電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的未來發(fā)展方向，而軟件是使能未來汽車“四化”的技術(shù)核心之一。車載軟件將不再僅用于控制機(jī)電設(shè)備，而將用于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)創(chuàng)新功能，包括自動(dòng)駕駛、網(wǎng)聯(lián)功能和未來出行方式等。
汽車電子電氣架構(gòu)必須支撐未來汽車“四化”和車載軟件的快速發(fā)展，為此必須滿足的基本需求包括高計(jì)算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高信息安全性、軟件持續(xù)更新等。然而，當(dāng)前采用的分布式汽車電子電氣架構(gòu)存在計(jì)算能力不足、通訊帶寬不足、不便于軟件升級等瓶頸，不能滿足未來需求。汽車電子電氣架構(gòu)將發(fā)生重大革新，基于軟件集中化和域控制器的集中式電子電氣架構(gòu)將成為未來汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展方向。

支持集中式電子電氣架構(gòu)和域控制器的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)具備，包括車規(guī)級微處理器芯片、車載以太網(wǎng)等。領(lǐng)先汽車廠商已經(jīng)在下一代車型中布局集中式電子電氣架構(gòu)和域控制器，以實(shí)現(xiàn)汽車“四化”和使能軟件創(chuàng)新。然而在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在域控制器概念不一致，基于域控制器電子電氣架構(gòu)初期成本較高等問題。本文首先闡述集中式電子電氣架構(gòu)的必要性和域控制器概念；其次介紹集中式電子電氣架構(gòu)可行方案；最后介紹聯(lián)合汽車電子有限公司研發(fā)的域控制器產(chǎn)品。

1、集中式汽車電子電氣架構(gòu)和域控制器

1.1集中式電子電氣架構(gòu)的必要性

汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化對汽車電子電氣系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)與需求。汽車電動(dòng)化引入了電機(jī)、電池、電控等電子電氣設(shè)備，使系統(tǒng)復(fù)雜性上升；在驅(qū)動(dòng)形式方面，純電動(dòng)和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力共同發(fā)展；以上兩點(diǎn)結(jié)合終端客戶的個(gè)性化需求，大幅增加了未來汽車變形開發(fā)需求，汽車企業(yè)需要有效的變形管理，降低變形開發(fā)的成本。汽車智能化面向自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)，攝像頭和雷達(dá)等環(huán)境傳感器的信息傳遞需要高通訊帶寬；信息的處理和融合需要較高計(jì)算能力；另外，車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要跨功能域的總體協(xié)調(diào)控制。汽車網(wǎng)聯(lián)化將使終端客戶對車輛功能的預(yù)期發(fā)生改變，更趨向于消費(fèi)電子的經(jīng)驗(yàn)，期望快速的功能更新和升級。汽車共享化改變了商業(yè)模式和汽車的擁有模式，運(yùn)營商需要車隊(duì)管理和云端控制，需要智能化的車輛狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)，這也需要較高的計(jì)算能力。

以上汽車“四化”對汽車電子電氣系統(tǒng)的需求可以總結(jié)為：有效的變形管理，高計(jì)算性能，高通訊性能，有效的跨域功能協(xié)調(diào)和軟件持續(xù)更新升級。另外，汽車“四化”的功能很大程度上依靠軟件實(shí)現(xiàn)，軟件驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新是未來汽車“四化”的核心。當(dāng)前汽車采用分布式汽車電子電氣架構(gòu)，如圖1所示，該架構(gòu)在計(jì)算性能、通訊帶寬、變形管理和支持跨域功能等方面均存在瓶頸。另外，由于以高度嵌入式控制器為主，硬件與軟件高度集成，在車輛批產(chǎn)后軟件難以升級，較難支持軟件創(chuàng)新。集中式電子電氣架構(gòu)通過域控制器和以太網(wǎng)提供了未來汽車所需的計(jì)算能力和通訊能力；將車輛層級軟件集中于域控制器，并標(biāo)準(zhǔn)化高度嵌入式控制器，更好的支持變形管理和跨域功能；由于實(shí)現(xiàn)了更好的硬件抽象，該架構(gòu)更好的支持了軟件創(chuàng)新和軟件持續(xù)更新升級。


