2021-11-15
整車E/E架構現狀及趨勢——《中國汽車基礎軟件發展白皮書2.0》解讀
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《中國汽車基礎軟件發展白皮書2.0》由中國汽車工業協會聯合中國汽車芯片產業創新戰略聯盟以及AUTOSEMO組織下的46家成員單位共同編撰。旨在承擔中國汽車產業變革中的生態發展任務，結合我國汽車軟件產業發展現狀，圍繞中國汽車基礎軟件領域中的關鍵技術和關鍵標準研究進行深入研討，知識共享創新實踐，構建產業新生態。在2020年發布的1.0版本基礎上，本次發布的《中國汽車基礎軟件發展白皮書2.0》在軟件定義汽車發展情況、SOA標準背景與架構、AUTOSEMO Service Framework（ASF）整體框架、ASF團體標準工作組推進計劃、軟件定義汽車的創新實踐、車載智能芯片與基礎軟件構建智能汽車新生態、AUTOSEMO的標準發展情況以及AUTOSEMO生態體系未來展望等方面進行了深度的解析。
在"軟件定義汽車”的時代，電子電氣架構作為汽車智能化的基底，目前已經成為智能網聯車企的研發重點。受益于硬件架構、軟件架構、通訊架構的發展與升級，傳統汽車所采用的分布式架構將逐漸地被域集中電子電氣架構、車輛集中電子電氣架構等取代，未來更會以服務為導向，將更多的功能集成到更高性能的計算單元，催生真正的車載計算平臺。
汽車E/E架構通過整合汽車內各類傳感器、處理器、線束連接、電子電氣分配系統和軟硬件生成的總布置方案，實現整車的功能、計算、運功及能量的分配。其架構的發展的關鍵變化主要體現于硬件架構升級、軟件架構升級、通訊架構升級三個方面。
硬件架構可以通過有針對性的增加隊列，平衡模塊與模塊之間的執行速度差異和延時，高效地處理請求。
實現高級自動駕駛，不僅需要多傳感器共同感知外部環境，還需要實時監測車內各部運行數據,統一判斷并協同執行。半導體作為汽車電氣系統中關鍵器件，近些年大量極為高效的功率半導體推出，為車輛的傳感器系統、數據處理系統、車輛執行器系統等領域實現功能提供有效的支持。
AUTOSAR軟件架構的出現擺脫了軟硬件高度耦合，提高了系統的整合能力。其分層式架構設計給電子電器架構設計者提供了啟發。基于AUTOSAR理念，將整車E/E架構開發劃分為需求定義、功能邏輯架構設計、硬件架構設計、架構評估等四個部分。隨著智能汽車功能與應用日益復雜化，將出現海量的數據需要實時采集并處理。XML、圖像、音頻/視頻等大量的非結構化數據不再罕見。未來對數據傳輸要求極高，傳統的汽車電子電器架構的LIN/CAN總線將較難滿足高速傳輸的需求。大帶寬、高通量、低延遲、易于連接Internet的車載以太網將成為應用于未來智能汽車主干網絡。
在傳統汽車采用的分布式電子電氣架構階段，車輛各功能受不同且單一的電子控制單元控制。隨著配置需求與功能實現方式的增加，導致整車中ECU數量激增。面對這種無限制的擴張，分布式E/E架構很難高效地分配和承載數據網絡、電能、控制器等過多的復雜功能，所以其不再是滿足現階段甚至未來智能化汽車所需要的更高算力與更強通訊能力的可拓展性的架構設計。同時，采用的傳統E/E架構不能實現整車OTA,,在智能化網聯化功能軟件出現BUG時，通過召回的方式才能最終解決難題，極大地影響了客戶體驗。隨著智能汽車的發展，對E/E架構也提出了更高的要求。智能汽車要求E/E架構能夠滿足高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高網絡安全性、軟件持續升級能力等多方面的需求。E/E架構的升級主要體現在3個方面，分別為硬件架構升級、通信架構升級、以及軟件架構的升級。
