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面向量产的整车电子电气架构演变

发布日期:2020-08-06

GRCC 汽车电子电气架构创新发展论坛 4天前 

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前言


在数字化重塑的浪潮下,一场深刻的汽车电子电气(E/E)构架变革正在酝酿,从分布式架构到域集中架构,从域集中到跨域融合,从跨域融合再到最终的中央计算平台,这个演化过程已经成为行业的共识。不管是那张经典的博世对于EEA的演化示意图,还是其他相似示意图,都对趋势有了相似的指引和预测。

博世EEA演进图

新型EEA行业格局


今天,E/E构架设计面临四大挑战:功能安全、实时性、带宽瓶颈、算力黑洞。为此,智能汽车E/E构架正从分布式走向集中式;其**形态将是超级中央计算机。
整体上讲,过去几年多样化的EEA设计,现在终于开始收敛了。毕竟,方案上即便存在相互“借鉴”,也都是带着脑子借鉴的,消化消化,靠谱的方案终归会有更多追随者。目前看来,基本上两种方案比较主流:第一种,三域架构,利用三个大型域控制器实现车控、智驾、信息娱乐三个域的功能;国内不少新造车势力也在搞这种架构。第二种,Zonal架构,比较**的方案,可能需要更长时间来实现。
传统的分布式EEA,使得车辆的本质属于机电一体化的机械载具,而非数字化/信息化的半导体设备;若想要汽车真正变成一台类似苹果手机一样的智能设备,首先需要实现集中式的EEA;然后基于集中化的硬件基础,实现软件的SOA架构(基于AUTOSAR,或者像特斯拉一样不care)和基于服务的通信,才能成为现实。

三域EEA

顾名思义,是指车控域、智能驾驶域和智能座舱域(注:自己起的名字,没有出处...)。
其中,车控域基本将原动力域、底盘域和车身域等传统车辆域进行了整合;智能驾驶域和智能座舱域则专注实现汽车的智能化和网联化。
涉及的零部件主要有4类,车控域控制器(VDC,Vehicle Domain Controller)、智能驾驶域控制器(ADC,ADAS\AD Domain Controller)、智能座舱域控制器(CDC,Cockpit Domain Controller)以及若干高性能网关,其中:

  • VDC作为Private DCU,负责整车控制,实时性安全性要求高;
  • ADC作为Public DCU,负责自动驾驶相关感知、规划、决策相关功能的实现;
  • CDC作为Public DCU,负责HMI交互和智能座舱相关(甚至整合T-Box)功能的实现;


三域架构常见的实践包括:

  • 大众的MEB平台(首款车ID3)的E3架构

即由3个车辆应用服务器(ICAS,即In-Car Application )组成的新型集中式EE架构,具体包括:车辆控制服务器ICAS1、智能驾驶服务器ICAS2和信息娱乐服务器ICAS3;

图1 大众对车载服务器的概念设计


图2 大众的E3架构的通信方式

  • 伟世通对三域架构的proposal:

图3 伟世通的三域架构概念

  • 华为的CC架构

CC架构比较特殊,把智能网联也囊括了,应该是IOT视角的中心计算(云)+通信(管)+边缘计算(端)这种思路。从华为的视角,所有业务都分为“云”、“管”、“端”;把端做多做大了,就像往悬崖对面拉了更多的锁链,桥(华为的“管”,各种基站啥的)就更结实稳固了。手机、汽车、智能家居,都属于各种“端”。而华为的汽车三域架构,也属于“端”(车端)的范畴。因此车端的EE架构算是CC架构包含的一个“小架构”,也是VDC、ADC、CDC和网关等部件组成。另外,华为将ADC叫做MDC(大名鼎鼎的“移动数据中心”,Mobile Data Center),以后有机会可以聊一聊MDC300;
图4 华为的CC架构

  • 宝马三域EEA
宝马新一代电子架构于2016年初开始设计,2018年9月正式量产,大量使用以太网和域控制器。
图5 宝马新一代整车电子架构

Zonal EEA

中央&区架构都有什么好处呢?

  • 线束方面:简化线束复杂度,减少线束用量(重量和成本也同步降低);尤其在复杂功能需求驱动的背景下,能够有效平抑复杂度。例如,不断增加的执行器和传感器,不断增加的数据处理能力和数据带宽,不断增加的智能配电需求,等等,都需要类似中央&区的EEA来解决这些潜在的问题。

图6 Zonal EEA如何减少线束

  • 制造方面:线束简化,增加了产线自动化的潜力;
  • 空间和安装位置:节省了安装空间;
  • 软件更新灵活性:只需要在车载中央计算机更新APP即可。


中央计算单元
中央计算单元是EEA中最关键,不管是按区域的架构,还是以后的纯中央计算平台,其硬件构型从根本上决定了软件架构的设计方向。
图7 中央计算单元构型
中央计算单元可以分为以下三种形态:

