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安波福 - 智能汽车架构(SVA)白皮书

发布日期:2020-08-13

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 建立下一代汽车的可持续方法


近几十年来,汽车行业已引入了****的电子和电气创新产品 - 从安全气囊等被动安全功能到沉浸式用户体验和信息娱乐,以及主动安全功能(如自动紧急制动)。每个新的创新都需要拥有自己的电子控制单元(ECU),其自身的动力,自身的处理,自身的数据和自身的连接性。每个功能部件的硬件都具有自己的布线,增加了复杂性和占用空间,并增加了车辆的重量。

传统方法几乎不能满足当今功能丰富的车辆的需求,并且随着行业朝着全自动驾驶迈进时,这种方法也无法进行扩展去适应行业的变化。因此,需要一种新的车辆架构 - 来简化设计,集中计算能力并优化电气/电子内容,组件和功能。

对于汽车行业来说,这是一个激动人心的时刻。软件,计算和传感器的进步使高级安全系统在实现全自动驾驶的道路上进行了大量创新。消费者对安全性,舒适性和便利性的要求越来越高。消费者的喜好,严格的法规以及不断改善的电池成本正在使汽车行业朝电动汽车方向发展。同时,5G和其他无线技术正在创造机会来提供比今天更加互联的车辆。

当然,挑战在于所有这些趋势都在发生。然而,车辆底盘内的空间有限;同样,客户的钱包也有限。继续采用传统方法为每个新功能添加新的ECU不是一种可长久持续的做法。因为每个功能都需要有自身的动力输入,自身的处理程序以及自身的数据和连接性。它无法进行扩展,而且太复杂了。

OEM意识到这一点:他们发现,采用逐步交付客户特征和功能这种单一方法给车辆生命周期的所有阶段都带来了难以控制的复杂性。

在开发阶段,上市速度对竞争力至关重要,然而,难以控制的复杂性延长了开发时间。单一的开发方法将软件和硬件紧密地联系在一起,从而限制了可重用性,并使任何工程上的更改都变得困难。

在制造和组装阶段,复杂性导致那些很难手工组装的组件,同样也不适合用于自动化。

在生产后期阶段,复杂性降低了在整个车辆生命周期中更新功能的能力。

我们需要的是一种更简单的方法:一种从头开始设计的,用于电子电气系统的新型车辆架构,来应对当今功能丰富的车辆以及未来的高度自动驾驶车辆。

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  SVA - 方法论


为了应对这些挑战并为未来做准备,Aptiv开发了智能车辆架构 - SVA。

SVA体现了具有三个主要目标的车辆级设计理念。该架构必须:

1)降低复杂性

通过简化车辆内的硬件和软件拓扑结构,SVA减少了当前启用各种功能所需的许多不同ECU之间的相互依赖性。

2)统一不同的应用程序

SVA将来自车辆多个不同领域的软件结合在一起,以解锁新功能并改进生命周期管理。

3)授权给OEMs

SVA使OEMs拥有完全控制相关主要软件的能力,如定义车辆用户体验的软件;并随着时间的推移能够不断地增强其功能。

SVA通过三项基本原则来实现这些目标,这些基本原则将这种方法与当今的架构区分开来。

1)第一,SVA将软件从硬件中抽象出来。虽然这种分离在当今的大多数IT行业的平台上已经很普遍,但这一概念现在在汽车行业正逐渐兴起。将软件与硬件分离,并实现软件的连续发布周期。正如今天智能手机上的应用程序会定期收到更新迭代和改进一样,车辆中的软件应该能够比运行在其上的硬件更频繁地更新。这种分离还允许开发人员在将软件迁移到不同的平台时更容易地重用软件,而不仅仅是简单的移植。

2)第二,SVA将输入/输出(I/O)与计算平台分离。也就是说,该架构将所有物理连接都放到外围传感器和设备,并将此相关的计算能力放入与域控制器中的计算机相分离的区域控制器中。可以类别成笔记本电脑的扩展坞,所有的外围设备(键盘,鼠标,打印机等)都插入扩展坞,这样就可以很容易地将笔记本电脑换入和换出了。在具有SVA架构的车辆中,区域控制器将电源和数据传递到传感器和其他设备;同时,只需与域控制器进行主干连接。这种方法提高了可伸缩性并降低了物理复杂性。

3)第三,SVA计算平台“服务器化”。一旦I / O与计算平台分离,就像云计算模型一样,该方法就可以根据需要动态地在一个车辆中的各种应用程序软件之间分配计算资源。具有SVA架构的车辆可以根据优先级和需求为应用程序分配必要的计算能力、RAM、图形处理等。服务器化甚至可以允许在物理上独立的域控制器之间共享资源,因此它们可以作为一个逻辑运行。另外,这种方法支持多级关键度。也就是说,例如,需要更多处理能力的关键安全功能要优先于信息娱乐等次要功能。

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 SVA - 物理组件


服务器在三个服务层(基础架构、平台和软件)上提供价值,这些层会影响SVA在车辆中的物理表现方式。架构的物理布局给设计带来了更多好处,例如自动装配,对冗余电源和数据的支持以及电气化。

图1. 传统服务器模型转化为SVA的开放式服务器平台

基础组件包括:

1)高压母线

高压母线直接安装在电池上,并为电动汽车传输电力。它们的扁平和半刚性特性使其更易于安装布置到车辆中。


2)Dock&Lock™系统
该扩展坞连接到车辆的地板上,并提供了一个基座,机器人可以将该架构的所有其他中央元素连接到该基座上。

3)统一的电力和高速数据传输主干网
这个主干网为架构的每个组件提供电力。它还聚集了车辆内的所有数据通信。它甚至可以通过双环拓扑轻松有效地支持冗余。


连接到骨干网的是位于中央计算集群中的元素,这些元素包括:

