幾個(gè)關(guān)鍵的趨勢(shì)正在共同推動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造方式的改變：

汽車(chē)中的電子控制單元(ECU)數(shù)量不斷增加，造成了電力和數(shù)據(jù)分配所需布線的復(fù)雜性不斷增加；

支持主動(dòng)安全特性的傳感器技術(shù)的爆炸式增長(zhǎng)使得I/O變得更加復(fù)雜；

不斷上升的勞動(dòng)力成本促使制造商尋找更自動(dòng)化的線束組裝；

電力需求也在不斷發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更大程度的電氣化，向混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是區(qū)域控制器。通過(guò)采用區(qū)域控制器方案，OEM不僅可以降低復(fù)雜性和成本，還可以加速向智能汽車(chē)架構(gòu)遷移。

汽車(chē)工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了有史以來(lái)最激動(dòng)人心的時(shí)刻，技術(shù)的進(jìn)步有望帶來(lái)無(wú)與倫比的安全性，更高的生產(chǎn)率和更好的環(huán)境利益。但具有自動(dòng)駕駛功能的全電動(dòng)汽車(chē)不可能在一夜之間成為主流或平價(jià)。OEM意識(shí)到，他們需要為當(dāng)下和未來(lái)的汽車(chē)建立正確的架構(gòu)基礎(chǔ)。

區(qū)域控制器是這個(gè)基礎(chǔ)的一部分。區(qū)域控制器是汽車(chē)中的節(jié)點(diǎn)，在汽車(chē)的一個(gè)物理區(qū)域內(nèi)，為各傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備提供電源分配和數(shù)據(jù)連接需求。它的作用可能聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但助力當(dāng)下復(fù)雜的汽車(chē)向前邁進(jìn)幾步是必要的。

智能熔斷器

作為區(qū)域配電樞紐，區(qū)域控制器自然需要配置智能熔斷器。有了智能熔斷器，傳統(tǒng)的繼電器盒被半導(dǎo)體取代，這種方法帶來(lái)以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

首先，智能熔斷器可以更好地進(jìn)行能源管理，因?yàn)榭梢约泄芾碚?chē)的保險(xiǎn)絲。這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)尤其重要；如果電池電量不足，系統(tǒng)可以使用智能保險(xiǎn)絲在整個(gè)車(chē)輛內(nèi)智能地短時(shí)間關(guān)閉某些功能。例如需要大量電力的次要功能包括座椅加熱器或窗戶(hù)加熱器等。該系統(tǒng)可以在司機(jī)察覺(jué)不到的短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉這些功能，以便為更重要的功能需要高峰負(fù)載時(shí)釋放能量，例如急轉(zhuǎn)彎時(shí)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向。

其次，智能熔斷器可以檢測(cè)到連接在它上的線束何時(shí)接近故障，并將信息傳回中央系統(tǒng)。這種預(yù)測(cè)性維護(hù)可以幫助駕駛員在潛在問(wèn)題影響車(chē)輛運(yùn)行之前解決它們。這對(duì)負(fù)責(zé)維護(hù)大量車(chē)輛的車(chē)隊(duì)經(jīng)營(yíng)者尤其重要。

第三，智能熔斷可以節(jié)省布線。在過(guò)去，電線的直徑必須比實(shí)際需要大30%，以允許在不熔斷保險(xiǎn)絲的情況下承受峰值負(fù)荷。相比之下，使用智能熔斷，電線可以指定在指定時(shí)間內(nèi)負(fù)載的物理極限。

圖1傳統(tǒng)保險(xiǎn)盒與智能熔斷器對(duì)比

提高集成度

區(qū)域控制器也是多個(gè)ECU的邏輯集中點(diǎn)。隨著車(chē)輛中傳感器和其他電子元件的數(shù)量不斷增加，增加單獨(dú)的ECU變得很笨拙。每個(gè)ECU都需要自己的電源和數(shù)據(jù)連接，這使得布線要求非常復(fù)雜。為了節(jié)省空間、簡(jiǎn)化管理和簡(jiǎn)化物理架構(gòu)，OEM正從分布式架構(gòu)轉(zhuǎn)向更加集中的架構(gòu)。區(qū)域控制器在這種遷移中起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗钦蟻?lái)自各種傳感器、外設(shè)和執(zhí)行器輸入/輸出(I/O)的邏輯位置，也可以提升某些電子控制的功能。ECU升級(jí)集成可以成熟的功能實(shí)例，包括車(chē)身和安全控制、空調(diào)控制、音頻管理以及非adas相關(guān)的車(chē)輛傳感器和驅(qū)動(dòng)。

