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        EE架構演變簡史
        2022-11-25 2648次

          電動汽車和自動駕駛正在重塑汽車行業的未來。汽車本身的特點和客戶的期望都發生了變化!與車外世界的互聯不再僅僅是高端汽車的功能,而是世界上所有現代汽車的基本要求。汽車電子電氣架構EE這是什么意思?本文將從以下幾方面進行闡述:

          ●汽車行業的發展趨勢如何影響EE架構

          ●EE 架構概念

          ●EE架構演變趨勢及其對網絡技術的影響

          ●英飛凌針對當前和未來 EE 架構提供的解決方案

          家庭期望汽車功能多樣、互聯、可擴展,OEM制造商也調整了他們的產品和解決方案。事實上,汽車的功能是一系列性能和服務的集合。它正朝著服務架構、互聯、可擴展和更先進的功能發展,使軟件越來越重要?!败浖x汽車”影響整個產業鏈。上下游供應商也在改變其商業模式,例如傳統的傳統商業模式。Tier一大廠聯合軟件巨頭開發了汽車與云無縫連接的渠道。



          EE 架構演進的主要驅動力和趨勢

          上述變化怎樣推動著新電子電氣架構的發展呢?首先讓我們看看推動 EE 架構演進的主要驅動力和趨勢。



          新功能意味著更復雜、更多的功能、更多的線束和更多的節點,而現有解決方案已無法應對。

          此外,安全和安防需求大幅增加。聯網需要頂級的安防機制,需在汽車的整個生命周期內不斷填補新出現的安全漏洞。

          輔助駕駛和自動駕駛需要更高的安全性和可靠性。在通往自動駕駛的進程中,我們需要具有部分功能冗余的高可靠系統,這也是現代和高級駕駛輔助系統所必需的,且目前已被引入各級汽車平臺。隨之而來的是系統升級,它需快速而簡單。隨著OEM 每年推出的車型不斷增多,僅在車庫或汽車經銷商處完成升級越來越不現實,在使用汽車時也應該可以實現升級,例如“軟件在線升級”。

          所有這些高級功能都需以合理的成本實現,并且必須限制其功耗,因為新增功能不可顯著影響電動汽車的續航里程。


          傳統汽車架構

          為了理解該架構轉變,首先我們來看看傳統的汽車架構。傳統汽車采用分布式ECU 架構,各個功能由很多單一的ECU提供硬件-軟件解決方案。例如,發動機、變速箱、空調、座椅、儀表盤或信息娛樂系統都有各自專用的 ECU。整個汽車產業鏈都是在為支持這種架構而運作。通常,中低檔汽車有幾十個 ECU,而高檔汽車則多達一百多個。

          這些功能性 ECU 集群組合在一起(如動力、底盤、車身、安全和信息娛樂系統),通過 CAN、LIN 或 FlexRay? 等傳統總線系統連接。有些 OEM 使用更大的 ECU 將某個域的多個功能聚合起來。這主要發生在車身和動力系統應用中。傳感器和執行器直接連接到ECU,域之間的交互則通過強大的網關實現。



          現代化汽車架構

          現代化的汽車架構更為分層。中央計算機在性能上達到了新的水平,能支持面向服務的新架構。中間層在新架構中也扮演著重要角色——它匯集了各種功能并將執行過程轉變為基于軟件的解決方案。下層則是傳統架構向現代架構過渡的重要組成部分。為了實現功能集成和服務導向,該架構需要傳感器和執行器,他們需可被各種ECU無障礙訪問,且不受限制??赏ㄟ^智能連接的衛星實現這些功能。

          分層架構的主要優勢是:

          ●高性能計算集群

          ●各種應用程序的功能集成

          ●通過總線連接訪問傳感器和執行器

          ●應用軟件與硬件解耦



          在輔助駕駛或自動駕駛中,該架構可更好地支持冗余和故障操作行為。此外,它還支持嵌入式安全,并提供了一種新方法將功能提供給驅動程序。功能和特性不僅可在訂購新車時選擇,汽車制造商將在汽車的整個生命周期內為客戶提供“按需功能”。車主可以動態訂購增強功能,例如更多的發動機功率或電驅動功率、增強的停車功能、先進的照明、更好的音質、舒適的座椅調節和其他功能。這些功能可在特定時間段內僅訂購一次,或從某個時間點開始作為可靠功能長期訂購。

          讓我們來看看EE架構概念及其對網絡技術的影響。下圖顯示了現代化汽車分層架構。中央計算和功能集成部分結合在domain controller(域控制器)中?!坝颉比匀慌c舊架構中的相同,且與 OEM 當前開發的架構相匹配,并反映了汽車對功能域的劃分。

          在這種架構中,域之間的交互仍然需要一個高性能的網關。該網關可能包含與 OEM 汽車云進行數據交換的功能,因此可被認為是“連接網關”,需要保護和安全通信這些特殊需求。下一層的傳感器和執行器包含智能解決方案,例如機電一體化執行器或總線連接傳感器以及傳統的 ECU。



          這種架構可以有多種稍有差異的不同結構。它可以包括強大的中央汽車計算機,用于物理域和虛擬域之間的計算和數據交換。虛擬化有助于合理地構建各種功能。然而,這種高度依賴中央網關的架構仍然非常復雜,缺乏靈活性。


