抛砖引“域”——浅谈汽车电子电气域架构

原标题:抛砖引“域”——浅谈汽车电子电气域架构

转自:联合电子

引言

随着现代汽车的功能越来越复杂,整车上的电子控制单元(Electronic Control Units, ECUs)也随之增多。当前一辆普通汽车的 ECU 多达七八十个,代码约一亿行,其复杂度已经远远超过安卓手机系统。在传统的汽车供应链中,不同的 ECU 来自不同的供应商,有着不同的嵌入式软件和底层代码。这种分布式的架构在整车层面造成了相当大的冗余,传统汽车的软件更新几乎与汽车生命周期同步,极大地影响了用户体验。如何加快软件的创新与迭代?从传统的分布式架构,逐渐进化为集中式架构,“域”的概念由此而生。在行业的变迁和技术的发展潮流面前,永远都是适者生存,面对“域”的设计,国内外各大整车厂与供应商犹如八仙过海,各显神通。单一功能的控制器不再成为主流,整车更多关注的是系统方案和软件集成控制。只有掌握集大成于一体的“域”控制理念,才能在即将到来的市场机遇中真正做到屹立不倒,成为最强王者。

电子电气架构的发展之路

1. 模块化和集成化架构方案

在传统的整车电子电气架构体系中,通常将功能划分在不同的模块领域,如动力总成、信息娱乐、底盘、车身等,在每个模块领域中,控制器的设计通常基于特定的功能,如:座椅控制单元SCU、尾门控制器PLG等。模块与模块之间通过CAN总线传递信息,而其模块划分一般也根据总线数量而定,所以总线就是传统功能模块的领航员,这就是我们为什么会称呼某些特定总线为动力CAN,车身CAN等。

这样的架构方案最大的特点是功能划分明确,模块与模块之间严格明确界限,一切“越界”行为容易控制,由于模块间的独立性较强,模块开发者不用太过于考虑其他模块的干扰问题。

例如,动力总成不用担心会被车身CAN上的信号所干扰,并且也不用担心因为车身功能不稳定,而导致动力系统的功能受影响。

然而这样的架构也存在着非常大的局限性,功能控制器的独立开发模式,就像封闭的部落式文化,虽然能够确保自身生态环境内的自给自足,但是由于信息的闭塞,传输信号的带宽局限,导致了资源无法共享,大量运算资源浪费,性能“偏科”现象严重。举个简单的例子,部落中有十个村庄,A村庄有着专业的铁匠,B、C等其他村庄没有铁匠,所以虽然A村庄的武装力量非常强大,但剩余9个村庄没有防卫能力。一旦发生战争,90%的村庄很快就会沦陷,即使A村庄可以独善其身,但整个部落却遭到了灭顶之灾。而这个例子中的“铁匠”就是车身中的诸多控制算法,例如EMS中的热管理算法、滤波算法,虽然能力非常强,但是其他控制器,例如车身的胎压控制、尾门控制、车窗防夹无法借用此算力,并且最多只能通过CAN信号得到一个数据量有限的结果。最后导致功能效果参差不齐,带来的用户体验也难以完美。

这样的例子在低功能安全或L2以下的自动驾驶运用中,可能还可以被接受,然而一旦涉及L4级别或ASIL-D级以上的功能安全,那么,模块化封闭的架构设计的缺陷就会被放大,成为功能正向开发最大的障碍。

而集成化方案仅仅是模块化方案的一个小规模升级,在架构上减少了功能单一和冗余的模块,将复数功能小范围地融合在一个控制器中,例如BCM集成PEPS,ESP集成TPMS等等。其带来最大的利益在于成本,却无法依然弥补跨模块之间通讯率低下的缺陷。

2. 中央集中式架构方案

中央集中式架构方案中,第一次出现了“域”Domain的概念。“域”这张牌和“模块集成”最大的区别在于,模块集成是将传统的模块集中“打包”,其本质依然是原有的功能划分,模块与模块之间的壁垒仍然没有被打破,而且有很强的硬件捆绑特性。例如,市面上有很多BCM集成了PEPS功能,但假设需要将PEPS系统集成到ESP控制器,那么原有平台将无法兼容,需要花费较大工作量来开发新平台。

而“域”的概念的核心思想在于灵活,系统与软件层面的集成,脱离了硬件捆绑的限制。我们继续从刚才村庄铁匠的例子说起,“域”在刚才的例子中是如何体现的呢?首先,铁匠还是住在A村庄,他的“工匠手艺”依然是核心机密,B村庄、C村庄依然无缘一睹精良的武器是如何生产的。但是,由于通信的壁垒被具有超大带宽的“以太网”所打破,B和C虽然没有铁匠,但是由于他们村通网了!并且和A村庄在一个“局域网”信号范围内,他们可以通过打电话、发信息或网上订购的方式,向A村庄下订单。而对于A村庄而言,由于消费者和订单量的增加,铁匠的社会地位迅速提升,一下子成为了村里的大地主,他也会有更多的动力来研究高效率打铁。