在一項(xiàng)針對(duì)一家OEM的研究中，Aptiv發(fā)現(xiàn)，使用區(qū)域控制器可以整合9個(gè)ECU，消除數(shù)百條單獨(dú)的電線，從而使整車(chē)重量減少8.5kg。每減輕一點(diǎn)重量都能減少二氧化碳排放，并提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，如圖2所示。

圖2減少線束的例子

此外，由于區(qū)域控制器使車(chē)輛的電氣基礎(chǔ)設(shè)施更易于管理，組裝線束變得更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。Aptiv估計(jì)，根據(jù)組裝地點(diǎn)的不同，勞動(dòng)力成本在未來(lái)五年內(nèi)可能增加25%到50%。制造商將轉(zhuǎn)向自動(dòng)化來(lái)抵消成本上升的影響，但目前的線束設(shè)計(jì)不可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。它需要一個(gè)新的架構(gòu)。

區(qū)域控制器的升級(jí)降低了當(dāng)前電纜線束和大量單個(gè)ECU的物理復(fù)雜性，并將重點(diǎn)放在軟件上，因?yàn)槎喾N功能集成到區(qū)域控制器和其他集中設(shè)備中。這是向軟件定義汽車(chē)發(fā)展的下一步。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，并確保OEM可以自由重用現(xiàn)有軟件，Aptiv正在致力于可持續(xù)的軟件架構(gòu)，旨在使集成更容易、更有效，同時(shí)支持在需要時(shí)免受功能之間的干擾。

將I/O與計(jì)算分離

現(xiàn)在，所有的傳感器、外設(shè)和執(zhí)行器直接連接到域控制器。雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)和超聲波傳感器都從車(chē)輛的不同位置通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到一個(gè)主動(dòng)安全域控制器。類(lèi)似地，座椅位置傳感器、用于調(diào)整座椅位置的電機(jī)控制以及用于加熱座椅的溫度傳感器都連接到座椅ECU。用于HVAC的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制和用于區(qū)域氣候控制的溫度傳感器連接到HVAC ECU等。

在使用區(qū)域控制器體系結(jié)構(gòu)中，每個(gè)傳感器和執(zhí)行器都根據(jù)其位置連接到本地區(qū)域控制器。然后區(qū)域控制器執(zhí)行一些本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，匯總數(shù)據(jù)并通過(guò)高速電纜將數(shù)據(jù)傳送至中央控制單元。

通過(guò)這種方式，I/O從實(shí)際處理信息的計(jì)算中抽象出來(lái)。區(qū)域控制器通過(guò)控制器CAN或LIN總線與ECU或與車(chē)身控制相關(guān)的傳感器通信，或者通過(guò)以太網(wǎng)或LVDS與攝像頭或其他ADAS傳感器進(jìn)行通信。

圖3區(qū)域控制器架構(gòu)，區(qū)域控制器的數(shù)量可以根據(jù)需求設(shè)定，以上是三個(gè)示例

在Aptiv的智能車(chē)輛架方法中，區(qū)域控制器包括可定制的模型，與逐步提高的自動(dòng)化水平相對(duì)應(yīng)。處理過(guò)程分布在幾個(gè)中央計(jì)算設(shè)備中。開(kāi)放服務(wù)器平臺(tái)負(fù)責(zé)計(jì)算密集型應(yīng)用程序，如ADAS、用戶(hù)體驗(yàn)等。動(dòng)力總成和底盤(pán)控制器負(fù)責(zé)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)，包括電機(jī)/傳動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸掛。車(chē)輛中央控制器(CVC)負(fù)責(zé)車(chē)身控制和整體網(wǎng)絡(luò)管理。雖然不同的OEM在添加這些軟件定義特性的位置和方式上可能選擇不同的方法，但實(shí)現(xiàn)這種方法所需的基本原則和技術(shù)構(gòu)建塊是相同的。

