散漫說,面對“域”的設計,國內外各大整車廠與供應商猶如八仙過海,各顯神通。單一功能的控制器不再成為主流,整車更多關注的是系統(tǒng)方案和軟件集成控制。只有掌握集大成于一體的“域”控制理念,才能在即將到來的市場機遇中真正做到屹立不倒,成為最強王者。分享一篇文章,一文淺談汽車電子電氣域架構。以下為正文。
隨著現代汽車的功能越來越復雜,整車上的電子控制單元(Electronic Control Units, ECUs)也隨之增多。當前一輛普通汽車的 ECU 多達七八十個,代碼約一億行,其復雜度已經遠遠超過安卓手機系統(tǒng)。
在傳統(tǒng)的汽車供應鏈中,不同的 ECU 來自不同的供應商,有著不同的嵌入式軟件和底層代碼。這種分布式的架構在整車層面造成了相當大的冗余,傳統(tǒng)汽車的軟件更新幾乎與汽車生命周期同步,極大地影響了用戶體驗。
如何加快軟件的創(chuàng)新與迭代?從傳統(tǒng)的分布式架構,逐漸進化為集中式架構,“域”的概念由此而生。在行業(yè)的變遷和技術的發(fā)展潮流面前,永遠都是適者生存,面對“域”的設計,國內外各大整車廠與供應商猶如八仙過海,各顯神通。單一功能的控制器不再成為主流,整車更多關注的是系統(tǒng)方案和軟件集成控制。只有掌握集大成于一體的“域”控制理念,才能在即將到來的市場機遇中真正做到屹立不倒,成為最強王者。
電子電氣架構的發(fā)展之路
模塊化和集成化架構方案
在傳統(tǒng)的整車電子電氣架構體系中,通常將功能劃分在不同的模塊領域,如動力總成、信息娛樂、底盤、車身等,在每個模塊領域中,控制器的設計通常基于特定的功能,如:座椅控制單元SCU、尾門控制器PLG等。模塊與模塊之間通過CAN總線傳遞信息,而其模塊劃分一般也根據總線數量而定,所以總線就是傳統(tǒng)功能模塊的領航員,這就是我們?yōu)槭裁磿Q呼某些特定總線為動力CAN,車身CAN等。
這樣的架構方案最大的特點是功能劃分明確,模塊與模塊之間嚴格明確界限,一切“越界”行為容易控制,由于模塊間的獨立性較強,模塊開發(fā)者不用太過于考慮其他模塊的干擾問題。
例如,動力總成不用擔心會被車身CAN上的信號所干擾,并且也不用擔心因為車身功能不穩(wěn)定,而導致動力系統(tǒng)的功能受影響。
然而這樣的架構也存在著非常大的局限性,功能控制器的獨立開發(fā)模式,就像封閉的部落式文化,雖然能夠確保自身生態(tài)環(huán)境內的自給自足,但是由于信息的閉塞,傳輸信號的帶寬局限,導致了資源無法共享,大量運算資源浪費,性能“偏科”現象嚴重。
舉個簡單的例子,部落中有十個村莊,A村莊有著專業(yè)的鐵匠,B、C等其他村莊沒有鐵匠,所以雖然A村莊的武裝力量非常強大,但剩余9個村莊沒有防衛(wèi)能力。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,90%的村莊很快就會淪陷,即使A村莊可以獨善其身,但整個部落卻遭到了滅頂之災。而這個例子中的“鐵匠”就是車身中的諸多控制算法,例如EMS中的熱管理算法、濾波算法,雖然能力非常強,但是其他控制器,例如車身的胎壓控制、尾門控制、車窗防夾無法借用此算力,并且最多只能通過CAN信號得到一個數據量有限的結果。最后導致功能效果參差不齊,帶來的用戶體驗也難以完美。
這樣的例子在低功能安全或L2以下的自動駕駛運用中,可能還可以被接受,然而一旦涉及L4級別或ASIL-D級以上的功能安全,那么,模塊化封閉的架構設計的缺陷就會被放大,成為功能正向開發(fā)最大的障礙。
而集成化方案僅僅是模塊化方案的一個小規(guī)模升級,在架構上減少了功能單一和冗余的模塊,將復數功能小范圍地融合在一個控制器中,例如BCM集成PEPS,ESP集成TPMS等等。其帶來最大的利益在于成本,卻無法依然彌補跨模塊之間通訊率低下的缺陷。
中央集中式架構方案
中央集中式架構方案中,第一次出現了“域”Domain的概念。“域”這張牌和“模塊集成”最大的區(qū)別在于,模塊集成是將傳統(tǒng)的模塊集中“打包”,其本質依然是原有的功能劃分,模塊與模塊之間的壁壘仍然沒有被打破,而且有很強的硬件捆綁特性。例如,市面上有很多BCM集成了PEPS功能,但假設需要將PEPS系統(tǒng)集成到ESP控制器,那么原有平臺將無法兼容,需要花費較大工作量來開發(fā)新平臺。
而“域”的概念的核心思想在于靈活,系統(tǒng)與軟件層面的集成,脫離了硬件捆綁的限制。我們繼續(xù)從剛才村莊鐵匠的例子說起,“域”在剛才的例子中是如何體現的呢?首先,鐵匠還是住在A村莊,他的“工匠手藝”依然是核心機密,B村莊、C村莊依然無緣一睹精良的武器是如何生產的。但是,由于通信的壁壘被具有超大帶寬的“以太網”所打破,B和C雖然沒有鐵匠,但是由于他們村通網了!并且和A村莊在一個“局域網”信號范圍內,他們可以通過打電話、發(fā)信息或網上訂購的方式,向A村莊下訂單。而對于A村莊而言,由于消費者和訂單量的增加,鐵匠的社會地位迅速提升,一下子成為了村里的大地主,他也會有更多的動力來研究高效率打鐵。
