汽車電子電氣架構(gòu)的功能架構(gòu)設(shè)計研究

【摘要】隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及軟件定義汽車的發(fā)展，整車功能及電子電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對電子電氣架構(gòu)形態(tài)和開發(fā)流程提出更高的要求。文章基于以功能為導(dǎo)向的電子電氣架構(gòu)正向開發(fā)流程討論功能架構(gòu)的設(shè)計方法，提出電子電氣架構(gòu)中功能架構(gòu)設(shè)計評價方法，為電子電氣架構(gòu)的正向設(shè)計開發(fā)提供指導(dǎo)。

0 引言

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及軟件定義汽車的發(fā)展，汽車功能越來越多，整車電子電氣系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。據(jù)粗略估算，目前中級車型的電子控制模塊可以達到30 個以上，而且這一數(shù)字還在不斷增加。如此龐雜的電子電氣系統(tǒng)對整車布置空間、功能、性能、成本等提出了更復(fù)雜的要求，這些都驅(qū)動著整車電子電氣架構(gòu)不斷的發(fā)展和演進，其發(fā)展路徑從分布式架構(gòu)到域控式架構(gòu)，從跨域融合架構(gòu)到未來的整車集中計算架構(gòu)。

電子電氣架構(gòu)（Electrical and Electronic Archi?tecture，EEA） 形態(tài)的演進打破了傳統(tǒng)軟硬一體的功能分配和開發(fā)方式，零件邊界越來越模糊，軟硬解耦的分層設(shè)計迫切要求以功能為導(dǎo)向的正向開發(fā)流程。本文基于以功能為導(dǎo)向的電子電氣架構(gòu)正向開發(fā)流程，對功能架構(gòu)設(shè)計進行研究，提出功能架構(gòu)設(shè)計和評價方法，并應(yīng)用于實際項目中集中計算架構(gòu)設(shè)計開發(fā)。

1 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程

1.1 電子電氣架構(gòu)發(fā)展

隨著近年智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，目前市場對汽車的使用需求已經(jīng)逐漸走過能用、可靠、可用、易用4 個階段，正逐漸向愉悅階段邁進。未來汽車將聚焦用戶及其使用場景，以體驗愉悅為核心價值，對整車面向服務(wù)的全域電子電氣架構(gòu)設(shè)計提出了新的要求。結(jié)合目前國內(nèi)外汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀，汽車電子電氣架構(gòu)正在從分布式向集中計算式新型電子電氣架構(gòu)演進，如圖1所示。

1.2 電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程

對于分布式電子電氣架構(gòu)，每個控制模塊ECU實現(xiàn)特定的功能，例如：座椅控制器實現(xiàn)座椅控制及調(diào)節(jié)功能，空調(diào)控制器實現(xiàn)空調(diào)控制調(diào)節(jié)功能，尾門控制器實現(xiàn)電動尾門控制等。這種軟硬一體化形態(tài)，采用部件驅(qū)動的開發(fā)方式，清晰明了且容易實現(xiàn)。而新型跨域集中或集中計算式電子電氣架構(gòu)，則打破了傳統(tǒng)軟硬一體化下的清晰零件邊界。

在此架構(gòu)下，某個域控或計算單元能夠集中管控多個不同領(lǐng)域的功能。例如，中央計算單元可以集成座椅控制、空調(diào)控制、自動駐車、自動大燈等功能。這種架構(gòu)形態(tài)，需要遵循以功能為導(dǎo)向、自上而下的開發(fā)流程，如圖2所示。

開發(fā)過程以整車需求為出發(fā)點，圍繞功能展開需求分析、架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計以及零部件的設(shè)計與開發(fā)等工作，從而確保整個電子電氣系統(tǒng)的高效性與兼容性，滿足現(xiàn)代汽車日益復(fù)雜的功能需求和性能要求。

為實現(xiàn)對電子電氣架構(gòu)開發(fā)流程的深度認知與精準把握，需要厘清功能、系統(tǒng)和組件之間的關(guān)系。功能是整車層面的概念，在整車環(huán)境下定義，體現(xiàn)的是用戶-車-環(huán)境之間的關(guān)系，例如智能遠光燈功能；系統(tǒng)是從特定功能需求和管理維度實現(xiàn)一組關(guān)聯(lián)零件組合，其目的是實現(xiàn)既定功能；零件是系統(tǒng)的一個組成部分，可以是輸入、輸出、處理單元硬件或軟件等。系統(tǒng)的設(shè)計需要完整清晰的功能需求輸入，同時系統(tǒng)在進行功能分配時需要了解所關(guān)聯(lián)零件的性能和能力。

2 功能架構(gòu)開發(fā)

