隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，整車電器功能愈加豐富，對(duì)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。文章綜述了汽車電子電氣架構(gòu)的開(kāi)發(fā)流程和發(fā)展趨勢(shì)，并為架構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制器融合提供了分析方法和參考案例；應(yīng)用結(jié)果表明，該分析方法可有效提高電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

前言

近年來(lái)，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化的“新四化”發(fā)展趨勢(shì)。汽車的“新四化” 離不開(kāi)電子電器功能的增加和電子電氣架構(gòu)的支撐。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含功能分配、整車電源模式設(shè)計(jì)、總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信信號(hào)設(shè)計(jì)以及整車線束拓?fù)湓O(shè)計(jì)等內(nèi)容，它是所有電器部件的上層開(kāi)發(fā)和頂層設(shè)計(jì)，規(guī)定了各電氣系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和兼容性。

1 電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)流程

在電子電氣架構(gòu)正向開(kāi)發(fā)流程中，一般由利益相關(guān)者根據(jù)場(chǎng)景的分析提出功能性和非功能性的需求；利益相關(guān)者不僅包括終端用戶、產(chǎn)品企劃部門，也包含工程開(kāi)發(fā)人員、成本工程師和售后維修人員等；功能性的需求主要指所開(kāi)發(fā)車輛需要實(shí)現(xiàn)的功能，例如是否能提供駕駛輔助、是否有聯(lián)網(wǎng)功能等；非功能性需求主要關(guān)注車輛的性能、安全性、成本、開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)性、維修便利性等指標(biāo)。

在明確了功能性和非功能性需求的約束之后，需站在電氣的角度進(jìn)行子功能的定義，將所有功能性和非功能性的需求轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)電氣邏輯單元或軟件模塊；這些電氣邏輯單元或軟件模塊會(huì)被分配到各個(gè)控制器中，由各個(gè)控制器配合完成整車電器功能，即所謂的功能分配。不同的功能分配方案，導(dǎo)致了架構(gòu)設(shè)計(jì)的差異，也決定了控制器數(shù)量多少，并影響總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男螒B(tài)。因此，電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的真正挑戰(zhàn)是如何進(jìn)行功能分配，并進(jìn)行概要設(shè)計(jì)和整體把控。

圖 1 電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)流程

2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著汽車“新四化”的發(fā)展，整車電子電器功能逐漸增多；以自動(dòng)駕駛為例，隨著輔助駕駛自動(dòng)化級(jí)別的提升，車輛需要布置的傳感器越來(lái)越多，相應(yīng)的控制邏輯也越來(lái)越復(fù)雜。

圖 2 電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

面對(duì)電器功能的增加，電子電氣架構(gòu)也在不斷地發(fā)展；傳統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)往往采用分布式的方案，即使用模塊化的控制器來(lái)搭建架構(gòu)；例如，對(duì)于座椅的控制，就會(huì)有相應(yīng)的座椅模塊控制器對(duì)座椅進(jìn)行位置調(diào)節(jié)、加熱通風(fēng)等控制；對(duì)于新增加的功能，就要考慮開(kāi)發(fā)新的控制器來(lái)滿足功能需求；因此，在這種分布式的架構(gòu)中往往存在許多功能相對(duì)簡(jiǎn)單、算力低的控制器；隨著電器功能的增加，以及車載控制器算力的提升，架構(gòu)設(shè)計(jì)逐步向集成式的方向發(fā)展；集成式的架構(gòu)是通過(guò)對(duì)整車功能的梳理，將屬性相似的功能集中在某些控制器中，由算力較高的控制器進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)；例如，對(duì)于車燈、雨刮等車身相關(guān)附件的控制，會(huì)集中在車身控制器（BCM）中進(jìn)行統(tǒng)一控制；近年來(lái)，這種集成式的架構(gòu)快速發(fā)展，出現(xiàn)了“域”控制器甚至中央計(jì)算單元這樣高度集成的車載控制器，這些域控制器或中央計(jì)算單元具有極高的算力，融合了復(fù)雜的整車功能，可以應(yīng)對(duì)汽車“新四化”的發(fā)展需求；綜上，汽車電子電氣架構(gòu)的演變過(guò)程如圖 2 所示，從功能開(kāi)發(fā)的角度看，功能的集中化和控制器的融合是未來(lái)架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)；而如何在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮功能地集中和控制器的融合，已逐漸成為整車設(shè)計(jì)廠（OEM）關(guān)注的重要課題之一。

3 控制器融合分析

當(dāng)前電子電氣架構(gòu)的典型特征是將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)分為不同的域，如車身域、底盤域、動(dòng)力域，信息娛樂(lè)域等，每個(gè)域?qū)σ徊糠挚刂破鬟M(jìn)行整合，這些控制器通過(guò)共享總線系統(tǒng)進(jìn)行通信；對(duì)于域內(nèi)的控制器能否進(jìn)行融合，甚至進(jìn)行跨域控制器的整合，以下為幾個(gè)關(guān)鍵的考慮因素：

