2020新形势下汽车电子构架——域控制器

2020年9月14日 评论 830 2631字

在5G普及和车载以太网的驱动下,实现L3级以上无人驾驶成为可能,汽车电子电气架构将发生重大革新,华为提出CC构架,博世及传统汽车制造商提出以太网+域控制器构架,即跨域融合形成集中几个域控制器的电子构架。二者如出一辙,只是不同角度的不同表述而已。

1、汽车电子控制软件及硬件面临的新问题

在5G+人工智能的汽车时代,汽车电子电器构架将发生重大变化,必将对汽车的线束也带来很大影响。汽车电子电气架构必须支撑未来汽车“四化”和车载软件的快速发展,为此必须满足的基本需求包括高计算性能、高通讯带宽、高功能安全性、高信息安全性、软件持续更新等。然而,当前采用的分布式汽车电子电气架构存在计算能力不足、通讯带宽不足、不便于软件升级等瓶颈,不能满足未来需求。

处理器运算能力和硬件的高速发展,使得许多创新在汽车环境下得到迅速推进,最明显的体现于越来越复杂和多样的车载电子系统,大量的传感器和处理器被用在车辆的不同系统实现相应的功能。在不断的演进过程中,每增加一个新的传感器或应用程序需要通过增加一个新的独立的电子控制单元(ECU)设备及其关联的传感器电路来实现,这种做法是非常低效的,因为随着点对点链接,需要增加连接的数量与安装在车内的 ECU 数量呈指数上升。

2020新形势下汽车电子构架——域控制器

根据美国电气和电子工程师协会与IHS咨询公司联合发布的报告,在上世纪80年代初,一辆普通轿车的电子系统只有5万行软件代码,但如今一款高端汽车的软件代码行数已经超过了6500万,以特斯拉和宝马7系为代表的豪华汽车,系统中的代码总量更是超过了2亿行。

相对于点对点的链路系统,提出使用基于总线的网络是一种进步,例如目前广泛用的车载总线型网络:本地互连网络(LIN)、控制器局域网络(CAN)或 FlexRay等。但随着时间增加新的子系统会被添加到车辆中,ECU 数量的增加带来的是带宽消耗的显著增加。

目前高级车辆ECU达到25个,当引入5G,L3级以上自动驾驶技术,这些应用程序数据传输带宽需求有显著增长,如采用传统的电子构架,ECU将达到50甚至100个,无论从成本、结构布置、通信带宽都将崩溃,因此迫切需求下一代的车载网络技术及架构。

2、CC构架还是域控制器?

近两年来,使用以太网技术及架构作为下一代车载网络的发展方向受到了汽车行业内部及通讯业技术人员的广泛关注,国外主要汽车制造商(如宝马、通用、戴姆勒·克莱斯勒等)和半导体公司(如博通、恩智浦、麦瑞半导体等)推出适应车载环境并符合标准以太网的应用或实体层元件,密切关注并积极推动标准以太网介入车载网络的发展,积极参与讨论和制定适用于车载环境及应用的以太网标准,支持车载以太网项目的研究及联合成立了一些行业标准组织。

在5G普及和车载以太网的驱动下,实现L3级以上无人驾驶成为可能,汽车电子电气架构将发生重大革新,华为提出CC构架,即通信+计算,三个平台指的是MDC智能驾驶平台、CDC智能座舱平台和VDC整车控制平台;博世及传统汽车制造商提出以太网+域控制器构架,即跨域融合形成集中几个域控制器的电子构架。二者如出一辙,只是不同角度的不同表述而已。

3、捷足先登,联合电子率先开发域控制器平台

基于软件集中化和域控制器的集中式电子电气架构将成为未来汽车电子电气架构的发展方向。支持集中式电子电气架构和域控制器的相关技术已经具备,包括车规级微处理器芯片、车载以太网等。领先汽车厂商已经在下一代车型中布局集中式电子电气架构和域控制器,以实现汽车“四化”和使能软件创新。然而在实际应用中,仍然存在域控制器概念不一致、基于域控制器电子电气架构初期成本较高等问题。

个性化需求,大幅增加了未来汽车变形开发需求,汽车企业需要有效的变形管理,降低变形开发的成本。汽车智能化面向自动驾驶的实现,摄像头和雷达等环境传感器的信息传递需要高通讯带宽;信息的处理和融合需要较高计算能力;另外,车辆运动控制系统需要跨功能域的总体协调控制。汽车网联化将使终端客户对车辆功能的预期发生改变,更趋向于消费电子的经验,期望快速的功能更新和升级。

汽车共享化改变了商业模式和汽车的拥有模式,运营商需要车队管理和云端控制,需要智能化的车辆状态监控和维护,这也需要较高的计算能力。以上汽车“四化”对汽车电子电气系统的需求可以总结为:有效的变形管理,高计算性能,高通讯性能,有效的跨域功能协调和软件持续更新升级。另外,汽车“四化”的功能很大程度上依靠软件实现,软件驱动创新是未来汽车“四化”的核心。

当前汽车采用分布式汽车电子电气架构,如图1 所示,该架构在计算性能、通讯带宽、变形管理和支持跨域功能等方面均存在瓶颈。另外,由于以高度嵌入式控制器为主,硬件与软件高度集成,在车辆批产后软件难以升级,较难支持软件创新。集中式电子电气架构通过域控制器和以太网提供了未来汽车所需的计算能力和通讯能力;将车辆层级软件集中于域控制器,并标准化高度嵌入式控制器,更好地支持变形管理和跨域功能;由于实现了更好的硬件抽象,该架构更好地支持了软件创新和软件持续更新升级。

2020新形势下汽车电子构架——域控制器

未来集中式汽车电子电气架构将分为三层,如图 2 所示,顶层为云计算服务平台,中层为车载计算控制平台(即域控制器),下层为机电一体化的标准化执行器、传感器控制器。业界一般将汽车电子电气系统分为五个功能域,分别是动力总成域、底盘域、车身域、信息娱乐域和辅助 / 自动驾驶域,因此中层的计算与控制包括五个域的主控和以太网通讯、无线通讯共七个元素。根据这七个元素在具体硬件上的分配以及底层执行器、传感器控制器的具体设计,集中式电子电气架构有不同方案。

区域控制器是一种新的控制器概念,它不再以功能为导向划分控制器的边界,而是以车辆特定物理区域为导向定义控制器,例如车辆前区域控制器、左区域控制器、右区域控制器,控制和驱动该区域内的部件。采用区域控制器可以从两个方面降低电子电气架构的成本,一是将该区域内的功能型控制器集成入区域控制器,二是由于区域控制器采用就近接线,减少了车辆的线束成本。区域控制器配合中央计算机,在实现集中化需求的同时,可保持整车物料成本平衡。

目前业内大佬已经开发面向未来集中化电子电气架构,如联合汽车电子有限公司已经开发了扩展型域控制器平台(XCU:e Xtended domain Control Unit)。XCU 适合于未来域(融合)集中化电子电气架构中具有高安全要求的域控制器,同时适合基于区域控制器和中央计算机的集中化方案中的中央计算机方案。

来源:汽车电器杂志社

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