圖1 分布式電子電氣架構(gòu)與集中式電子電氣架構(gòu)對比

1.2域控制器概念

對于集中化電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢，目前國內(nèi)汽車業(yè)界已經(jīng)基本形成共識(shí)，但對于域控制器的概念，目前尚未有一致定義。關(guān)于域控制器概念一般有兩種理解：一種理解是特定功能域內(nèi)高度嵌入式控制器的集成；另一種理解是特定功能域內(nèi)整車層級軟件功能的集中化。我們認(rèn)為域控制器主要支持特定功能域內(nèi)整車層級軟件的集中化，關(guān)于域內(nèi)高度嵌入式控制器是否與域控制器硬件集成，則應(yīng)根據(jù)整車譜系的總體電子電氣架構(gòu)需求而設(shè)計(jì)，主要理由如下：

第一，將整車層級軟件集中于域控制器，減少了協(xié)調(diào)控制各部件所需要的總線信號(hào)通訊，有利于跨功能域協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)，避免了未來跨域功能大幅增加可能帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度失控。

第二，整車層級軟件協(xié)調(diào)控制各部件，實(shí)現(xiàn)用戶易感知的車輛層功能，該部分軟件更新和升級需求較多，集中在域控制器中有利于軟件升級管理。并且域控制器內(nèi)可預(yù)留計(jì)算、存儲(chǔ)和通訊資源，用于在車輛批產(chǎn)后，通過軟件增加車輛功能。

第三，通過高度嵌入式控制器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，將其抽象為標(biāo)準(zhǔn)化傳感器或執(zhí)行器，有利于高度嵌入式控制器在車型譜系間的整體重用。域控制器和標(biāo)準(zhǔn)化傳感器、執(zhí)行器控制器的組合實(shí)現(xiàn)了更好的硬件抽象，有利于變形管理和部件復(fù)用，通過降低變形開發(fā)費(fèi)用和提高部件安裝率降低成本。

在整車層級軟件集中于域控制器的基礎(chǔ)上，將域內(nèi)高度嵌入式控制器與域控制器硬件集成，可以降低單個(gè)控制器的物料成本，然而提高了變形開發(fā)的可能性。因此需要根據(jù)整車譜系的總體電子電氣架構(gòu)需求，根據(jù)裝機(jī)量等需求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

2、集中式汽車電子電氣架構(gòu)方案

未來集中式汽車電子電氣架構(gòu)將分為三層，如圖2所示，頂層為云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，中層為車載計(jì)算控制平臺(tái)（即域控制器），下層為機(jī)電一體化的標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行器、傳感器控制器。業(yè)界一般將汽車電子電氣系統(tǒng)分為五個(gè)功能域，分別是動(dòng)力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂域和輔助/自動(dòng)駕駛域，因此中層的計(jì)算與控制包括五個(gè)域的主控和以太網(wǎng)通訊、無線通訊共七個(gè)元素。根據(jù)這七個(gè)元素在具體硬件上的分配以及底層執(zhí)行器、傳感器控制器的具體設(shè)計(jì)，集中式電子電氣架構(gòu)有不同方案。


圖2 未來汽車電子電氣架構(gòu)構(gòu)成

2.1基于功能域的集中化方案

基于功能域的集中化方案即為每個(gè)功能域設(shè)置一個(gè)域控制器，域控制器之間通過以太網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。功能域內(nèi)的車輛層級功能和域內(nèi)頂層協(xié)調(diào)控制功能集中于域控制器中。

域控制器可分為性能型域控制器和集成型域控制器兩種。性能型域控制器具有特定的硬件以支持高性能計(jì)算，該特定硬件稱之為硬件加速器。信息娛樂域控制器需要硬件加速器以驅(qū)動(dòng)顯示，屬于性能型域控制器。自動(dòng)駕駛域控制器需要硬件加速器進(jìn)行圖像處理和深度學(xué)習(xí)計(jì)算，也屬于性能型域控制器。由于性能型域控制器是實(shí)現(xiàn)特定功能的必備條件，且相對于分布式架構(gòu)，在相同功能情況下可降低成本，所以信息娛樂域和自動(dòng)駕駛域采用基于功能域的集中化域控制器已成為明顯趨勢。

