随着人们对汽车性能要求的不断提高,越来越多的汽车电子/电气(E/E)架构系统被集成到汽车中,成为智能交通、自动驾驶、智能城市等更广泛生态系统的组成部分。汽车行业自动化水平的大幅提升,也为汽车E/E架构的发展带来若干关键机遇。市场研究机构的数据表明,2018年汽车电子/电气架构市场的价值为632亿美元,预计在2018年到2026年期间将以9.9%的复合年增长率增长。这一增长主要归功于汽车、联网汽车以及自动驾驶的电气化程度的不断提高。此外,ADAS、DMS、HMI、V2X技术中摄像头、传感器应用的增加对汽车电子/电子架构市场也产生了积极影响。

 

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三大汽车E/E架构及演进史


在讨论汽车E/E架构如何演进之前,我们先来看一下过去几十年中汽车电气体系结构系统的发展历程。

 

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1886年

奔驰发明了世界上第一辆三轮汽车,此时的汽车根本谈不上有什么E/E架构,完全是机械操作。直到20世纪30年代,当制造商开始提供真空管收音机时,第一批汽车电气部件才问世。即使到了20世纪50年代,汽车内也只有很少的电气设备,几乎没有什么电子设备。经过几十年的发展,越来越多的电子电气系统逐渐被应用到汽车中。

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1991年

世界上首款基于CAN总线的奔驰500E正式量产,这款车型采用了CAN总线系统,车内各ECU之间的传输速率为83.3~500kbit/s,用于发动机信号传输的CAN总线速度达到500kbit/s。至此E/E架构才真正驶入发展的快车道。

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2007年

德尔福首次提出了E/E架构这一概念,并对发动机系统、车窗控制、车载娱乐系统等一切需要电子控制的软硬件进行系统设计和优化。此时的E/E架构从根本上解决了汽车电子系统的通信和效率问题,汽车的性能、舒适性、安全性变得越来越好。

 

图1:汽车E/E架构演进路线图

 

随着时间的推移,由于技术的进步和消费趋势的发展,汽车变得更加复杂。在汽车历史的大部分时间里,机械系统一直占据主导地位,但电气和电子系统的占比和复杂程度也在稳步提高。如今,大多数车辆功能都是由电子部件和基本的E/E架构来辅助或启用的。发动机管理、制动、转向、信息娱乐以及其他舒适和便利功能都依赖于电气和电子系统。嵌入式软件也开始在车辆功能中发挥主导作用。现代汽车中几乎包含数百万行代码,这些代码构成了从最先进的信息娱乐、被动安全功能到自动门锁等各种应用程序。毫不夸张地说,自动驾驶技术是推动汽车E/E架构高速发展的功臣。正是因为自动驾驶汽车的不断创新,汽车原始设备制造商(OEM)开始大量引入新一代汽车E/E架构,其中的缘由很大程度上源于快速增长的计算能力对传统ECU的处理能力带来了挑战。比如,在2018年的时候,汽车需要在一眨眼的功夫传输15000条数据。

 

而到了2020年,仅仅过了两年,这个数据量就跃升至10万条。更多的功能意味着比以往任何时候都需要更强大的计算能力和数据传输能力。随着汽车逐渐成为一台超级计算机,传统的汽车架构不再有效,它的架构或基础需要彻底改变。此时,只有基于集中计算的E/E架构才能更有效地支持快速攀升的数据量和计算能力。此外,驾驶员辅助系统(ADAS)和V2X技术的日益普及也为汽车E/E体系结构市场的增长提供了助力。从博世的定义来看,如今的汽车E/E架构正在从分布式ECU架构向域集中方向进化,并最终向着中央集中架构方向发展。分阶段演进路径表现为:分布式架构将从模块化向集成化方向发展、域集中架构将从域控制集中式向跨域融合方向发展、中央集中架构将从车载电脑(中央计算平台)向车-云计算(车端计算主要用于车内部的实时处理,而云计算作为车端计算的补充)方向发展。

 

 

图2 :三大汽车E/E架构以及演进路线图(根据博世资料编辑绘制)

 

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汽车E/E架构如何升级?