          Zonal架構

          因此,汽車行業正在評估一種更激進的替代架構,即zonal架構(區域架構),從而產生完全不同的功能劃分。在該架構中,ECU 分類從功能域轉移到車內的局部位置:左、右、引擎蓋下、尾部或后備箱。中央車載計算機取代了大部分域控制器和中央網關。這款車載電腦將支持越來越多的功能,是實現軟件服務的理想場所。區域中的控制器確保與傳感器、執行器和專用 ECU 的連接。這樣,區域控制器充當本地網關。



          該架構最顯著的優勢是可大大減少線束。一項早期研究顯示重量和成本降低了約 30%。如果進一步優化,還可進一步降低。

          從域控制器到區域控制器沒有明顯或清晰的過渡。



          第一階段的概念顯示了某些任務的區域劃分,主要用于車身舒適功能。ADAS 和信息娛樂等對時序要求嚴格且敏感的域不會一開始就分布到不同的區域。更多的功能會逐步加入到zonal controller中。最終,單個汽車計算機可以控制所有汽車功能,而這些功能分布在不同的區域。

          在這個階段,汽車制造商受益良多,既能節省線束,又能支持軟件定義汽車。然而,實現起來卻不容易,因此,很可能需要經歷一些中間步驟。


          EE架構對網絡技術的影響

          接下來讓我們分析負載控制、傳感器和區域架構。對于區域架構,需要考慮一個重要的問題:如何將傳感器和執行器連接到區域控制器?

          基本上,傳感器和執行器的完全分散控制需要智能衛星。這將是實現最佳可擴展軟件支持的最先進方法,但成本相對較高。部分分散負載控制方法是一個不錯的過渡。它部分引入智能衛星,部分仍然直接與區域控制器相連接。雖然它不是那樣可擴展,但可以以較低的成本集成到衛星上。



          考慮到還有分層架構方法,有多種有線通信技術可以滿足各種需求。在中央計算機和域或區域控制器之間,高速以太網是主導的網絡技術。目前,它基于100Mb/s的以太網,即將升級到 1 Gb/s,且 IEEE 定義的新的多千兆技術可進一步為其做補充。對于高安全性和可靠性的需求,可以添加冗余。

          現在關于汽車網絡中的衛星,情況更加分散。仍然有傳統總線系統,如 CAN FD、LIN 和 FlexRay?。這些技術將保留一段時間,以確保順利的轉型。此外,車輛網絡也出現了各種新標準。一方面,有多種總線系統能夠以比傳統總線系統更低的成本滿足網絡需求。另一方面,還有一些新的熱門方案可以實現更好的性能/成本比。相較于CAN FD ,CAN XL 功能和性能都得以升級,具有更高的數據速率、更高的可擴展性、更好的安全性,且與基于交換拓撲的傳統以太網(如 100BASE-T1 和 1000BASE-T1)相比,以太網幀的通道有更大的容量。

          10BASE-T1S 是一種成本較低的以太網技術。它支持多點的總線,其中每個節點都連接到單根電纜,從而無需交換機并減少電纜。然而,雷達傳感器、相機或顯示器等一些衛星需要更高性能的互聯性,因此必須使用高速以太網或串行器-解串器技術,也稱為 SerDes。



          所以我們可以看到需要新的網絡標準。但哪個標準將贏得最多的市場份額?該圖代表最常見的汽車車載網絡技術。



          它根據車輛類型和問世的年份顯示了每種技術的總數據速率。對于新技術和即將推出的技術,可以查看預計第一輛汽車發布的時間。即將推出的最重要技術是 CAN XL 和 10BASE-T1S,預計將在 2025 年或 2026 年推出的新車中實施。標準化 SerDes 解決方案可能會更早實施。

          從下圖,您可以看到軟件環境在各個層級的可行性。



          對于軟件服務和高性能計算必不可少的中央計算機,自適應 AUTOSAR 是完美的選擇,即使經典的 AUTOSAR 任務可在虛擬機中運行。域控制器或區域控制器正在將此類上層軟件橋接到衛星系統的實時應用程序中。經典的 AUTOSAR 很可能會在這些控制器上運行,因為它最適合實時和嵌入式應用程序。多個任務可能在其他虛擬機中運行,從而使得不同的軟件可由不同的供應商提供。

          如果衛星系統嵌入在 AUTOSAR 系統架構中,它們可能需要支持經典的 AUTOSAR。然而,區域控制器可以啟用具有直接鏈接和特定功能軟件的低成本總線系統,從而降低硬件成本。


          英飛凌如何看EE架構的變革

          最后,讓我們概述一下英飛凌對 EE 架構變革的看法。根據調查、與 OEM 的討論等,英飛凌分析總結了EE架構的變革過程。



          EE架構已經在向基于域的架構過渡。Zonal架構將在幾年內推出,與Domain架構并存。

          盡管很難預測這會以多快的速度發生,但由于Zonal架構的優勢,它最終將替代Domain架構,在未來的車輛中占據主導地位。

          這種架構轉變已經對OEM工程師和系統設計師產生了影響:

          ●他們更關注不同層級的功能集成

          ●他們必須考慮安全性和升級功能

          ●他們需要停止授予軟硬件一體化解決方案,并將它們解耦

          ●日益增加的復雜性需要明確的軟件復用場景。從頭開始為每個新平臺甚至每個車型開發ECU不現實。

          ●最后,新架構需要標準化和總線連接的傳感器和執行器

          ●在這個過渡過程中,英飛凌提供了多種解決方案。最突出的產品是廣泛應用的微控制器。

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