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面向量产的整车电子电气架构演变

来源：公众号“汽车电子与软件”

2020-06-22

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；其终极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，比较终极的方案，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，ADASAD 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，最大程度减少线束长度，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。