當(dāng)前車(chē)輛日益復(fù)雜，車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都在不斷增加，而更強(qiáng)大的智能功能也逐步增加。
所有這些高級(jí)功能都依賴于線束和控制器才能發(fā)揮作用。然而面對(duì)日益增加的車(chē)輛復(fù)雜性和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短的壓力，導(dǎo)致汽車(chē)制造商和系統(tǒng)集成商的成本和時(shí)間壓力增加。
因此汽車(chē)制造商紛紛革新現(xiàn)有的的電子電氣架構(gòu)，像國(guó)內(nèi)小鵬的X-EEA3.0中央計(jì)算平臺(tái)+區(qū)域控制架構(gòu)、廣汽埃安的中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)——星靈架構(gòu)、長(zhǎng)城的計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)GEEP3.0等（如圖1所示）。
意在降低電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)軟硬件進(jìn)行解耦，以及為后續(xù)高級(jí)的功能落地提供基礎(chǔ)，如圖2所示。
圖1?上汽、廣汽、長(zhǎng)城的中央計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)(來(lái)源網(wǎng)絡(luò))
圖2 分布式架構(gòu)與中央架構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比(來(lái)源九章智駕)
在設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)的過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)是基于整車(chē)需求分解出電氣/電子需求。整車(chē)需求包括機(jī)械、電氣/電子、軟件、熱學(xué)等。工程師需要從中提取電氣/電子方面需求，并且對(duì)其進(jìn)行分解然后協(xié)調(diào)各下游部門(mén)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。在整個(gè)過(guò)程中，涉及電子電氣架構(gòu)的定義、設(shè)計(jì)和交付的各種工程師必須平衡相互依賴的需求。下面從以下這些方面來(lái)聊一聊電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)。
在定義拓?fù)鋾r(shí)，首先是需要各控制器的接口人負(fù)責(zé)整理出功能清單，然后同一個(gè)域的會(huì)組織會(huì)議討論功能分配優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)連接等，例如：
1.升級(jí) ECU 以在一個(gè)或多個(gè)連接上支持更高波特率的網(wǎng)絡(luò)；
2.將二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中控制器的功能移至域控制器，以支持更高級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)；
同時(shí)不同域之間也會(huì)開(kāi)會(huì)討論功能分配優(yōu)化，看是否需要將功能劃到其他域中去。
從分布式架構(gòu)到域控制器架構(gòu)的過(guò)渡相對(duì)容易，這種升級(jí)通常僅是將部分分散于不同控制器的功能整合到一個(gè)控制器中(圖3)。這些通常在功能域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并進(jìn)行適度更新以使其適應(yīng)新車(chē)型。再下一階段是將域控制器重組為更通用的計(jì)算單元，將大部分功能集中至通用計(jì)算單元，而二級(jí)或者三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的控制器僅作為執(zhí)行器。區(qū)域控制器是根據(jù)車(chē)輛的物理布局將其余功能整合在一起。區(qū)域控制器的實(shí)施通常需要對(duì)軟件和供應(yīng)商交互進(jìn)行很大的更改，這對(duì)汽車(chē)制造商和供應(yīng)商都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
圖3?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)示意圖
在設(shè)計(jì)電子電氣架構(gòu)時(shí)，ISO26262功能安全要求是必須的，分析首先是從整車(chē)層面進(jìn)行功能安全分析，然后再分解到各個(gè)域，以及各控制器，如圖4所示。
| 動(dòng)力域 | 扭矩安全 | 防止整車(chē)出現(xiàn)非預(yù)期加速/減速 |
| 熱安全 | 防止整車(chē)出現(xiàn)過(guò)溫導(dǎo)致起火冒煙 | |
| 高壓安全 | 防止整車(chē)可接觸部分出現(xiàn)非預(yù)期高壓 |
圖4?動(dòng)力域功能安全示例
針對(duì)從整車(chē)層面提出的功能安全需求，其可以通過(guò)多種方式來(lái)滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能安全。其一承載車(chē)輛功能的硬件和軟件平臺(tái)被開(kāi)發(fā)到特定的完整性級(jí)別以支持功能安全。另外是在系統(tǒng)中添加冗余部件。與其增強(qiáng)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)支持 ASIL D 功能，不如使用兩個(gè) ASIL B傳感器將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給 ASIL D 功能?？紤]故障功能行為的需求也在增加，特別是在更高級(jí)別的 ADAS 功能 (L3+) 中，這會(huì)導(dǎo)致更廣泛的系統(tǒng)級(jí)考慮，例如圍繞電力網(wǎng)絡(luò)、通信、處理器、傳感器等，這些額外的冗余層可能包括技術(shù)冗余，如圖5所示。
圖5 傳感器冗余示意圖
