出现,全新一代的集中式 E/E 架构才呈现在人们面前。同样在 2017 年,从德尔福拆分出来的安波福提出 smart architecture(智能架构),将汽车内部的大量模块,整合为三类:分别是发动机模块、信息娱乐模块以及自动驾驶与主动安全模块,并提出「神经」和「大脑」的概念,神经代表传输网络架构,大脑代表计算平台。这种新的定义方式意味着供应商开始注重软件算法对 E/E 架构的影响。与此同时许多车企也纷纷意识到软件对于汽车的冲击,均提出要从分布式向集中式转变的新一代 E/E 架构,以适应时代变化。

 

用六个阶段来描述 E/E 架构的发展趋势,从简单到复杂依次为模块化、集成化、集中化、域融合、车载电脑和车-云计算。每演进一个阶段,E/E 架构的效率会更高。比如,在集成化阶段,CAN 总线的传输速率最大可达 100 kBit/s。按照模型预测,如果采用车载以太网,可以实现比 CAN 总线高 1000 倍的带宽,也即达到 100Mbps 高实时带宽。如果搭载车规级芯片,还可以让汽车拥有中央计算机的处理能力,可以满足车辆向智能终端演变的算力需求。在满足算力和信号传输速度等各项要求后,围绕新一代的 E/E 架构的角逐也正式拉开帷幕。

 

提出新一代 E/E 架构的背后,是汽车行业里掀起的两股浪潮。第一股浪潮是插电式混合动力汽车和纯电动汽车的出现,它们引入了三电系统,从而增加了汽车 E/E 架构的复杂程度;第二股浪潮是智能座舱和自动驾驶。OTA 升级需求、大量的传感器出现,产生了 OTA 更新、大量数据处理和信号传输的需求,对算力和车辆安全提出挑战。在面对这两股浪潮时,传统的分布式 E/E 架构的问题在于,算力不足、信号传输慢以及无法实现 OTA 统一升级。现在车载 ECU 的数量相比汽车早期出现数倍增加,以及日益增加的海量数据等待处理,直接让传统 E/E 架构不堪重负。

 

为了解决这些问题,便出现了车规级芯片,利于传输信号的以太网,以及解决了统一升级问题的域控制器。前来看,搭载新一代 E/E 架构的车企如特斯拉等,在架构设计上均采用了集中式布局。集中式布局有几点好处:缩短信号传输、因减少线束而降低车重、更好的信息安全性。

 

拿Model 3 来说,其 E/E 架构由中央计算模块(CCM)、左车身控制模块(BCM LH)、右车身控制模块(BCM RH)三个部分组成,用以控制车辆的行驶、转弯和停止等操作。在这一架构下,全车线束只有 1500 米,远低于行业的平均水平。

 

E/E 架构决定车企的未来,E/E 架构的发展命运也被车企掌握在手中。站在 2020 年初,基于传统 E/E 架构的车型仍占有很大市场,但新一代 E/E 架构已经出现。在汽车消费者做出选择的同时,部分车企已经率先行动,传统 E/E 架构迎来滑坡的这件事恐怕不会太远。


来源:罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)




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