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

  ●汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢如何影響EE架構(gòu)

  ●EE 架構(gòu)概念

  ●EE架構(gòu)演變趨勢及其對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響

  ●英飛凌針對當(dāng)前和未來 EE 架構(gòu)提供的解決方案

  家庭期望汽車功能多樣、互聯(lián)、可擴(kuò)展，OEM制造商也調(diào)整了他們的產(chǎn)品和解決方案。事實(shí)上，汽車的功能是一系列性能和服務(wù)的集合。它正朝著服務(wù)架構(gòu)、互聯(lián)、可擴(kuò)展和更先進(jìn)的功能發(fā)展，使軟件越來越重要。“軟件定義汽車”影響整個產(chǎn)業(yè)鏈。上下游供應(yīng)商也在改變其商業(yè)模式，例如傳統(tǒng)的傳統(tǒng)商業(yè)模式。Tier一大廠聯(lián)合軟件巨頭開發(fā)了汽車與云無縫連接的渠道。

  EE 架構(gòu)演進(jìn)的主要驅(qū)動力和趨勢

  上述變化怎樣推動著新電子電氣架構(gòu)的發(fā)展呢?首先讓我們看看推動 EE 架構(gòu)演進(jìn)的主要驅(qū)動力和趨勢。

  新功能意味著更復(fù)雜、更多的功能、更多的線束和更多的節(jié)點(diǎn)，而現(xiàn)有解決方案已無法應(yīng)對。

  此外，安全和安防需求大幅增加。聯(lián)網(wǎng)需要頂級的安防機(jī)制，需在汽車的整個生命周期內(nèi)不斷填補(bǔ)新出現(xiàn)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(jìn)程中，我們需要具有部分功能冗余的高可靠系統(tǒng)，這也是現(xiàn)代和高級駕駛輔助系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)銷商處完成升級越來越不現(xiàn)實(shí)，在使用汽車時(shí)也應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，并且必須限制其功耗，因?yàn)樾略龉δ懿豢娠@著影響電動汽車的續(xù)航里程。

  傳統(tǒng)汽車架構(gòu)

  為了理解該架構(gòu)轉(zhuǎn)變，首先我們來看看傳統(tǒng)的汽車架構(gòu)。傳統(tǒng)汽車采用分布式ECU 架構(gòu)，各個功能由很多單一的ECU提供硬件-軟件解決方案。例如，發(fā)動機(jī)、變速箱、空調(diào)、座椅、儀表盤或信息娛樂系統(tǒng)都有各自專用的 ECU。整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈都是在為支持這種架構(gòu)而運(yùn)作。通常，中低檔汽車有幾十個 ECU，而高檔汽車則多達(dá)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(tǒng))，通過 CAN、LIN 或 FlexRay? 等傳統(tǒng)總線系統(tǒng)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(fā)生在車身和動力系統(tǒng)應(yīng)用中。傳感器和執(zhí)行器直接連接到ECU，域之間的交互則通過強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

  現(xiàn)代化汽車架構(gòu)

  現(xiàn)代化的汽車架構(gòu)更為分層。中央計(jì)算機(jī)在性能上達(dá)到了新的水平，能支持面向服務(wù)的新架構(gòu)。中間層在新架構(gòu)中也扮演著重要角色——它匯集了各種功能并將執(zhí)行過程轉(zhuǎn)變?yōu)榛谲浖慕鉀Q方案。下層則是傳統(tǒng)架構(gòu)向現(xiàn)代架構(gòu)過渡的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)功能集成和服務(wù)導(dǎo)向，該架構(gòu)需要傳感器和執(zhí)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(wèi)星實(shí)現(xiàn)這些功能。