3.1 控制器功能的相關(guān)性

這是考慮控制器融合的首要驅(qū)動(dòng)力；將功能相關(guān)的控制器進(jìn)行融合，往往可以復(fù)用一些共同的軟件模塊，從而提高系統(tǒng)整體的開(kāi)發(fā)效率。

3.2 控制器之間交互的復(fù)雜性

架構(gòu)設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容就是通信系統(tǒng)和通信信號(hào)的設(shè)計(jì)；在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)，需要關(guān)注控制器之間信號(hào)交互的接口；如果融合之后可以減少通信信號(hào)量，就便于后續(xù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也能減少線束連接，從而減輕整車重量，實(shí)現(xiàn)輕量化。

圖 3 控制器信號(hào)交互與控制器融合

3.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性

在談到架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往希望能夠用一套架構(gòu)方案去指導(dǎo)多款車型的開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)車型的快速迭代開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)投放；因此，所設(shè)計(jì)的架構(gòu)需具有一定的靈活性和伸縮性；好的控制器融合方案一定是考慮了不同車型、甚至跨平臺(tái)車型的功能性及非功能性需求，從而保證架構(gòu)方案的靈活性。

3.4 產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)性

控制器的融合，往往意味著開(kāi)發(fā)難度的增加，那么，產(chǎn)品是否具有可實(shí)現(xiàn)性就成了控制器融合方案的重要約束條件；因此，從可實(shí)現(xiàn)性的角度看，在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)， 需考慮融合后的方案是否成熟，是否有相應(yīng)的供應(yīng)商資源以及成本是否可以接受等等可實(shí)現(xiàn)性相關(guān)的內(nèi)容。

從上述的分析可以看出，控制器的融合分析，需要考慮的因素有很多，而這些因素之間往往又相互影響，因此控制器的融合分析在架構(gòu)設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，需進(jìn)行綜合評(píng)估。

4 案例：Tbox與網(wǎng)關(guān)控制器融合分析

隨著智能化，網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，越來(lái)越多的車型上搭載了Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器。Tbox 的主要特點(diǎn)是控制器中含有 4G 或 5G 通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)車輛與后臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，并利用這些數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)出豐富的網(wǎng)聯(lián)功能，如遠(yuǎn)程控制車輛、車輛狀態(tài)查詢等；網(wǎng)關(guān)控制器的主要特點(diǎn)是其包含一種或多種車載總線芯片，如 CAN 總線芯片、以太網(wǎng)總線芯片等，可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)總線信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。目前，對(duì)于是否將 Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行融合，行業(yè)內(nèi)都有相關(guān)的探索；下面，就結(jié)合上述的考慮因素并對(duì)其加以細(xì)化設(shè)計(jì)，建立一套分析控制器融合的評(píng)價(jià)方法，并利用該評(píng)價(jià)方法，對(duì) Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器是否融合的兩套方案進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 方案說(shuō)明

方案一：Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器不融合，為單獨(dú)控制器的分布式方案；

方案二：將 Tbox 和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行融合，為集成式地融合方案。

4.2 評(píng)價(jià)維度及說(shuō)明

4.2.1 控制器數(shù)量

功能的集成和融合能夠減少控制器的數(shù)量；因此，控制器數(shù)量越少，表征控制器融合越徹底。此項(xiàng)可由架構(gòu)系統(tǒng)工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.2 通信通道數(shù)

如果分布在不同控制器中的軟件模塊之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，那么就需要在控制器中設(shè)立相應(yīng)的通信通道。此項(xiàng)可由總線工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.3 通信復(fù)雜性

交互復(fù)雜性與功能分配密歇相關(guān)，軟件模塊之間的邏輯接口越多，交互越復(fù)雜；在總線通信層面，可以用總線的負(fù)載率進(jìn)行衡量。此項(xiàng)也可由總線工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.4 靜態(tài)電流

靜態(tài)電流水平是整車性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)；整車靜態(tài)電流過(guò)高會(huì)增加蓄電池發(fā)生饋電的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行控制器融合分析時(shí)，要識(shí)別出哪些功能需要一直保持工作，哪些功能在整車休眠后仍然會(huì)周期性的喚醒并工作；如遙控鑰匙功能，其控制器會(huì)周期性的喚醒來(lái)尋找周邊的鑰匙，這些功能會(huì)影響控制器融合后的整體靜態(tài)電流水平。此項(xiàng)可由測(cè)試工程師進(jìn)行評(píng)估。

4.2.5 技術(shù)開(kāi)發(fā)復(fù)雜性

如果對(duì)控制器進(jìn)行了融合，意味著在一個(gè)控制器中需要實(shí)現(xiàn)比以前更多的功能；因此，在控制器硬件上需要更強(qiáng)的算力，在軟件上需要使用新的技術(shù)，如虛擬化 Hypervisor 等；同時(shí)，也需要進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè)試來(lái)保證功能在這個(gè)新的控制器中能夠很好的運(yùn)行。此項(xiàng)可由軟硬件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行評(píng)估。