这个升级版的例子里面的几个关键字,“ABC村庄”对应ECU控制器,而“村庄间的局域网”对应车载以太网、FlexRay或CAN-FD,“网络订单”则对应灵活的互联网协议(可能聪明的你已经发现了,TCP/IP、SOME-IP协议中的消费者和提供方就是这个概念)。而例子中的灵魂人物铁匠,则是我们熟悉的域控制器Domain Controller,他是大而全的功能提供方,具备独家绝学的核心算法,如果说“互联网关”是域架构中负责协调调度的“村长”,那么“域控制器”就是给村民带来福利的乡绅。在大部分域架构设计中,域控制器可以集成给其他小控制器、小执行器提供什么样的算法、功能,决定了域的范围有多大。

举个实际点的例子,“车身域控制器BDU”,是集成了所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、灯、门、车窗等等的大控制器。由于车身域控制器可以提供“车身打铁” 技术,例如车窗防夹算法、电压补偿、备份驱动等功能。所以,小型的控制器可以不再关注复杂算法,而是更多地关注硬件和驱动。不但冗余软件的开发量可以大幅度缩减,并且非常多的控制器可以被精简优化,例如传统的电动尾门控制器、车窗防夹控制器、门控制器等等。小村民不再考虑如何造武器,更多地开始考虑如何修炼武功。这样一个干练的精兵团体,组成了数量少、成本低却又具有着强大功能的车身域。这样一个标准化的共享软件资源的架构设计理念,不但在车身,而是在整车各个领域都得到了充分的运用,成为了我们耳熟能详的动力域、底盘域、车身域、信息娱乐域和ADAS域等等。这就是基于不同“域Domain”的集中式电子电气架构。

3. Zone区域架构方案

如上文提及,“域”的概念其实对于许多OEM和Tier1并不陌生,你可能也已经想到,在互联网、航天、船舶等领域,域早已不是一个新鲜词,既然集中式方案的域架构理念如此完美,那么“域Domain”为什么近几年来在中低端车型上没有得到大范围的运用呢?

这个问题的答案其实很简单,关键字就在于“成本”。前沿的设计理念带来了现实的矛盾。随着近年来汽车电子爆发,ECU数量,ECU的运算能力需求都呈现爆发式增长,在ADAS时代和即将到来的自动驾驶时代更加明显,同时对运算带宽的需求也开始爆发。这造成汽车电子系统成本大增,除了ECU系统数量的增加之外,为了配合基于模块划分的“功能域”的概念,线束、布置、安装、支架,不得不重新洗牌设计,并且带来非常惊人的机械结构的成本。

继续拿“车身域”举例,为了建成这个以功能为导向的电子电气架构,OEM不得不将后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆的连接线束拉长,跨过80%的白车身,连接到置于车身前方的域控制器中。电子架构是舒服了,机械布置的同事们却崩溃了。同样的例子,在ADAS的前后雷达、空调系统的前后制冷、底盘系统的前后轮转向控制均有类似的问题。一辆低端车的线束系统成本只要大约300美元,重量大约30公斤,长度大约1500米,线束大约600根,1200个接点;而目前一辆豪华车的线束系统成本大约550-650美元,重量大约60公斤,线束大约1500根,长度大约5000米,3000个接点。如果沿用目前的电子架构体系,自动驾驶时代的线束成本将不会低于1000美元,重量可高达100公斤。这些令人诧异的数字,成为了大多数车型望“域”止步的原因。

言归正传,为了解决高昂的成本,且不丢失“域”的软件集中的核心概念。电动车的领跑者TESLA特斯拉在Model 3上重新划分了“域”。在新的概念中,不再存在传统的车身域、动力域等,取而代之的是物理空间上的划分“区域Zone”,比如中域、左域和右域。

你可能会说,新的域按照布置方案来划分,这一刀是不是切得有点太“土”了?然而这却是区域的核心理念。汽车电子在经历了这么多的变迁后,终于开始走向一条由繁至简的路。而新的域,也就是今天提到的,未来可能会实现的基于位置分布的“域Zone”,通过不同域之间的交互融合,用接近原则这一简单的招式,完美规避了上述问题,但是却也给软件开发带来了史诗级的挑战。例如,车身控制器工程师可能需要开始研习雷达的驱动和算法;功能安全ASIL-C和D级别的软件开发逐渐变成标配。域的控制开发要求将不再仅限于功能,软硬件开发将打破传统的功能划分壁垒,更多地需要从整车角度思考去设计。

总结

基于“域Zone”的电子电气架构,看似简单,实则包含了非常多的架构学问在其中。它打破的,不仅仅是功能与功能之间的隔阂,更打破了整车架构的思维壁垒。更重要的是,特斯拉已经用他们在Model3上的答卷证明了,Zone并不是不可实现的,超前的架构和低廉的成本是可以同时具备的。那么,域究竟是终点,还是新时代的起点?整车电子电气架构有没有更好的解决方案?

在此背景下,联合电子在已有的开发平台基础上,制定了新一代车身域控制器的开发目标,积极采纳和引入高新技术,不断开发和拓展。新一代域控制器除了继承传统控制器的功能以外,将支持更多集成式的特殊功能,实现以太网和云端信息互联,打造更可靠的质量平台

联合电子作为国内汽车电子控制器的领军者,与整车厂密切合作,以车身域控制器等新型产品为弹药,打响跨时代开发的第一枪。返回搜狐,查看更多

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