傳統(tǒng)汽車應(yīng)用域控制器與主干網(wǎng)技術(shù)路線探討

吳成東

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥 230601）

1 當(dāng)前E/E架構(gòu)與整車廠的應(yīng)用現(xiàn)狀概述

汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展趨勢是從分布式到集成式，再到域控制和車載電腦。當(dāng)前分布式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可裁剪、可擴(kuò)展適應(yīng)高低配的需求；按照功能分配控制單元，適應(yīng)于整車開發(fā)組織架構(gòu)；控制單元功能單一，供應(yīng)商開發(fā)后可以應(yīng)用不同OEM；零部件獨(dú)立開發(fā)，平臺(tái)化效率高，軟硬件開發(fā)均可依托供應(yīng)商；整車采用基于網(wǎng)關(guān)和CAN通信成本低。但隨著汽車產(chǎn)品消費(fèi)升級(jí)，配置下沉，控制器與線束的成本均較高；控制器之間的通信需求不斷增長，傳統(tǒng)CAN總線負(fù)載率提高，雖然通過網(wǎng)關(guān)劃分了網(wǎng)段，但有大量交互還是得通過網(wǎng)關(guān)的報(bào)文路由和信號(hào)路由。大量控制器軟件分布在供應(yīng)商手中獨(dú)立開發(fā)，增加了整車集成和測試的難度，導(dǎo)致整車軟件開發(fā)效率較低，無法實(shí)現(xiàn)整車級(jí)的OTA。

但在此過程中，OEM掌握了部分軟件邏輯簡單、對(duì)功能安全要求不高的控制器的開發(fā)，例如車身控制器BCM、門模塊、空調(diào)控制等。逐步搭建的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、技術(shù)積淀和供應(yīng)鏈體系，無法徹底拋棄和另起爐灶。而造車新勢力則沒有這方面顧慮，可以完全從零開始。逐步過渡、迭代開發(fā)有利于傳統(tǒng)OEM充分利用現(xiàn)有資源，降低開發(fā)成本。

2 汽車各控制領(lǐng)域的發(fā)展方向和需求

傳統(tǒng)車動(dòng)力系統(tǒng)ECU+TCU的形式已經(jīng)固化，新能源車的動(dòng)力系統(tǒng)PCU+VCU+BMS+OBC的模式正在往集成化方向發(fā)展。底盤控制領(lǐng)域已經(jīng)足夠成熟，高端車采用電控懸架提高舒適性，采用可變轉(zhuǎn)向比提高操控性。隨著混合動(dòng)力開發(fā)，P4電機(jī)逐漸取代了傳統(tǒng)的分動(dòng)器+傳動(dòng)軸+驅(qū)動(dòng)橋的四驅(qū)系統(tǒng)。在被動(dòng)安全領(lǐng)域，獨(dú)立的安全氣囊控制器被幾個(gè)核心供應(yīng)商所掌控。

汽車“新四化”影響較大的是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域、車身控制領(lǐng)域和智能座艙領(lǐng)域，是行業(yè)主要的發(fā)展方向。自動(dòng)駕駛起步晚，但技術(shù)起點(diǎn)較高且在快速升級(jí)應(yīng)用各種新技術(shù)，大量的攝像頭、雷達(dá)、地圖對(duì)通信系統(tǒng)要求較高，研究引進(jìn)以太網(wǎng)。而EPS、ESC、EMS、TCU傳統(tǒng)動(dòng)力底盤系統(tǒng)僅做軟件開發(fā)以適應(yīng)自動(dòng)駕駛對(duì)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速、停車的要求。

車身控制領(lǐng)域和智能座艙領(lǐng)域是客戶價(jià)值體現(xiàn)最多的領(lǐng)域，功能越來越復(fù)雜，所用的新技術(shù)大部分來自于消費(fèi)電子，如車聯(lián)網(wǎng)、語音控制、AI等，由于更新升級(jí)較快，迭代周期更接近于手機(jī)，需要OEM自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用和迭代，要求OEM必須具備在控制器軟硬件方面的開發(fā)能力。