功能架構(gòu)（Function Architecture） 是電子電氣架構(gòu)的子架構(gòu)，是在系統(tǒng)層面針對功能需求分析設(shè)計，主要體現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的組成、需求、分配及相互之間的交互關(guān)系。功能架構(gòu)的設(shè)計主要包含功能定義、功能設(shè)計、接口定義及功能分配部署。

2.1 功能需求開發(fā)

功能需求定義指基于場景的用戶需求挖掘分析形成整車功能清單，將整車功能按照一定類別進行分類，并對各功能進行不同層級的拆分，之后對各個子功能邏輯關(guān)系約束定義并轉(zhuǎn)化為工程語言。整車全局功能分為4個層級，見表1。

1） 1 級功能類別如車身控制、駕駛輔助、智能座艙、底盤控制、被動安全等。

2） 2 級主功能如門鎖控制、燈光控制、巡航控制、泊車輔助等。

3） 3 級子功能如車輛解閉鎖、智能遠光燈、自適應(yīng)巡航、自動泊車功能等。

4） 4 級功能場景定義主要針對每個3 級功能，從人-車-環(huán)境的角度，細化分解具體的應(yīng)用場景。

以智能遠光燈功能為例，包括屏幕軟開關(guān)設(shè)置、硬開關(guān)開閉、前方車輛觸發(fā)、環(huán)境光觸發(fā)、車速限值觸發(fā)5個應(yīng)用場景。

2.2 功能架構(gòu)設(shè)計

功能架構(gòu)設(shè)計指根據(jù)功能需求定義分解相應(yīng)的功能模塊，并對各功能模塊的實現(xiàn)方案、輸入輸出接口定義和交互方式進行設(shè)計。以智能遠光燈功能為例，其包含5 個功能模塊：①軟開關(guān)設(shè)置智能遠光功能；②硬開關(guān)功能開閉；③前方車輛觸發(fā)智能遠光功能；④環(huán)境光觸發(fā)智能遠光功能；⑤車速觸發(fā)智能遠光功能。

智能遠光燈功能架構(gòu)方案設(shè)計如圖3 所示，涉及燈光控制、智能行車、智駕交互、制動控制、顯示管理、用戶輸入、座艙用戶交互7個子系統(tǒng)。

2.3 功能分配部署

功能分配部署指在功能設(shè)計完成后，針對功能方案中輸入、輸出及處理模塊等所有組合元素映射到物理架構(gòu)的部署分配。針對不同的架構(gòu)方案和物理架構(gòu)方案，相同功能的功能部署方案不盡相同，部署示意如圖4所示。

3 功能架構(gòu)方案評估

針對同一功能需求，不同設(shè)計人員、物理架構(gòu)或其他約束因素可能存在不同的功能架構(gòu)方案，因此，分析對比這些方案以選出最優(yōu)解，是架構(gòu)設(shè)計過程中經(jīng)常面臨的課題。本文從實際車型電子電氣架構(gòu)開發(fā)，總結(jié)出一套功能架構(gòu)方案的評估方法。

評估方法主要從以下維度進行分析評估，詳見表2。各維度的評估權(quán)重能夠依據(jù)不同主機廠的戰(zhàn)略方向以及具體車型的特定需求予以靈活設(shè)定。比如，當(dāng)某一功能架構(gòu)所服務(wù)的車型定位為中低端市場時，如成本、物理部件硬件資源等維度的權(quán)重占比會被設(shè)置得較大。

以智能遠光燈功能架構(gòu)方案為例，存在方案A和方案B兩種設(shè)計思路。

1） 方案A：智能遠光燈設(shè)置、功能激活判斷及顯示邏輯部署在智駕控制模塊。

2） 方案B：智能遠光燈設(shè)置、功能激活判斷及顯示邏輯部署在中央域控模塊。

按照表2評估維度和指標(biāo)，依據(jù)10分值原則對兩種方案進行量化評估，其評估對比如圖5 所示，從量化對比結(jié)果可以得出方案A優(yōu)于方案B。

4 結(jié) ?論

本文借助理論闡釋與實例論證相結(jié)合的方式，清晰地闡述了智能網(wǎng)聯(lián)汽車新型電子電氣架構(gòu)在正向開發(fā)進程中功能架構(gòu)的設(shè)計流程與評估方法。通過構(gòu)建一套科學(xué)、合理且系統(tǒng)的電子電氣功能架構(gòu)方案的分析評估機制，有力地推動了架構(gòu)的持續(xù)迭代與優(yōu)化升級，這對于新型電子電氣架構(gòu)設(shè)計與開發(fā)工作而言，具備至關(guān)重要的指導(dǎo)價值與實踐意義。未來，隨著智能座艙和高階智駕的發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)會加速向集中計算式架構(gòu)演進，在這一趨勢下，如何設(shè)計及優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計將是一個廣泛應(yīng)用的課題。