  分層架構(gòu)的主要優(yōu)勢是：

  ●高性能計(jì)算集群

  ●各種應(yīng)用程序的功能集成

  ●通過總線連接訪問傳感器和執(zhí)行器

  ●應(yīng)用軟件與硬件解耦

  在輔助駕駛或自動駕駛中，該架構(gòu)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(qū)動程序。功能和特性不僅可在訂購新車時(shí)選擇，汽車制造商將在汽車的整個生命周期內(nèi)為客戶提供“按需功能”。車主可以動態(tài)訂購增強(qiáng)功能，例如更多的發(fā)動機(jī)功率或電驅(qū)動功率、增強(qiáng)的停車功能、先進(jìn)的照明、更好的音質(zhì)、舒適的座椅調(diào)節(jié)和其他功能。這些功能可在特定時(shí)間段內(nèi)僅訂購一次，或從某個時(shí)間點(diǎn)開始作為可靠功能長期訂購。

  讓我們來看看EE架構(gòu)概念及其對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響。下圖顯示了現(xiàn)代化汽車分層架構(gòu)。中央計(jì)算和功能集成部分結(jié)合在domain controller(域控制器)中?！坝颉比匀慌c舊架構(gòu)中的相同，且與 OEM 當(dāng)前開發(fā)的架構(gòu)相匹配，并反映了汽車對功能域的劃分。

  在這種架構(gòu)中，域之間的交互仍然需要一個高性能的網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)可能包含與 OEM 汽車云進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，因此可被認(rèn)為是“連接網(wǎng)關(guān)”，需要保護(hù)和安全通信這些特殊需求。下一層的傳感器和執(zhí)行器包含智能解決方案，例如機(jī)電一體化執(zhí)行器或總線連接傳感器以及傳統(tǒng)的 ECU。

  這種架構(gòu)可以有多種稍有差異的不同結(jié)構(gòu)。它可以包括強(qiáng)大的中央汽車計(jì)算機(jī)，用于物理域和虛擬域之間的計(jì)算和數(shù)據(jù)交換。虛擬化有助于合理地構(gòu)建各種功能。然而，這種高度依賴中央網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)仍然非常復(fù)雜，缺乏靈活性。

  Zonal架構(gòu)

  因此，汽車行業(yè)正在評估一種更激進(jìn)的替代架構(gòu)，即zonal架構(gòu)(區(qū)域架構(gòu))，從而產(chǎn)生完全不同的功能劃分。在該架構(gòu)中，ECU 分類從功能域轉(zhuǎn)移到車內(nèi)的局部位置：左、右、引擎蓋下、尾部或后備箱。中央車載計(jì)算機(jī)取代了大部分域控制器和中央網(wǎng)關(guān)。這款車載電腦將支持越來越多的功能，是實(shí)現(xiàn)軟件服務(wù)的理想場所。區(qū)域中的控制器確保與傳感器、執(zhí)行器和專用 ECU 的連接。這樣，區(qū)域控制器充當(dāng)本地網(wǎng)關(guān)。

  該架構(gòu)最顯著的優(yōu)勢是可大大減少線束。一項(xiàng)早期研究顯示重量和成本降低了約 30%。如果進(jìn)一步優(yōu)化，還可進(jìn)一步降低。

  從域控制器到區(qū)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(wù)的區(qū)域劃分，主要用于車身舒適功能。ADAS 和信息娛樂等對時(shí)序要求嚴(yán)格且敏感的域不會一開始就分布到不同的區(qū)域。更多的功能會逐步加入到zonal controller中。最終，單個汽車計(jì)算機(jī)可以控制所有汽車功能，而這些功能分布在不同的區(qū)域。

  在這個階段，汽車制造商受益良多，既能節(jié)省線束，又能支持軟件定義汽車。然而，實(shí)現(xiàn)起來卻不容易，因此，很可能需要經(jīng)歷一些中間步驟。

  EE架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響

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

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

  考慮到還有分層架構(gòu)方法，有多種有線通信技術(shù)可以滿足各種需求。在中央計(jì)算機(jī)和域或區(qū)域控制器之間，高速以太網(wǎng)是主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，它基于100Mb/s的以太網(wǎng)，即將升級到 1 Gb/s，且 IEEE 定義的新的多千兆技術(shù)可進(jìn)一步為其做補(bǔ)充。對于高安全性和可靠性的需求，可以添加冗余。