3 向域控制與主干網(wǎng)方向迭代的技術(shù)路線

域控制器是對(duì)領(lǐng)域內(nèi)算力的整合，按照功能域或區(qū)域整合，對(duì)軟硬件開發(fā)能力要求更高，將相關(guān)或不相關(guān)的功能整合在一起，域控制器具備主干網(wǎng)的接口。主干網(wǎng)采用高速通信，目前主流仍然是CAN，動(dòng)力底盤部分有采用Flexray，成本高［1］。高端OEM在研究以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，但國內(nèi)傳統(tǒng)主機(jī)廠難以承受研發(fā)投入和零部件成本，且整車層面沒有必然的功能需求，目前僅在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域和OBD診斷方面采用。各主機(jī)廠基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)不同，研發(fā)組織架構(gòu)不同，無法全盤推倒，所以根據(jù)自身的實(shí)際情況去迭代開發(fā)才是最符合自身需求、降低開發(fā)成本和控制開發(fā)周期的路線。下文以傳統(tǒng)分布式電子電氣架構(gòu)為例，研究往域控制與主干網(wǎng)方向演進(jìn)的技術(shù)路線。

3.1 第一階段：形成2個(gè)域控制器

動(dòng)力底盤單元不變。在車身領(lǐng)域以BCM車身控制為中心整合出車身域控制器，帶大量的子CAN和LIN等子網(wǎng)，短期內(nèi)不能整合的則作為子節(jié)點(diǎn)。隨著開發(fā)能力的提高，域控制器逐漸集成控制類的子節(jié)點(diǎn)，最終只保留了帶總線的開關(guān)、傳感器和執(zhí)行器以及對(duì)造型和安裝結(jié)構(gòu)有特殊要求的部件，其內(nèi)部軟件完全通用化［2］。同樣在智能座艙領(lǐng)域，以HMI主機(jī)中心儀表、HMI屏、HUD等座艙域控制器下屬的顯示屏，通過內(nèi)部CAN傳輸控制信號(hào)，LVDS、CAN、以太網(wǎng)等傳輸視屏和音頻等信號(hào)，通過LIN傳輸傳感器、開關(guān)和部分執(zhí)行器的信號(hào)。域控制器逐步對(duì)領(lǐng)域內(nèi)子節(jié)點(diǎn)大規(guī)模集成，是領(lǐng)域內(nèi)功能算法的中心，車身域控制器和智能座艙域控制器軟件將是整車軟件開發(fā)和產(chǎn)品升級(jí)的核心。

形成以動(dòng)力底盤+車身域+座艙域的主干網(wǎng)架構(gòu)，獨(dú)立網(wǎng)關(guān)或?qū)⒉淮嬖?，網(wǎng)關(guān)的功能將分布到各域控制器中，如圖1所示。對(duì)主干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合裁剪，動(dòng)力底盤節(jié)點(diǎn)集成的難度大，但是可以通過帶子CAN和私有CAN來減少主干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，從而控制主干網(wǎng)的負(fù)載率。子網(wǎng)不但用在域控制器與子節(jié)點(diǎn)之間，同時(shí)可以用在主干節(jié)點(diǎn)之間輔助主干網(wǎng)的通信。

圖1 動(dòng)力底盤+車身域+座艙域+主干CAN

主干網(wǎng)考慮逐步升級(jí)，初期沿用CAN對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力底盤節(jié)點(diǎn)的通信接口沒有變動(dòng)，充分發(fā)揮CAN低成本的優(yōu)勢，充分考慮控制主干網(wǎng)的負(fù)載率。

3.2 第二階段：升級(jí)主干網(wǎng)

