隨著汽車電動化、智能化、網聯化、共享化的不斷發展，汽車電子電氣系統變得越來越復雜和龐大，從而促使汽車電子電氣架構也不斷革新。介紹了電子電氣架構的含義和基礎要素，并對電子電氣架構的演進趨勢進行了深入研究，最后，探討了未來主流的域控制架構和中央計算架構的拓撲形式。

1 引言

隨著汽車電動化、智能化、網聯化和共享化（新四化）不斷發展，汽車功能變得越來越豐富和人性化，從而使得電子元件數量也越來越多，各電子元件之間的交互邏輯也越來越復雜。而傳統的汽車分布式電子電氣架構本身就存在著通訊帶寬低、計算能力不足和軟件升級不便的問題，如果再使用通過不斷的增加控制模塊和設計復雜的模塊交互邏輯來實現新增車輛功能的傳統電子電氣架構，會使得控制模塊之間的總線通信交互越來越擁堵，以致于無法實現汽車的各種智能功能，因此，汽車電子電氣架構必須能夠支撐汽車“新四化”的發展。新的電子電氣架構必須具備高通訊帶寬、高計算力和高網聯安全性，并支持遠程軟件升級（OTA），隨著“新四化”的不斷發展，汽車電子電氣架構也會不斷的進行革新，軟件集中化的域控制器架構和中央計算架構將會成為未來汽車電子電氣架構的主流發展方向。

電子電氣架構是指在功能需求、法規和設計要求的特定約束下，通過汽車上的控制器、執行器、傳感器的電子元件來實現車輛的能量管理、網絡通訊、診斷方面規劃的電子電氣解決方案。先進的電子電氣架構可以有效地減輕汽車整體質量，降低汽車研發成本，縮短車輛研發周期，并能夠確保車輛的最佳性能。整車電子電氣架構涵蓋了10 個基礎要素，分別是線束路由及分配、零部件布置策略、保險絲和接地分配、能量管理、電源模式管理、網路通訊、診斷、功能分配/特征集成、整車平臺化電子電器接口和控制器標準化的基礎軟件。通過對這些基本要素的逐步設計開發，從而實現整車的功能需求。

2 電子電氣架構演進趨勢

電子電氣架構的復雜主要體現在不斷增加的控制器數量、網路總線類型和線束系統復雜性，為了降低電子電氣架構的復雜性，電子電氣架構也需要不斷的升級和進化。目前行業內普遍比較認同的是博世提出的汽車電子電氣架構演進趨勢（圖1），該演進趨勢包括3 個大階段和6 個小階段，3 個大階段依次是分布式電子電氣架構，域集中電子電氣架構，車輛集中電子電氣架構。每個大階段又包含2個小階段，從而形成了6個小階段，依次是模塊化、集成化、集中化、域融合、車載電腦和車-云計算。隨著架構的不斷升級，對軟件的代碼數量也在不斷增加，最終將實現車輛功能在云端計算，下面將對6個小階段的特點和演化趨勢進行詳細闡述。

圖1 電子電器架構演進趨勢

2.1 第1階段：模塊化

該階段功能劃分明確，一個功能一個控制模塊，模塊與模塊之間界限明確，一切“越界”行為容易控制。模塊的設計通常基于特定的功能，如尾門控制模塊（PLG）等，模塊與模塊之間通過CAN 總線進行通信。由于模塊間的獨立性較強，模塊開發者不用太過于考慮其它模塊的干擾問題。但其局限性在于功能控制模塊的獨立開發模式，雖然能夠確保模塊自身的功能要求，但是由于傳輸信號帶寬的局限性，導致了資源無法共享，大量運算資源浪費。

2.2 第2階段：集成化

集成化階段僅僅是模塊化階段的一個小規模升級，在架構上減少了功能單一的模塊，將車輛功能小范圍向其它控制器中進行融合。如空調功能以往是由電子空調模塊控制（ECC），無鑰匙進入和無鑰匙起動功能通常是由PEPS模塊控制，經過融合之后，可以將空調調節功能、無鑰匙進入和無鑰匙起動功能全部都集成到車身控制模塊（BCM）中，而刪除了ECC 模塊和PEPS 模塊。這樣帶來最大的收益是降低了成本，但卻依然無法彌補跨模塊之間通訊速率低的不足，模塊與模塊之間的壁壘仍然沒有打破。

2.3 第3階段：集中化

集中化架構采用了域中心控制器（Domain ECUs），“域”概念的核心思想是靈活，在系統與軟件層面進行了集成，脫離了模塊軟件與硬件捆綁的限制。在架構中引入車載以太網高速通訊，各域控制器之間采用以太網進行信息共享，打破了帶寬的局限性。該架構中的核心復雜算法可以集成在域控制器中，而小型的控制器可以不再關注復雜算法，而是更多地關注自身控制器的硬件和驅動，如防夾算法、備份驅動、電壓補償等算法都可以集成在域控制器中。這樣，不但大幅度減少了冗余軟件的開發量，而且也大大精簡和優化了其它控制器。域控制器是按照整車系統功能進行域劃分的，一般可分為動力總成域、底盤系統域、車身電子域、智能座艙域和智能駕駛域這5個功能域。

2.4 第4階段：域融合化

域融合就是采用跨域中心控制器將2 個及以上的域控制器進行融合，核心復雜算法都集成在跨域中心控制器里，原來域下面的小型控制器都融合到跨域中心控制器下面。如果將智能座艙域和智能駕駛域進行融合，則可以形成一個包含自動駕駛及娛樂信息功能的跨域中心控制模塊。這樣的好處是將車輛域控制器進一步融合，減少控制器數量從而降低成本。