雖然功能安全與系統(tǒng)可靠性有關(guān)，但網(wǎng)絡(luò)安全必須考慮對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的惡意攻擊?，F(xiàn)代汽車(chē)存在多個(gè)潛在攻擊面，例如集成的Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、車(chē)載診斷(OBD)、USB及其他連接點(diǎn)都可以提供進(jìn)入車(chē)輛通信系統(tǒng)的潛在路徑。甚至網(wǎng)絡(luò)總線電路也被作為入口點(diǎn)訪問(wèn)。
網(wǎng)絡(luò)安全是通過(guò)分層方法實(shí)現(xiàn)的，在架構(gòu)中的關(guān)鍵點(diǎn)加入安全機(jī)制，包括ECU內(nèi)部和周?chē)挠布Ｗo(hù)，基于軟件的車(chē)內(nèi)保護(hù)，車(chē)內(nèi)車(chē)外的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，以及安全云服務(wù)。從而構(gòu)建安全可靠的電子電氣架構(gòu)，如圖6所示。具體的措施包括分域隔離、引入硬件安全模塊(HSM)、防火墻、入侵檢測(cè)/防御系統(tǒng)(IDS /IPS)等，詳細(xì)介紹可以查閱文章(汽車(chē)E/E架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全分析）。
圖6 網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制
車(chē)輛通常具有多種電源模式和喚醒狀態(tài)。帶有傳統(tǒng)鑰匙的車(chē)輛通常在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)上有四個(gè)位置，轉(zhuǎn)換為 4-6 種動(dòng)力模式，從關(guān)閉和鎖定到啟動(dòng)(如圖7所示)，就喚醒源而言，有插槍充電喚醒、鑰匙喚醒、開(kāi)車(chē)門(mén)喚醒、遠(yuǎn)程喚醒、診斷喚醒等等。對(duì)于電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)而言，需要考慮不同電源模式或者喚醒源的情況下，應(yīng)該喚醒哪些控制器，這里應(yīng)該是最小化原則。比如在充電的場(chǎng)景下，僅需整車(chē)控制器、電池管理系統(tǒng)、DCDC、水泵控制器等處于工作狀態(tài)，而像電機(jī)控制器就無(wú)需喚醒了，這樣一來(lái)可以分區(qū)管理，減少電耗，另外也可以延長(zhǎng)控制器的使用時(shí)間。
圖7 不同電源模式下，不同域的工作情況
另一個(gè)重要的架構(gòu)考慮因素是每個(gè)控制器的處理器、網(wǎng)絡(luò)總線以及網(wǎng)關(guān)的負(fù)載情況。首先說(shuō)一下控制器處理器負(fù)載，這里主要當(dāng)把功能分配給特定的控制器時(shí)，需要考慮這些控制器的處理器是否能夠支撐功能的實(shí)現(xiàn)，通常功能安全的要求是處理器的最高負(fù)載是70~80%左右，假設(shè)100s，也就是說(shuō)處理器有70~80s是在工作的，其余20~30s是空閑的。這樣功能不會(huì)因?yàn)樨?fù)載過(guò)高導(dǎo)致某些低優(yōu)先級(jí)功能卡死，無(wú)法執(zhí)行的情況。
另外網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載也是重要的一方面，隨著功能的逐步增加，總線上交互信號(hào)也會(huì)增加，這樣會(huì)導(dǎo)致總線負(fù)載逐漸增加，在當(dāng)前的架構(gòu)中，很多局域的CAN總線負(fù)載都很高(CAN總線負(fù)載通常任務(wù)是不能大于30%)，必須對(duì)總線進(jìn)行升級(jí)，比如從CAN升級(jí)到CANFD，或者通過(guò)功能整合，減少交互，或者分割網(wǎng)絡(luò)等。
車(chē)輛特性、功能和系統(tǒng)的可重用性現(xiàn)在至關(guān)重要。電子電氣架構(gòu)的優(yōu)化和有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于最大限度地提高可重用性、減少車(chē)輛變體的數(shù)量以及提高按時(shí)交付車(chē)輛的能力至關(guān)重要。
在開(kāi)發(fā)新的或改款車(chē)型時(shí)，控制器的重復(fù)使用受到限制，一部分約束是固定的，比如傳統(tǒng)上，來(lái)自一級(jí)供應(yīng)商的控制器增加功能的范圍有限，除非供應(yīng)商簽訂了開(kāi)發(fā)此類功能的合同。因此汽車(chē)制造商在開(kāi)發(fā)控制器、軟件模型甚至完整軟件方面需要承擔(dān)了更多責(zé)任。當(dāng)前也可以看到大部分汽車(chē)制造商在做控制器的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)，底層和硬件交給供應(yīng)商，不過(guò)現(xiàn)在也有趨勢(shì)汽車(chē)制造商擴(kuò)展到戰(zhàn)略模塊的硬件和芯片設(shè)計(jì)。
在電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，架構(gòu)師需要基于復(fù)用原則來(lái)確定整個(gè)生命周期內(nèi)的功能分配。
開(kāi)發(fā)全新的電子電氣架構(gòu)對(duì)汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)面臨的挑戰(zhàn)多種多樣。E/E 系統(tǒng)架構(gòu)師在開(kāi)發(fā)、更新和優(yōu)化車(chē)輛架構(gòu)時(shí)需要考慮的因素很多，因此有必要借助架構(gòu)設(shè)計(jì)工具來(lái)根據(jù)工程師定義的一組規(guī)則和指南來(lái)規(guī)劃和檢查架構(gòu)，將指標(biāo)可視化。這樣更有利于權(quán)衡拓?fù)渥兓⒐δ芊峙浜托盘?hào)分配等，以便在詳細(xì)設(shè)計(jì)開(kāi)始前對(duì)電子電氣架構(gòu)架構(gòu)進(jìn)行早期優(yōu)化。
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