CVC也是所有區(qū)域控制器的主體和電源控制單元，它處理與外部世界的通信。它接收OTA更新，并根據(jù)需要將它們分發(fā)到車(chē)輛中的系統(tǒng)。它通過(guò)以太網(wǎng)與區(qū)域控制器連接，所以它可以向它們發(fā)送更新，而區(qū)域控制器可以更新連接到它們的其他ECU。

最終，當(dāng)將網(wǎng)絡(luò)組織成可管理的區(qū)域時(shí)，星型拓?fù)涫且环N有效的方法，并且它可以支持選擇性喚醒。ADAS傳感器通信將通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)處理，該網(wǎng)絡(luò)基于TSN以太網(wǎng)，通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)連接到CVC。當(dāng)需要冗余時(shí)(L3或更高)，ADAS傳感器網(wǎng)絡(luò)將形成兩個(gè)環(huán)，環(huán)上的主要節(jié)點(diǎn)包括中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)、CVC和區(qū)域控制器。雖然環(huán)形拓?fù)浔刃切屯負(fù)渖晕①F一些，但它可以可靠地提供故障操作性能。因此，它比支持L3或更高級(jí)別自動(dòng)化的其他方法更劃算。

低壓升級(jí)至48V

區(qū)域控制器的另一個(gè)應(yīng)用是，它們簡(jiǎn)化了向48V電氣架構(gòu)的遷移道路。這些架構(gòu)支持所謂的“輕度混合動(dòng)力”車(chē)輛，能夠以30%的成本實(shí)現(xiàn)全混合動(dòng)力系統(tǒng)70%的效益，并提高15%至20%的燃油經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)樗鼈兊碾妷喝匀坏陀?0V，不需要使用與高壓系統(tǒng)和全電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的更昂貴的組件和線路。

這些48V系統(tǒng)越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗鼈優(yōu)槠?chē)工程師提供了許多好處。例如，48V系統(tǒng)可以提高輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的自動(dòng)啟動(dòng)/停止功能的平穩(wěn)性——當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)自動(dòng)關(guān)閉引擎，當(dāng)司機(jī)抬起腳離開(kāi)剎車(chē)時(shí)重新啟動(dòng)引擎。類(lèi)似地，它也允許OEM通過(guò)集成的電子渦輪提供性能提升。

向48V的轉(zhuǎn)變也解決了冷啟動(dòng)過(guò)程中電壓下降的挑戰(zhàn)。如果汽車(chē)在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)啟動(dòng)，12V電源的波動(dòng)可能使電壓低至3V或4V。如果一個(gè)電子組件需要5V，這種波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致該組件復(fù)位。在過(guò)去，汽車(chē)架構(gòu)必須使用一個(gè)反向升壓電源來(lái)保持電壓。相比之下，使用48V的系統(tǒng)則不會(huì)波動(dòng)到足夠低的水平來(lái)重置這些組件，這意味著可以消除后升壓。

目前的挑戰(zhàn)是，汽車(chē)上的大多數(shù)電子組件仍然是按照傳統(tǒng)的12V標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。一些汽車(chē)工程師已經(jīng)采用了兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它們各自使用自己的電池——一個(gè)是12V，用于那些傳統(tǒng)組件，另一個(gè)是48V，用于新的連接。

區(qū)域控制器簡(jiǎn)化了體系結(jié)構(gòu)。在區(qū)域控制器架構(gòu)下，車(chē)輛只有一個(gè)48V電池源，并將電源分配給區(qū)域控制器。區(qū)域控制器配置為準(zhǔn)備好的組件提供48V，并可以同時(shí)將電源降至12V，為未準(zhǔn)備好的組件提供電源。

這種技術(shù)遷移的增量方法是區(qū)域控制器引人注目的原因。OEM可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本和輕量化，同時(shí)也為未來(lái)智能汽車(chē)架構(gòu)奠定必要的基礎(chǔ)，使未來(lái)功能豐富、高度智能化的汽車(chē)成為可能。

審核編輯 ：李倩