2.5 第5階段：車載電腦

上述Domain ECU 仍然是以功能為導向的，即將車輛的功能向域控制器里集中，但由于車輛上各執行器的位置不變，勢必會導致線束長度的增加，從而增加線束成本。以車身后方的制動燈功能為例，該功能是由車身前方的車身電子域模塊控制，線束需要跨過80%的車身。為了節約線束成本，而又不丟失軟件集中的“域”核心概念，從而引入了區域控制器（Zone ECUs），取消了傳統的功能域控制器，取而代之的是車輛物理空間上的區域控制器，這種電子電氣架構主要由中央車載電腦和多個區域控制器組成。這種劃分方式是按照物理布置方案來劃分的，采用就近原則，由繁至簡，通過各區域控制器之間的交互來實現整車功能。Zone ECUs 完全從軟件的角度去實現車輛的功能，很好的詮釋了“軟件定義汽車”。

2.6 第6階段：車-云計算

車-云計算架構是最高階段的電子電氣架構，指的是在中央車載電腦和在Zone ECUs的基礎上引入云計算的概念，將區域控制器中的部分復雜算法集成在云端，由云端算法來控制車輛的功能，從而實現車-云計算。第6階段也是電子電氣架構演進的最高階段，未來隨著汽車智能化技術的不斷發展，電子電氣架構將逐步朝著最高階段進發

3 未來主流電子電氣架構拓撲形式

3.1 域控制架構拓撲形式

域控制架構的拓撲形式如圖2，該架構包含一個中央網關（Gateway）和多個功能域控制器（Domain ECU），各域控制器之間的信息交互是通過中央網關進行路由的，并通過以太網（Ethernet）來傳輸數據以突破帶寬的限制。根據各功能域控制器所控制的功能范圍不同，在功能域控制器的范圍內再連接一些常規控制器，以實現不同的功能需求，內部控制器之間的總線通訊方式采用比較靈活，可根據實際通信需求和成本設置成Ethernet、CAN FD、CAN 和LIN 總線的通訊方式。外部診斷設備Tester 可以通過DoIP 以太網診斷經由網關路由來診斷車輛內的任何一個ECU模塊。常見的功能域控制器有動力域控制器、底盤域控制器、車身域控制器、娛樂域控制器和自動駕駛域控制器，其中各域控制器之間可以進行進一步融合，如底盤域和車身域進行融合。

圖2 域控制架構拓撲

聯合汽車電子公司設計開發的擴展型域控制器架構就是一種功能域控制架構（圖3），根據未來智能網聯汽車的功能需求，頂層為云端服務平臺，中間層為計算與控制層，底層為標準化執行器與傳感器層。該架構分為信息娛樂域、車身域、動力總成域、底盤域、輔助/自動駕駛域。這種架構可以通過底層進行數據收集，在中間層進行數據處理與分析，最終反饋到云端，由云端服務器根據需要處理的信息，為不同車輛提供靈活性的調度處理。

圖3 拓展型控制器架構

3.2 中央計算架構拓撲形式

中央計算架構拓撲形式如圖4，該架構由中央計算模塊和區域控制器組成，并且區域控制器按照車輛物理空間的布置方式進行分布，各控制器之間采用Ethernet）通訊。中央計算模塊集成了核心的智能駕駛和智能座艙相關的復雜算法，為避免中央計算模塊故障帶來的車輛安全問題，需設計一個備用中央計算模塊。各區域控制器則根據就近原則分布在車輛周圍，區域控制器會連接一些簡單的ECU 或執行器，并接收傳感器數據，通過復雜的軟件算法來實現整車所有的功能需求。

圖4 中央計算架構拓撲

特斯拉Model 3的電子電氣架構就是一種中央計算架構拓撲形式，由中央計算模塊、前車身控制器、右車身控制器、左車身控制器所構成，如圖5所示。按照車輛的實際分布位置對車輛控制進行了區域劃分，這樣布置簡化了線束，提高了系統效率。中央計算模塊主要作為整車的決策中心，負責處理所有輔助駕駛相關的傳感器，并對主要核心控制器進行數據處理和決策仲裁。

圖5 特斯拉Model 3的電子電氣架構

3.3 域控制架構和中央計算架構對比

域控制架構和中央計算架構各有優勢（表1），域控制架構的功能劃分明確，控制邏輯清晰，分析排查車輛問題時便于定位問題，同時對軟件算法要求較低，實現起來較容易。中央計算架構對軟件算法要求較高，算法相對集中，需求的控制器數量和線束布置較少，車輛各控制器之間的信息交互相對較簡單，但因為其對軟件開發的能力要求較高，實現起來較復雜。未來這2 種電子電氣架構將會成為主流的汽車架構，且會并存很長一段時間，但隨著汽車智能網聯技術的不斷發展，最終都將會邁向中央計算架構。

表1 域控制架構和中央計算架構對比

4 結束語

汽車“新四化”技術的不斷發展促使了汽車電子電氣架構不斷進行革新。傳統OEM 公司基于自身現狀，無法大刀闊斧地切換自己的電子電氣架構，但技術發展的趨勢又無法阻擋，會利用現有資源按照電子電氣架構演進趨勢的6 個階段逐步升級完善公司的電子電氣架構。而有互聯網背景的新興OEM 公司為了實現越遷式發展，則會利用自身的軟件開發優勢，直接從較先進的第3 階段或第5 階段架構開始開發，以實現汽車上先進的智能駕駛和智能座艙技術。伴隨著智能駕駛時代的到來，所有OEM 公司最終將朝著車輛功能在云端計算的電子電氣架構方向發展。

審核編輯 ：李倩