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面向未来汽车电子电气架构的域控制器平台

 yeshuheng 2021-05-19

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来源:联合汽车电子有限公司
作者:刘佳熙、丁锋

1. 集中式汽车电子电气架构和域控制器

1.1 集中式电子电气架构的必要性

当前汽车采用分布式汽车电子电气架构,如图1所示,该架构在计算性能、通讯带宽、变形管理和支持跨域功能等方面均存在瓶颈。

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另外,由于以高度嵌入式控制器为主,硬件与软件高度集成,在车辆批产后软件难以升级,较难支持软件创新。

集中式电子电气架构通过域控制器和以太网提供了未来汽车所需的计算能力和通讯能力;将车辆层级软件集中于域控制器,并标准化高度嵌入式控制器,更好地支持变形管理和跨域功能;由于实现了更好的硬件抽象,该架构更好地支持了软件创新和软件持续更新升级。

1.2 域控制器概念

对于集中化电子电气架构发展趋势,目前国内汽车业界已经基本形成共识,但对于域控制器的概念,目前尚未有一致定义。

关于域控制器概念一般有两种理解:一种理解是特定功能域内高度嵌入式控制器的集成;另一种理解是特定功能域内整车层级软件功能的集中化。

我们认为域控制器主要支持特定功能域内整车层级软件的集中化,关于域内高度嵌入式控制器是否与域控制器硬件集成,则应根据整车谱系的总体电子电气架构需求而设计,主要理由如下:

第一,将整车层级软件集中于域控制器,减少了协调控制各部件所需要的总线信号通讯,有利于跨功能域协调控制的实现,避免了未来跨域功能大幅增加可能带来的系统复杂度失控。

第二,整车层级软件协调控制各部件,实现用户易感知的车辆层功能,该部分软件更新和升级需求较多,集中在域控制器中有利于软件升级管理。此外,域控制器内可预留计算、存储和通讯资源,用于在车辆批产后,通过软件增加车辆功能。

第三,通过高度嵌入式控制器接口的标准化,将其抽象为标准化传感器或执行器,有利于高度嵌入式控制器在车型谱系间的整体重用。域控制器和标准化传感器、执行器控制器的组合实现了更好的硬件抽象,有利于变形管理和部件复用,通过降低变形开发费用和提高部件安装率降低成本。

在整车层级软件集中于域控制器的基础上,将域内高度嵌入式控制器与域控制器硬件集成,可以降低单个控制器的物料成本,然而提高了变形开发的可能性。因此需要根据整车谱系的总体电子电气架构需求,根据装机量等需求进行总体设计。

2. 集中式汽车电子电气架构方案

未来集中式汽车电子电气架构将分为三层,如图2所示,顶层为云计算服务平台,中层为车载计算控制平台(即域控制器),下层为机电一体化的标准化执行器、传感器控制器。

业界一般将汽车电子电气系统分为五个功能域,分别是动力总成域、底盘域、车身域、信息娱乐域和辅助/自动驾驶域,因此中层的计算与控制包括五个域的主控和以太网通讯、无线通讯共七个元素。

根据这七个元素在具体硬件上的分配以及底层执行器、传感器控制器的具体设计,集中式电子电气架构有不同方案。

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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为每个功能域设置一个域控制器,域控制器之间通过以太网关进行连接。功能域内的车辆层级功能和域内顶层协调控制功能集中于域控制器中。

域控制器可分为性能型域控制器和集成型域控制器两种。性能型域控制器具有特定的硬件以支持高性能计算,该特定硬件称之为硬件加速器。信息娱乐域控制器需要硬件加速器以驱动显示,属于性能型域控制器。

自动驾驶域控制器需要硬件加速器进行图像处理和深度学习计算,也属于性能型域控制器。由于性能型域控制器是实现特定功能的必备条件,且相对于分布式架构,在相同功能情况下可降低成本,所以信息娱乐域和自动驾驶域采用基于功能域的集中化域控制器已成为明显趋势。

面向动力总成域、底盘域和车身域的域控制器属于集成型域控制器,该类域控制器提供通用的计算和通讯资源,以及标准化的软件创新平台,相对于性能型域控制器计算能力较低,但灵活性和开放程度较高。集成型域控制器主要为面向智能网联的创新型软件功能提供平台,支持软件更新与升级。

然而针对动力总成域、底盘域和车身域均设置域控制器的方案,由于域控制器是新增成本,在底层标准化执行器、传感器控制器未通过标准化使成本下降的前提下,整车电子电气系统物料成本上升,该方案在现阶段较难在所有整车企业推广。

2.2 域融合集中化方案

一种既实现集中化方案,又不导致整车电子电气系统物料成本大幅增加的方案是域融合集中化方案,即将两个或多个集成型域控制器合并为一个的方案。根据域融合的深度,可行的方案如图3a所示,包括如下:
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动力总成域与底盘域融合为车辆运动域控制器。由于动力总成域和底盘域之间存在较多的协同控制,在智能汽车背景下,未来协调控制功能仍将大幅增加。这两个域的功能安全和信息安全级别要求相似,可以合并到一个域控制器。

更进一步,运动域控制器可与网关融合。并集成车身域中央控制功能,成为车辆层级的集成型域控制器,或称车辆计算机。由于相应功能域的安全等级要求不同,此种深程度域融合需要硬件虚拟化技术支持,以防止不同安全等级功能间的相互影响。

另外,如果L1和L2驾驶辅助功能成为标准配置,也可融合到车辆运动域控制器中,而非标准配置的高等级自动驾驶采用独立的域控制器。

高等级自动驾驶需要控制器备份功能,在主控制器功能失效时,备份功能仍能保证车辆继续安全的自动驾驶一段时间,该备份功能也可融合到运动域控制器中。

由于高级辅助和自动驾驶、软件无线升级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较少或没有增加整车电子电气系统的成本,是可行的方案。必须说明的是,通过域融合可以降低成本,但过度融合的方案可能并不可行。

例如无线通讯和自动驾驶控制器,由于两者信息安全和功能安全要求差距较大,如没有合适的技术方案支持,应避免融合在一个域控制器中。

2.3 基于区域控制器和中央计算机的集中化方案

在基于功能域的集中化方案和域融合集中化方案中,位于如图2底层的控制器采用以功能为导向的高度嵌入式控制器方案。

多数嵌人式控制器仍将作为执行器、传感器控制器的角色继续存在与电子电气架构中,其接口将被标准化以实现较好的硬件抽象,通过提高装机量来降低成本。

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区域控制器是一种新的控制器概念,它不再以功能为导向划分控制器的边界,而是以车辆特定物理区域为导向定义控制器,例如车辆前区域控制器、左区域控制器、右区域控制器,控制和驱动该区域内的部件。

采用区域控制器可以从两个方面降低电子电气架构的成本,一是将该区域内的功能型控制器集成人区域控制器,二是由于区域控制器采用就近接线,减少了车辆的线束成本。

如图3b所示,区域控制器配合中央计算机,在实现集中化需求的同时,可保持整车物料成本平衡。
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根据调研和分析,我们认为并非所有控制器均适合整合为区域控制器。适合整合为区域控制器的功能主要为离散逻辑和非时间敏感功能,例如电源分配、车身控制、热管理和空调管理等;不适合整合为区域控制的功能主要为带有复杂逻辑或零部件、需要实时控制的功能,例如发动机管理、电机控制、车辆稳定性控制等。

关于中央计算机,根据2.2中讨论,在架构中将具有不只一个计算机,如图3b所示,应当根据汽车企业的车型谱系整体设计电子电气架构。

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