4.2.6 可實(shí)現(xiàn)性

除了在技術(shù)上需要評(píng)估方案是否成熟，還需要考慮現(xiàn)有的供應(yīng)商資源和能力，以及開(kāi)發(fā)所需的成本和周期；此項(xiàng)可由產(chǎn)品工程師結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研分析后進(jìn)行評(píng)估。

4.3 計(jì)分方法

為了更直觀地對(duì)控制器融合方案進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)維度用 0-5 進(jìn)行計(jì)分，并參考維度說(shuō)明進(jìn)行打分，得分越高，代表越優(yōu)；0 分表示不相關(guān)或暫時(shí)無(wú)法評(píng)價(jià)。

4.4 計(jì)分結(jié)果

通過(guò)架構(gòu)工程師、總線工程師、產(chǎn)品工程師及測(cè)試工程師多人參與后，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行了綜合打分，計(jì)分結(jié)果如下：

4.5 計(jì)分結(jié)果說(shuō)明

① 控制器數(shù)量：顯而易見(jiàn)，方案二在控制器數(shù)量方面更占優(yōu)勢(shì)。

② 通信通道數(shù)：在方案二中，Tbox 和網(wǎng)關(guān)的所有功能集中在同一個(gè)控制器中，因此，所有功能的交互在同一個(gè)控制器內(nèi)部完成，通信通道數(shù)相應(yīng)減少，融合方案更優(yōu)。

③ 通信復(fù)雜性：隨著車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的豐富，車內(nèi)車外需要交互的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大；例如，很多整車設(shè)計(jì)廠（OEM）會(huì)將越來(lái)越多的駕駛數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳后臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，也會(huì)通過(guò)后臺(tái)使用 OTA 技術(shù)，對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)；如果采用方案一，在 Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器之間需要開(kāi)發(fā)高速通信總線。

④ 技術(shù)開(kāi)發(fā)復(fù)雜性：對(duì)于方案二，在一個(gè)控制器中既要設(shè)計(jì)對(duì)外的 4G 或 5G 通信，又要開(kāi)發(fā)車內(nèi)高速總線通信；同時(shí)，為了保護(hù)車輛的信息和安全，需要進(jìn)行防火墻的開(kāi)發(fā)， 并確保車內(nèi)通信的實(shí)時(shí)性要求。因此，方案二的技術(shù)更復(fù)雜， 開(kāi)發(fā)難度更高。

⑤ 可實(shí)現(xiàn)性：基于方案二較高的開(kāi)發(fā)難度，在國(guó)內(nèi)，同時(shí)掌握 Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器核心能力的供應(yīng)商資源相當(dāng)有限，也缺少量產(chǎn)的實(shí)績(jī)。因此，就可實(shí)現(xiàn)性而言，方案一更優(yōu)。

⑥ 靜態(tài)電流：靜態(tài)電流的大小，與供應(yīng)商軟硬件設(shè)計(jì)強(qiáng)相關(guān)；在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，如已有其他車型相關(guān)控制器數(shù)據(jù)， 可以進(jìn)行評(píng)估，此處，暫不考慮。

相應(yīng)的雷達(dá)圖如下：

圖 4 方案結(jié)果雷達(dá)圖

從雷達(dá)圖可以很明顯地看出，Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器融合后的方案在減少控制器數(shù)量、降低交互復(fù)雜性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但是，在技術(shù)開(kāi)發(fā)復(fù)雜性和可實(shí)現(xiàn)性方面具有一定的瓶頸和挑戰(zhàn)。

當(dāng)然，上述 Tbox 和網(wǎng)關(guān)控制器的融合分析，僅是相對(duì)簡(jiǎn)單的一個(gè)例子，在實(shí)際架構(gòu)設(shè)計(jì)中，還會(huì)面臨許多更復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，例如在進(jìn)行跨域融合分析時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)多套控制器融合的方案，需要評(píng)價(jià)的維度也更多；因此，可以在參考上述分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合整車設(shè)計(jì)廠（OEM） 自身的實(shí)際情況對(duì)評(píng)價(jià)維度及計(jì)分方法進(jìn)一步優(yōu)化。例如：針對(duì)所關(guān)心的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)更多的評(píng)價(jià)維度，并盡可能對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化；在做方案選擇時(shí)，可以對(duì)各評(píng)分項(xiàng)目計(jì)算總分，也可以對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，再進(jìn)行加權(quán)匯總，并同時(shí)考慮是否存在一些“一票否決”的維度。

5 結(jié)論

綜上所述，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展不僅帶來(lái)了電器功能的快速迭代，也對(duì)電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)；本文為架構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制器融合提供了分析方法和參考案例，希望能為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)和分析提供思路借鑒，從而提高架構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效率和效果。

審核編輯：郭婷