現階段各主機廠規劃的E/E架構主要為3種，其分別為集中功能域、跨域融合、整車集中+區域控制,主要區別如下：1)集中功能域方案：每個功能域設置一個域控制器，域控制器之間通過以太網和CANFD相連。域控制器分為性能型和集中型兩類。性能型域控制器：主要指信息娛樂域控制器和自動駕駛域控制器。該域控制器需要處理大量的數據，需要較大的數據處理能力。由于該控制處理數據龐大，域控制器方式相對于分布式架構，實現相同性能下可降低成本。集中式域控制器：主要是指動力總成域、底盤域和車身域的 控制，該部分對算力要求較低，主要涉及的還是控制指令計算和通訊資源。2)跨域融合方案：為了進一步提升性能，滿足協同執行又減少成本，跨域融合集中化方案應用而生,即將兩個或者多個集成型域控制器合并為一個域控制器。比如動力域和底盤域的合并、車身域與信息娛樂域的合并。3)整車集中+區域控制方案：車中只有一個中央計算平臺，區域控制器受中央計算平臺統一管理。區域控制器以物理區域來定義的控制器，可就近布置線束，減少線束成本。分布式控制器集成，可以減少通信接口；能進一步提升算力利用率、減少算力設計總需求；同時數據能夠更好的融合，統一交互，實現整車功能協同。在中間發展階段，可能會出現由多個計算平臺如(3個計算平臺)向一個中央計算平臺過渡的過程。未來云平臺會作為中央計算平臺的補充，完成部分實時性要求不高的計算。各家OEM整體按照E/E架構發展趨勢在規劃相應的架構，如長城的3.X、4.0和5.0平臺架構。在傳統架構中，ECU主干網絡是CAN(FD)O在當前架構中，主干網絡采用CANFD和Ethernet雙線路。在未來，Ethernet在車內將得到更加廣泛的應用。架構升級一個十分重要的目的是能支持軟件的升級。要求相應的軟件架構能夠滿足：當前架構軟件/固件OTA升級、軟件架構的實時性、操作系統可移植性。為了滿足軟件架構升級需求，軟件架構引入了SOA架構。在云端、中央計算平臺和區域控制器采用符合SOA理念的軟件架構，如下圖所示。云端、中央計算平臺和區域控制器的SOA理念軟件架構1）Vehicle Computational Layer 整車計算平臺層?功能可遷移性強，OEM差異化/品牌印象功能主要體現在該層?軟件可以靈活的升級/更新，更新周期短、更新頻率快2）Vehicle Abstraction Layer 整車抽象層?由用于電源和數據分配的區域控制單元組成，分離計算層和嵌入層為了控制依賴關系并以良好的方式構建軟件，應該使用分層架構。如下圖所示，將硬件邏輯，例如傳感器和執行器邏輯（綠色外設）與應用程序邏輯（藍色主應用程序）分開，以便能夠在中央系統中分配應用程序，同時保持傳感器/執行器盡可能具體。
分層架
通過對云端、車內集中中央控制器、區域控制器、以及傳統的嵌入式控制器的軟件采用符合SOA理念的軟件架構理念，按照分層式架構，最終打造車輛的軟件生態系統。
為了應對智能化汽車功能和軟件復雜度的提升，達到更高級別的安全及反應速度，確保大量的數據及時接收、處理、并發出相應指令，需要對汽車電子電氣架構進行重構。域集中電子電氣架構將會是未來幾年的主流。域將整車劃歸為不同區，如動力域、車身域、底盤域、娛樂域等。單個控制器相對集中地控制所在域內原本歸屬各個ECU的功能。減少一個功能、一個“盒子”的分布式E/E架構復雜的布線，建立更加靈活的體系架構。同時，相對于傳統分布式架構，域集中E/E架構可實現整車OTA。汽車電子電氣架構正朝著"為智能化體驗服務”方向演變。集中式電子電氣架構勢在必行且需求迫切。在未來集中式E/E架構盛行的時代，將繼續以服務為導向，開始跨域融合發展，把更多的功能集成到一個或幾個高性能的計算單元，為軟件提供高性能實時計算平臺。在這樣的理念下，催生真正的車載計算平臺。汽車逐漸走向智能化勢在必行，越來越多曾經看似難以實現的功能將持續被引入并實現。這也就意味著，作為汽車智能化基底的電子電氣架構，在現如今盛行的模塊化、集中化架構的基礎上，探索執行更加高效的架構來保證未來海量數據的高速吞吐，采集數據的實時處理，跨域數據的無界交互。
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