面向動(dòng)力總成域、底盤域和車身域的域控制器屬于集成型域控制器，該類域控制器提供通用的計(jì)算和通訊資源，以及標(biāo)準(zhǔn)化的軟件創(chuàng)新平臺(tái)，相對于性能型域控制器計(jì)算能力較低，但靈活性和開放程度較高。集成型域控制器主要為面向智能網(wǎng)聯(lián)的創(chuàng)新型軟件功能提供平臺(tái)，支持軟件更新與升級。然而針對動(dòng)力總成域、底盤域和車身域均設(shè)置域控制器的方案，由于域控制器是新增成本，在底層標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行器、傳感器控制器未通過標(biāo)準(zhǔn)化使成本下降的前提下，整車電子電氣系統(tǒng)物料成本上升，該方案在現(xiàn)階段較難在所有整車企業(yè)推廣。

2.2域融合集中化方案

一種既實(shí)現(xiàn)集中化方案，又不導(dǎo)致整車電子電氣系統(tǒng)物料成本大幅增加的方案是域融合集中化方案，即將兩個(gè)或多個(gè)集成型域控制器合并為一個(gè)的方案。根據(jù)域融合的深度，可行的方案如圖3a所示，包括如下：

動(dòng)力總成域與底盤域融合為車輛運(yùn)動(dòng)域控制器。由于動(dòng)力總成域和底盤域之間存在較多的協(xié)同控制，在智能汽車背景下，未來協(xié)調(diào)控制功能仍將大幅增加。這兩個(gè)域的功能安全和信息安全級別要求相似，可以合并到一個(gè)域控制器。

更進(jìn)一步，運(yùn)動(dòng)域控制器可與網(wǎng)關(guān)融合，并集成車身域中央控制功能，成為車輛層級的集成型域控制器，或稱車輛計(jì)算機(jī)。由于相應(yīng)功能域的安全等級要求不同，此種深程度域融合需要硬件虛擬化技術(shù)支持，以防止不同安全等級功能間的相互影響。

另外，如果 L1和L2駕駛輔助功能成為標(biāo)準(zhǔn)配置，也可融合到車輛運(yùn)動(dòng)域控制器中，而非標(biāo)準(zhǔn)配置的高等級自動(dòng)駕駛采用獨(dú)立的域控制器。高等級自動(dòng)駕駛需要控制器備份功能，在主控制器功能失效時(shí)，備份功能仍能保證車輛繼續(xù)安全的自動(dòng)駕駛一段時(shí)間，該備份功能也可融合到運(yùn)動(dòng)域控制器中。

由于高級輔助和自動(dòng)駕駛、軟件無線升級等功能需要域控制器的存在，以上域融合方案在同等功能下較少或沒有增加整車電子電氣系統(tǒng)的成本，是可行的方案。必須說明的是，通過域融合可以降低成本，但過度融合的方案可能并不可行。例如無線通訊和自動(dòng)駕駛控制器，由于兩者信息安全和功能安全要求差距較大，如沒有合適的技術(shù)方案支持，應(yīng)避免融合在一個(gè)域控制器中。


圖3 具有成本優(yōu)勢的集中化方案

2.3基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算機(jī)的集中化方案

在基于功能域的集中化方案和域融合集中化方案中，位于如圖2底層的控制器采用以功能為導(dǎo)向的高度嵌入式控制器方案。多數(shù)嵌入式控制器仍將作為執(zhí)行器、傳感器控制器的角色繼續(xù)存在與電子電氣架構(gòu)中，其接口將被標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)較好的硬件抽象，通過提高裝機(jī)量來降低成本。