隨著功能增加和主干網(wǎng)負(fù)載率的提高，升級(jí)主干網(wǎng)，如使用CAN-FD，也能夠使動(dòng)力底盤大部分節(jié)點(diǎn)兼容，能夠?qū)ΜF(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行延續(xù)、拓展和兼容，用CAN-FD報(bào)文代替CAN報(bào)文，減少報(bào)文數(shù)量，降低主干網(wǎng)的負(fù)載率；視動(dòng)力底盤一級(jí)供應(yīng)商的零部件升級(jí)情況，是否會(huì)全部升級(jí)到采用Flexray、以太網(wǎng)或者新的更高速的總線作為其主通信方式［3-4］。當(dāng)然也可以在原主干網(wǎng)基礎(chǔ)上，根據(jù)功能需求局部采用Flexray或者以太網(wǎng)進(jìn)行過渡，如圖2所示。這種架構(gòu)適合大部分傳統(tǒng)汽車OEM，采用分階段、迭代方式的開發(fā)，有利于技術(shù)能力的逐步提升，提高產(chǎn)業(yè)化落地的效率，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)符合整車產(chǎn)品迭代的規(guī)律，保證了零部件供應(yīng)鏈的延續(xù)性。

圖2 升級(jí)主干網(wǎng)

3.3 第三階段：其他領(lǐng)域的整合

對(duì)于純電動(dòng)和PHEV，VCU將集成PCU、BMS、OBC等模塊形成新能源的動(dòng)力域控制器，接入主干網(wǎng)。對(duì)于燃油車新增一個(gè)動(dòng)力域控制器如果僅僅起到動(dòng)力域網(wǎng)關(guān)的功能而沒有集成算力，則意義不大可直接跳過這一階段。L2+及以上級(jí)自動(dòng)駕駛將形成一到兩個(gè)自動(dòng)駕駛的信息融合層與決策層核心控制器，接入大量的攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等，并集成以太網(wǎng)交換機(jī)獲取差分定位與高精度地圖信息，可以擴(kuò)展成自動(dòng)駕駛域控制器［5］。自動(dòng)駕駛域控制器接在主干網(wǎng)上與EMS、TCU直接交互。如此一來則形成了動(dòng)力底盤域、自動(dòng)駕駛域、車身域、座艙域，如圖3所示。在自動(dòng)駕駛域、智能座艙域內(nèi)部，根據(jù)通信需求可以內(nèi)部采用以太網(wǎng)，連接攝像頭、高精度地圖、T-BOX等。

最終，隨著OEM對(duì)各個(gè)域控制器軟硬件開發(fā)能力掌握，以及自動(dòng)駕駛成為標(biāo)配或者法規(guī)項(xiàng)，是否會(huì)進(jìn)一步整合，動(dòng)力底盤域與自動(dòng)駕駛域整合成行駛域，車身域與智能座艙域整合成駕駛輔助域，最終二者是否會(huì)再集成形成車載計(jì)算機(jī)還需要分析。目前來說，雖然控制器集成了，但傳感器、執(zhí)行器由于安裝位置的要求無法集成，普通經(jīng)濟(jì)型車也有多達(dá)200個(gè)傳感器和執(zhí)行器，都接入車載計(jì)算機(jī)線束將會(huì)比較復(fù)雜。因此需要在分布式和集中式控制之間尋求系統(tǒng)成本、裝配維修和可靠性的平衡。

圖3 四域控制器+主干網(wǎng)

4 總結(jié)

傳統(tǒng)OEM考慮自身的特點(diǎn)無法“一刀切”來切換自己的E/E架構(gòu)，但技術(shù)發(fā)展趨勢又無法阻擋，所以利用現(xiàn)有資源分階段逐步提升研發(fā)能力，逐步過渡才是最有效的演進(jìn)路線。傳統(tǒng)整車廠進(jìn)入域控制器軟硬件開發(fā)階段，研發(fā)組織架構(gòu)尤為重要，組織架構(gòu)決定了出產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本和開發(fā)成本。由機(jī)械轉(zhuǎn)型為軟件為主的IT、出行科技公司，必須進(jìn)行有效的組織架構(gòu)轉(zhuǎn)型。