  現(xiàn)在關(guān)于汽車網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星，情況更加分散。仍然有傳統(tǒng)總線系統(tǒng)，如 CAN FD、LIN 和 FlexRay?。這些技術(shù)將保留一段時(shí)間，以確保順利的轉(zhuǎn)型。此外，車輛網(wǎng)絡(luò)也出現(xiàn)了各種新標(biāo)準(zhǔn)。一方面，有多種總線系統(tǒng)能夠以比傳統(tǒng)總線系統(tǒng)更低的成本滿足網(wǎng)絡(luò)需求。另一方面，還有一些新的熱門方案可以實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)速率、更高的可擴(kuò)展性、更好的安全性，且與基于交換拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)以太網(wǎng)(如 100BASE-T1 和 1000BASE-T1)相比，以太網(wǎng)幀的通道有更大的容量。

  10BASE-T1S 是一種成本較低的以太網(wǎng)技術(shù)。它支持多點(diǎn)的總線，其中每個節(jié)點(diǎn)都連接到單根電纜，從而無需交換機(jī)并減少電纜。然而，雷達(dá)傳感器、相機(jī)或顯示器等一些衛(wèi)星需要更高性能的互聯(lián)性，因此必須使用高速以太網(wǎng)或串行器-解串器技術(shù)，也稱為 SerDes。

  所以我們可以看到需要新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。但哪個標(biāo)準(zhǔn)將贏得最多的市場份額?該圖代表最常見的汽車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

  它根據(jù)車輛類型和問世的年份顯示了每種技術(shù)的總數(shù)據(jù)速率。對于新技術(shù)和即將推出的技術(shù)，可以查看預(yù)計(jì)第一輛汽車發(fā)布的時(shí)間。即將推出的最重要技術(shù)是 CAN XL 和 10BASE-T1S，預(yù)計(jì)將在 2025 年或 2026 年推出的新車中實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)化 SerDes 解決方案可能會更早實(shí)施。

  從下圖，您可以看到軟件環(huán)境在各個層級的可行性。

  對于軟件服務(wù)和高性能計(jì)算必不可少的中央計(jì)算機(jī)，自適應(yīng) AUTOSAR 是完美的選擇，即使經(jīng)典的 AUTOSAR 任務(wù)可在虛擬機(jī)中運(yùn)行。域控制器或區(qū)域控制器正在將此類上層軟件橋接到衛(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中。經(jīng)典的 AUTOSAR 很可能會在這些控制器上運(yùn)行，因?yàn)樗钸m合實(shí)時(shí)和嵌入式應(yīng)用程序。多個任務(wù)可能在其他虛擬機(jī)中運(yùn)行，從而使得不同的軟件可由不同的供應(yīng)商提供。

  如果衛(wèi)星系統(tǒng)嵌入在 AUTOSAR 系統(tǒng)架構(gòu)中，它們可能需要支持經(jīng)典的 AUTOSAR。然而，區(qū)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(tǒng)，從而降低硬件成本。

  英飛凌如何看EE架構(gòu)的變革

  最后，讓我們概述一下英飛凌對 EE 架構(gòu)變革的看法。根據(jù)調(diào)查、與 OEM 的討論等，英飛凌分析總結(jié)了EE架構(gòu)的變革過程。

  EE架構(gòu)已經(jīng)在向基于域的架構(gòu)過渡。Zonal架構(gòu)將在幾年內(nèi)推出，與Domain架構(gòu)并存。

  盡管很難預(yù)測這會以多快的速度發(fā)生，但由于Zonal架構(gòu)的優(yōu)勢，它最終將替代Domain架構(gòu)，在未來的車輛中占據(jù)主導(dǎo)地位。

  這種架構(gòu)轉(zhuǎn)變已經(jīng)對OEM工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師產(chǎn)生了影響：

  ●他們更關(guān)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(fù)雜性需要明確的軟件復(fù)用場景。從頭開始為每個新平臺甚至每個車型開發(fā)ECU不現(xiàn)實(shí)。

  ●最后，新架構(gòu)需要標(biāo)準(zhǔn)化和總線連接的傳感器和執(zhí)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(chǎn)品是廣泛應(yīng)用的微控制器。