區(qū)域控制器是一種新的控制器概念，它不再以功能為導(dǎo)向劃分控制器的邊界，而是以車輛特定物理區(qū)域?yàn)閷?dǎo)向定義控制器，例如車輛前區(qū)域控制器、左區(qū)域控制器、右區(qū)域控制器，控制和驅(qū)動(dòng)該區(qū)域內(nèi)的部件。采用區(qū)域控制器可以從兩個(gè)方面降低電子電氣架構(gòu)的成本，一是將該區(qū)域內(nèi)的功能型控制器集成入?yún)^(qū)域控制器，二是由于區(qū)域控制器采用就近接線，減少了車輛的線束成本。如圖3b所示，區(qū)域控制器配合中央計(jì)算機(jī)，在實(shí)現(xiàn)集中化需求的同時(shí)，可保持整車物料成本平衡。

根據(jù)調(diào)研和分析，我們認(rèn)為并非所有控制器均適合整合為區(qū)域控制器。適合整合為區(qū)域控制器的功能主要為離散邏輯和非時(shí)間敏感功能，例如電源分配、車身控制、熱管理和空調(diào)管理等；不適合整合為區(qū)域控制的功能主要為帶有復(fù)雜邏輯或零部件、需要實(shí)時(shí)控制的功能，例如發(fā)動(dòng)機(jī)管理、電機(jī)控制、車輛穩(wěn)定性控制等。關(guān)于中央計(jì)算機(jī)，根據(jù)2.2中討論，在架構(gòu)中將具有不只一個(gè)計(jì)算機(jī)，如圖3b所示，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽車企業(yè)的車型譜系整體設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)。

3、域控制器（XCU）產(chǎn)業(yè)化方案

聯(lián)合汽車電子有限公司面向未來集中化電子電氣架構(gòu)，已經(jīng)開發(fā)了擴(kuò)展型域控制器平臺(tái)（XCU: eXtended domain Control Unit），將在2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。XCU適合于未來域（融合）集中化電子電氣架構(gòu)中具有高安全要求的域控制器，同時(shí)適合基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算機(jī)的集中化方案中的中央計(jì)算機(jī)方案。

目前正在研發(fā)的XCU8.0控制器軟硬件架構(gòu)如圖4所示，產(chǎn)品具有如下技術(shù)參數(shù)：

采用雙核心設(shè)計(jì)，包括高性能車用多核微處理器芯片(MPU)和高安全性能微控制器芯片（MCU），將計(jì)算性能提高到10~28kDMIPS的同時(shí)，具有滿足ASIL D功能安全等級的能力。
搭載車規(guī)級以太網(wǎng)芯片，支持多路CAN/CANFD通訊接口。
MPU采用遵循AUTOSAR Adaptive標(biāo)準(zhǔn)的開放式軟件平臺(tái)；MCU采用遵循AUTOSAR Classic標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺(tái)，支持集成安全控制功能。

支持先進(jìn)車用信息技術(shù)和ASIL D功能安全等級。


圖4 XCU軟件和硬件架構(gòu)

XCU面向未來汽車電子電氣架構(gòu)而設(shè)計(jì)，作為高計(jì)算性能和安全性能的域控制器平臺(tái)，可提供基于IT技術(shù)的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件創(chuàng)新平臺(tái)，使能和加速汽車軟件創(chuàng)新，幫助整車客戶實(shí)現(xiàn)基于智能網(wǎng)聯(lián)，對車輛和動(dòng)力系統(tǒng)功能進(jìn)行全局性優(yōu)化、數(shù)據(jù)利用。XCU提供控制器端信息安全和遠(yuǎn)程刷新方案，可支持通過軟件更新和升級，提升車輛性能和終端客戶功能體驗(yàn)。

4、結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化，汽車電子電氣架構(gòu)將發(fā)生重大革新，集中化電子電氣架構(gòu)將成為主流解決方案。在未來汽車電子電氣架構(gòu)中，域控制器作為整車層級軟件功能集成平臺(tái)，主要面向整車層級軟件的集中化和支持智能網(wǎng)聯(lián)軟件創(chuàng)新。在實(shí)現(xiàn)集中化的同時(shí)控制電子電氣系統(tǒng)成本，域融合架構(gòu)方案、基于區(qū)域控制器和中央計(jì)算機(jī)的方案是可行方案。面向未來汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展，聯(lián)合汽車電子有限公司開發(fā)了擴(kuò)展型域控制器平臺(tái)XCU，并將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可為客戶實(shí)現(xiàn)汽車“四化”提供助力。