1)安全连接网关(SCG):
SCG是SVA主控制器和车体控制器。它控制与唤醒系统相关的关键功能,以及通过无线连接进出车辆的数据流。

2)开放式服务器平台
这些域控制器用于运行启用高级安全功能和舱内用户体验所需的软件。他们还具有动态共享计算资源的能力,从而提供改进的性能和经济高效的冗余设计。

3)动力数据中心(PDC)
PDC是区域控制器,是连接所有传感器和外围设备的“对接站”。根据车辆的配置,可能会有2到6个PDC以及不同的变体,这些变体有助于适当地扩展其性能。

4)推进和底盘控制器
该控制器用于提供关键任务:发动机管理(用于内燃机)或电池管理系统(用于电动车),以及所有底盘功能,例如转向和制动。

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 SVA如何降低成本


随着OEM不断扩展其车辆的功能和智能性,这种针对车辆的软件架构和物理结构的方法代表了逻辑上的未来状态。

但是消费者也必须能够为此付费。但是好的一方面是通过降低复杂性,SVA有效降低了车辆生命周期各个阶段(开发,制造和生产后期)的总成本。

开发阶段:

当前的开发方法在汽车行业中非常线性。在概念阶段之后,开发人员不得不等待目标硬件开发完成,再去了解软件如何在此系统上如何工作。然后,在软件完全编码之后,还必须对其进行测试和验证,这可能需要很长时间。

SVA允许开发人员完全独立于底层硬件来创建软件。它定义了硬件性能等级,使集成商可以组合各种软件应用程序,然后针对所选的硬件等级验证其性能。

开发人员不必知道软件将在哪个确切的设备上运行,他们只需要定义软件**运行所需的硬件性能水平即可。只要硬件满足此硬件类别的规范,软件就可以使用它。

图2. SVA允许开发人员并行创建软件

借鉴敏捷方法中使用的迭代开发技术,SVA允许开发人员动态上传更新。测试和验证变得更易于管理,开发人员可以让产品带有更丰富的功能并且更快地进入市场。

综上所述,Aptiv预计这些技术可以将系统集成和测试成本降低75%,并将保修成本降低75%。

制造阶段:

SVA还通过两种重要方式削减了制造阶段的成本。

1)第一种方法:通过向上整合来消减成本

今天,功能分布在车辆上的多个ECU上。当将它们整合到一组较小的域控制器中时,车辆就能够省去多个微控制器,多个电源供给装置,多个外壳和铜线束,同时还能保持甚至提升整车计算能力。这使得线束的重量减少了20%,计算相关的硬件重量和占用空间也减少了20%。

2)第二种方法:通过直接减少劳动力来消减成本

例如,由于PDC简化了物理复杂性并直接连接到传感器,因此线束可以限制在2.5米或更短,这意味着我们的客户只需要一两个人即可安装它们。相比之下,安装当今最复杂的架构需要10个或更多的人员,OEM可以节省50%的人工成本。

此外,由于SVA利用利用模块化分区架构以及Dock&Lock连接系统的优势,SVA可以实现**水平的自动化,进一步降低了人工成本,并满足了这些高级功能日益严格的质量要求 。


生产后期:

即使在车辆出厂后,SVA仍在继续降低成本。随着软件从硬件中抽象出来,汽车制造商可以建立一个经过认证的软件库——实际上是一个汽车的“应用商店”。这些应用程序可能包括OEM、Aptiv甚至第三方开发的软件。随着时间的推移,这个库可以扩展成新的功能,或者允许对现有应用程序进行更新。

车辆制造商和软件开发人员可以使用OTA更新功能,在整个生命周期内升级车辆中的软件。

车辆通过Aptiv-SCG接收这些更新信息,Aptiv-SCG在新代码被验证后,然后在适当的时间更新车辆中的其他系统。无需去经销商处解决问题,这就降低了保险成本,同时也提高了品牌忠诚度和客户满意度。

对于OEMs而言,此功能激活了软件重用的潜力,从而实现了无数车辆的专用软件构建,并从根本上消除了与车型年更新相关的软件维护成本。

资产保护:

在SVA中,传感器的的数据处理在区域控制器中进行,这些区域控制器都布置在车辆的乘员舱中,而不是像现在一样大多由传感器内部的控制单元来完成。这有助于降低系统总成本,以及传感器组件的成本,进而降低与涉及这些传感器的小事故相关的成本,从而降低保险成本。


图3. 区域控制器的布置位置示意图

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  小结


SVA是一种全局的整车级架构设计方法,但它使OEM可以采取逐步的措施来实现基于服务的中央集中式架构。

图4. 实现完全SVA的技术路线图


第一步,通常是实现域控制器,以便对当前分布在车辆上的某些计算进行向上集成和扩展,特别是对于高级安全或信息娱乐等领域。

下一步,是使用区域控制器将物理复杂性分解为更易于管理的区域,同时进一步提高分布式ECU的集成度。

最后,OEM就可以向具有抽象和动态分配计算能力的基于服务器的架构迈进。

有了这些“组件元素”,OEM便具有SVA的构建“基块”,将能够通过软件定义架构的优势,来实现一些先进的功能特性(如自动驾驶),并且该架构在未来还能够不断的持续进化和发展。



参考资料:

1. Aptiv - Smart Vehicle Architecture white paper



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