  • 分离式
  • 硬件隔离式
  • 软件虚拟式

分离式是指,将多个不同的芯片集成到一个中央计算单元上去,每个运行不同的操作系统,只是在形态上集中到了一起,各单元依然独立的完成各自任务,代表如特斯拉AP,奥迪zFAS等。
硬件隔离式是指,在统一的计算平台上采用虚拟化方案,同时运行多个操作系统,但是各个系统依然在硬件上进行隔离,每个系统都有自己的专属硬件资源。
软件虚拟式是指,在统一的计算平台上采用虚拟化方案,同时运行多个操作系统,每个操作系统所使用的硬件资源,由Hypervisor层动态调配,每个系统并没有专属的硬件资源。
分离式最大的好处就是功能边界清晰,相比于传统的独立的BOX,只需要在电路设计上,把每个芯片放在不同的PCB板,然后将多块PCB叠加在一起。坏处就是,硬件资源浪费,每个芯片都需要一个最小系统,并且硬件上还没法拓展。
 硬件隔离式和软件虚拟式,都采用了虚拟化方案,唯一不同点在于硬件资源是否专属,如果是专属的,就意味着资源无法动态调配,容易产生资源浪费。虚拟化方案最大的好处是,硬件上的可拓展性,如果中央计算单元采用刀片式的设计结构,可以很方便的拓展计算单元的算力,而不用替换整个计算单元。
区控制器(Zonal Controller)
中央&区架构概念中,车载中央计算机(也有叫中央控制器、中央计算平台...)固然重要,但是搞清楚区控制器(Zonal Controller)更重要。根据获得的资料显示,区控制器所扮演的角色主要是充当网关、交换机和智能接线盒的角色,提供并分配数据和电力,并实现车辆特定区域的feature,具体来讲:
关于数据分发:
1.支持任何类型的传感器、执行器和Display(显示器)的接口;
2.区域内,区控制器与低阶的ECU通信时,有可能会用10BaseT1s(无屏蔽双绞线以太网1)代替其他的通信方式,比如CAN、FlexRay等;因此,也会充当IP-based设备(以太网通信设备)与骨干网(车载中央计算机与区控制器级之间的以太网通信)之间的交换机角色;当然,如果区域内的通信不完全被10BaseT1s以太网替代时(有CAN、LIN等通信存在),还会充当传统设备的网关;
3.关于TSN骨干网(以太网),要具备高带宽和实时通信,同时保证可靠性和fail-operational特性;
关于分级配电(供电):
1.一级配电网络,双电源(冗余)将电力输送到区控制器;
2.二级配电网络,区控制器负责将电力继续向下输送到底层控制器,因此区控制器需要具备高边power distribution功能,以及eFuse(电子熔丝)等功能;
关于车辆特定区域的feature实现:
区控制器会配置ASIL等级高的MCU,以及其他应用芯片,来实现车辆区域的各种基本功能。

中央&区架构中SOA架构的部署
在Central&Zone架构中,部署SOA有以下好处:

  • 功能不再与ECU关联,而是与区关联;
  • 单个feature可由不同ECU所提供的服务构成,而非一个功能对应一个控制器盒子;
  • 业务逻辑(Business Logic)放在车载中央计算机中实现;

能够有效解决以下问题:

  • 保证功能在不同ECU或区之间的可移植性;
  • 增加SWC的重用性;
  • 有助于物理连接向逻辑连接进行抽象;
  • 传统通信机制得以保留;比如关键任务ECU(ESP)能够保留,并仍旧使用基于信号(signal-based)的通信;可使用Classic-AUTOSAR将服务(Services)映射到传统的ECU中;
  • 新增功能不需要改变ECU和线束(降低拓扑复杂度、增加线束优化潜力),直接在车载中央计算机中添加就行。

中央&区架构实现的一些挑战:

  • 供电与数据传输集成在一起(通过区控制器),对EMC测试的挑战很大;
  • 散热问题;
  • 安全问题;缺失相关标准;


Zonal EEA常见的实践包括

  • 特斯拉的Zonal EEA:

车载中央计算机其实是伪“中央”,是Autopilot ECU和MCU(Media Control Unit,其实就是车机),以及网联模块堆叠在一起组成的CCM(中央计算模块),凑一起,蹭同一套液冷系统;
图8 Model3 Zonal EEA

  • 丰田的Zonal EEA:

丰田的EEA属于典型的Zonal-EEA。首先,在硬件上,通过ECU的集成来降低控制器成本;软件上,使用基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR的SOA架构,实现便捷的软件迭代和功能的可扩展性;线束上,****减少线束长度,降低线束设计复杂度,减重降本,提高产线自动化;安装空间上,集中化的架构减少了ECU数量和线束长度,腾出更多空间,为后续迭代预留空间。
图9 丰田的Zonal EEA概念
图10 丰田认为Zonal EEA几个较有优势的点

  • 沃尔沃的Zonal EEA:

沃尔沃的Zonal EEA包括Core System和Mechatronic Rim,不过将ZCU划入了中央计算集群中;同时还定义了与核心计算系统相对应的概念:机电一体化区域,其实如果以VIU为节点看的话,也可以分出几个区来。VCU对应VCC;冗余设计;VIU对应ZCU。
图11 沃尔沃的Zonal EEA概念

  • 安波福的Zonal EEA

即SVA架构;供应商层面的Zonal EEA啊,是靠自己能力搞不出来Zonal EEA的OEM的福音啊,又可以直接买买买了。
图12 APTIV的SVA 架构
图13 SVA架构部署时间表

  • 博世的Zonal EEA概念:

图14 博世的Zonal EEA概念,区有点多...
图15 减少线束是主要目的之一

  • 伟世通的Zonal EEA概念

图16 伟世通对Zonal EEA的设计概念
图17 伟世通对区控制器的一些概念设计

结语 

从技术上,中央计算机-层-区的概念将建立起智能汽车的新构架。区是局部控制、感知与执行单元,层是按照职能划分的资源池,中央计算机是真正的决策大脑,面向应用/服务,调用各层资源,执行高级决策,由区控制单元执行决策或完成态势感知任务。

对于车载E/E构架来说,中央计算机概念是全新的,但对于PC和手机行业,都已经是非常成熟的概念。当智能化浪潮从IT行业延伸到汽车的时候,我们看到了相同的故事正在上演,汽车行业的基因正在发生改变。



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