這個升級版的例子里面的幾個關鍵字,“ABC村莊”對應ECU控制器,而“村莊間的局域網”對應車載以太網、FlexRay或CAN-FD,“網絡訂單”則對應靈活的互聯(lián)網協(xié)議(可能聰明的你已經發(fā)現了,TCP/IP、SOME-IP協(xié)議中的消費者和提供方就是這個概念)。而例子中的靈魂人物鐵匠,則是我們熟悉的域控制器Domain Controller,他是大而全的功能提供方,具備獨家絕學的核心算法,如果說“互聯(lián)網關”是域架構中負責協(xié)調調度的“村長”,那么“域控制器”就是給村民帶來福利的鄉(xiāng)紳。在大部分域架構設計中,域控制器可以集成給其他小控制器、小執(zhí)行器提供什么樣的算法、功能,決定了域的范圍有多大。
舉個實際點的例子,“車身域控制器BDU”,是集成了所有車身電子的基礎驅動、鑰匙功能、燈、門、車窗等等的大控制器。由于車身域控制器可以提供“車身打鐵” 技術,例如車窗防夾算法、電壓補償、備份驅動等功能。所以,小型的控制器可以不再關注復雜算法,而是更多地關注硬件和驅動。不但冗余軟件的開發(fā)量可以大幅度縮減,并且非常多的控制器可以被精簡優(yōu)化,例如傳統(tǒng)的電動尾門控制器、車窗防夾控制器、門控制器等等。小村民不再考慮如何造武器,更多地開始考慮如何修煉武功。這樣一個干練的精兵團體,組成了數量少、成本低卻又具有著強大功能的車身域。這樣一個標準化的共享軟件資源的架構設計理念,不但在車身,而是在整車各個領域都得到了充分的運用,成為了我們耳熟能詳的動力域、底盤域、車身域、信息娛樂域和ADAS域等等。這就是基于不同“域Domain”的集中式電子電氣架構。
Zone 區(qū)域架構方案
如上文提及,“域”的概念其實對于許多OEM和Tier1并不陌生,你可能也已經想到,在互聯(lián)網、航天、船舶等領域,域早已不是一個新鮮詞,既然集中式方案的域架構理念如此完美,那么“域Domain”為什么近幾年來在中低端車型上沒有得到大范圍的運用呢?
這個問題的答案其實很簡單,關鍵字就在于“成本”。前沿的設計理念帶來了現實的矛盾。隨著近年來汽車電子爆發(fā),ECU數量,ECU的運算能力需求都呈現爆發(fā)式增長,在ADAS時代和即將到來的自動駕駛時代更加明顯,同時對運算帶寬的需求也開始爆發(fā)。這造成汽車電子系統(tǒng)成本大增,除了ECU系統(tǒng)數量的增加之外,為了配合基于模塊劃分的“功能域”的概念,線束、布置、安裝、支架,不得不重新洗牌設計,并且?guī)矸浅s@人的機械結構的成本。
繼續(xù)拿“車身域”舉例,為了建成這個以功能為導向的電子電氣架構,OEM不得不將后剎車燈、后位置燈、尾門鎖、甚至雙撐桿的連接線束拉長,跨過80%的白車身,連接到置于車身前方的域控制器中。電子架構是舒服了,機械布置的同事們卻崩潰了。同樣的例子,在ADAS的前后雷達、空調系統(tǒng)的前后制冷、底盤系統(tǒng)的前后輪轉向控制均有類似的問題。一輛低端車的線束系統(tǒng)成本只要大約300美元,重量大約30公斤,長度大約1500米,線束大約600根,1200個接點;而目前一輛豪華車的線束系統(tǒng)成本大約550-650美元,重量大約60公斤,線束大約1500根,長度大約5000米,3000個接點。如果沿用目前的電子架構體系,自動駕駛時代的線束成本將不會低于1000美元,重量可高達100公斤。這些令人詫異的數字,成為了大多數車型望“域”止步的原因。
言歸正傳,為了解決高昂的成本,且不丟失“域”的軟件集中的核心概念。電動車的領跑者TESLA特斯拉在Model 3上重新劃分了“域”。在新的概念中,不再存在傳統(tǒng)的車身域、動力域等,取而代之的是物理空間上的劃分“區(qū)域Zone”,比如中域、左域和右域。
你可能會說,新的域按照布置方案來劃分,這一刀是不是切得有點太“土”了?然而這卻是區(qū)域的核心理念。汽車電子在經歷了這么多的變遷后,終于開始走向一條由繁至簡的路。而新的域,也就是今天提到的,未來可能會實現的基于位置分布的“域Zone”,通過不同域之間的交互融合,用接近原則這一簡單的招式,完美規(guī)避了上述問題,但是卻也給軟件開發(fā)帶來了史詩級的挑戰(zhàn)。例如,車身控制器工程師可能需要開始研習雷達的驅動和算法;功能安全ASIL-C和D級別的軟件開發(fā)逐漸變成標配。域的控制開發(fā)要求將不再僅限于功能,軟硬件開發(fā)將打破傳統(tǒng)的功能劃分壁壘,更多地需要從整車角度思考去設計。
寫在最后
基于“域Zone”的電子電氣架構,看似簡單,實則包含了非常多的架構學問在其中。它打破的,不僅僅是功能與功能之間的隔閡,更打破了整車架構的思維壁壘。更重要的是,特斯拉已經用他們在Model3上的答卷證明了,Zone并不是不可實現的,超前的架構和低廉的成本是可以同時具備的。那么,域究竟是終點,還是新時代的起點?整車電子電氣架構有沒有更好的解決方案?
審核編輯 :李倩
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原文標題:淺談汽車電子電氣域架構
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