 

汽车E/E架构通常指整车电子电气系统的总布置方案,即将汽车里的各类传感器、处理器、线束连接、电子电气分配系统和软硬件整合在一起,以实现整车的功能、运算、动力及能量的分配。汽车E/E架构升级主要体现在硬件架构、软件架构、通信架构等三个方面。

 

 

硬件架构升级

 

硬件架构升级首先有利于提升算力利用率,减少算力设计总需求。其次,还有利于数据统一交互,实现整车功能协同。再就是能有效缩短线束,降低故障率,减轻车辆的质量。传统汽车的功能简单,与外界的交互较少,采用分布式ECU,控制芯片为MCU/MPU。如今的智能网联汽车,不仅需要与人实现交互,还必须与外界环境甚至数据中心进行交互,有海量的非结构化数据需要处理,对车辆中央计算平台的数据处理能力提出了极高的要求。为了应对这些挑战,汽车硬件架构升级势在必行。根据采用的架构,目前主流的硬件升级路径可分为三种:分布式架构将从模块化向集成化发展,域集中架构将从域控制集中向跨域融合方向发展,中央集中式架构将从车载电脑向车-云计算方向发展。

 

软件架构升级

随着汽车电子应用需求日趋复杂,传统汽车软件系统的缺陷逐渐暴露。2003年,促进ECU软件标准化的AutoSAR联盟成立,其联盟主导者是以主机厂/传统Tier 1级供应商为核心的阵营。AutoSAR可提供标准的ECU接口定义,模块化设计,促使软硬件解耦分层,实现软硬件设计分离。软件的开发更易于管理,方便移植、裁剪和维护。现在,Classic AutoSAR架构逐步向Classic AutoSAR和Adaptive AutoSAR 混合式方向发展。它带来的好处包括:可实现软件/固件OTA升级、软件架构的软实时、操作系统可移植。

 

 

通信架构升级

 

现在的汽车中采用的传感器、控制器和接口越来越多,自动驾驶也需要海量的数据用于实时分析决策。比如,一个LiDAR模块就会产生约70Mbps的数据流量,一个摄像头将产生约40Mbps的数据流量,一个Radar模块也有约0.1Mbps的数据流量产生。通常,L2级自动驾驶将使用8个RADAR和3个摄像头,车内通信最大吞吐速率超过120Mbps,全自动驾驶对吞吐速率的要求会更高。

当车辆使用的LIN/CAN总线向以太网方向发展时,就很好地解决了车内外通信所需的高速传输、低延时等性能需求,同时还能减少安装、测试成本。根据Broadcom和博世的市场调查数据,达到同等性能条件下,通过使用非屏蔽双绞线(UTP)的以太网电缆和更小的紧凑型连接器,车辆的电气连接成本最多可降低80%,线缆重量最多可减轻30%。

 

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E/E架构升级中的主要力量

 

在汽车电子架构升级的过程中,活跃着众多推手,他们从不同层面上为这一进程提供着加速度。

 

 

半导体厂商

半导体器件是汽车电气系统中的关键部件。在E/E结构中,这些微小的芯片可以在传感器系统、数据处理系统和车辆执行器系统等领域找到。博世半导体将它们比作是系统感官和肌肉的一部分。

 

以博世为例,其汽车电子产品就非常广泛,近些年更是推出大量用于电动汽车逆变器、用碳化硅(SiC)制成的极为高效的功率半导体,以及用于特别高性能、经济高效的雷达、激光雷达和驾驶员辅助系统视频传感器的集成电路。

 

其实,早在20世纪70年代,博世就已经凭借其开发的基于电子产品的解决方案成为汽车行业创新的重要推动力。比如人尽皆知的ABS防抱死制动系统,就是博世在1978年发明的,并因此引发了一场汽车的数字革命。

 

在汽车E/E架构演进过程中,其中一个趋势是将域整合到一个集中的计算机体系结构中,它们不再是具有多个离散ECU的系统,而是全部封装在一个集中的域控制中。此模型需要无比强大的软件功能,以及更多的代码重用和远程管理。据悉,博世目前约有3万名专家正在参与开发新的软件解决方案。

 

图3:博世推荐的汽车E/E架构演进路线图(图源:博世)

 

特斯拉

 

在汽车行业,特斯拉是一个后起之秀,但是其很多创新的理念和“前卫”的做法,对推动行业变革起到了很关键的作用。广受关注的特斯拉Model3的E/E硬件架构已经是中央集中式架构,硬件模块主要包括自动驾驶及娱乐控制模块(CCM,为FSD等芯片组成)和3个车身区控制器 BCMFRONT/LEFT/RIGHT等。CCM是整车最高决策者,接管所有辅助驾驶相关的传感器,例如摄像头、毫米波雷达等,并管理各核心控制器。前车身控制器主要负责执行自动驾驶模块、座舱模块、压缩机及车前灯等。右车身控制器负责气囊控制、12个超声波泊车雷达、热管理、扭矩控制等。左车身控制器负责内部灯光、后电机控制、充电模块等。

 

图4:特斯拉Model 3采用了先进的中央集中式E/E架构(图源:佐思车研)

 

国内造车新势力

 

在很长一段时间内,研发汽车E/E架构属于Tier 1的专业范畴,而现在情况正在发生变化。随着以华为公司为代表的国内一批造车新势力宣布进入汽车行业以来,越来越多的企业开始介入这一领域,开展对新一代汽车E/E架构的研发。他们的进入对原有的汽车产业链格局带来了一定的冲击。华为提出的E/E架构是基于计算和通信的CC架构,由智能座舱、整车控制、智能驾驶三大域控制器构成,属于跨域融合架构方案。

 

在今年4月份的上海汽车展上,从华为展台上“把数字世界带入每一辆车”这句话中足以看出他的起点还是很高的,在智能驾驶、智能座舱、智能网联、智能电动和智能车云等五个方面,华为都有了软硬件技术方案。

 

图5:华为基于计算和通信的汽车CC架构(图源:华为)

 

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E/E架构演进的终极目标:让汽车成为软件定义的数字平台

 

消费者对汽车安全和软件功能的需求正以前所未有的速度增长。软件支持能力的增加影响了信息娱乐、用户体验、主动安全和车联网服务等,并为最终的全自动驾驶铺平道路。随着对软件功能的需求增长,对算力的需求也相应增加。就像最新的iPhone需要增加更多的算力来运行所有新的应用程序一样,我们也需要给汽车增加更多的算力才能实现最新的功能。现在,车辆中的软件、电子设备和控制单元的数量正以前所未有的速度增长。车辆中的大多数新功能都是基于软件创建的,例如ADAS、动力系统和信息娱乐系统等。

 

 

尤其是当汽车的功能范围从实时安全系统向交互式应用程序扩展时,汽车就逐渐成为一个软件主导的系统。为此,在汽车行业普遍存在这样一个观点:

未来的汽车将是一个软件定义的数字平台。除了全自动驾驶、车联网、信息娱乐系统等这些我们能想到的新需求,这种体系结构还允许通过空中传送(OTA)将新软件代码分发到车辆来实现各种新功能。

 

特斯拉是软件定义汽车的典型例子。与当今市场上的其他传统车企不同,特斯拉从一张白纸起步,其目标是设计一款由软件控制并在集中计算平台上运行的汽车。眼下,特斯拉的汽车基本上被认为是一个软件定义的汽车,因为几乎任何新功能或对现有功能的修改,它都可以通过无线发送软件更新来实现。

 

现在的汽车已经演变成一个移动的计算中心。就在当下,一辆汽车已经包含大约1亿行软件代码。未来的汽车,只有拥有广泛电子和软件专业知识的公司,才有能力掌控全局。这对现有的汽车产业链而言,挑战是空前的。然而,历史车轮总是滚滚向前。既然认识到这一点,那就赶紧入场吧!

 

 

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