智能网联汽车发展蒸蒸日上,电子电气架构变革成为必然

    ECU是电子控制器单元,是汽车专用的微机控制器,通过传感器、执行器、总线等对车辆上所有的电子设备和汽车行驶状态进行操控。ECU的数量与车辆功能的复杂度成正比关系,车辆功能越复杂所需的ECU数量就越多。 EEA是电子电气架构,指对汽车的传感器、执行器、ECU、线束、操作系统等整车软硬件进行设计,进而实现车内高效的信号传输、线束布局等效果。电子电气架构是伴随汽车功能的增多而演变。EEA设计需要综合考虑客户功能需求,安装、配件、维护等方面的难易程度和成本,并且需要具备适度的超前性。

EEA进阶路线:架构简化,算力集中

    不同原始设备制造商(OEM)和一级供应商(Tier1)对EEA的进化路线都持有自己的想法,但大致基调为:硬件数量减少,ECU功能简化,算力向中央集中,未来向云端集中。

    我们以博世提出的经典六阶段为例。

    Generation1初始状态呈模块化,即一个ECU只承载一个功能,每个ECU带有嵌入式软件;ECU之间使用总线技术连接,线束布局越复杂成本就越高。

    Generation2分布式呈集成化,即功能集成带来ECU集成,即一个ECU对应多种功能;且ECU多采用单核处理器;这一阶段的ECU数量有所减少,但整车ECU并没有技术突破。

    Generation3为域集中式,"域"是"功能域",OEM和Tier1根据功能将电子控制单元划分为若干个模块,划分的方式各不相同;每个域内的功能以往是由多个ECU负责,现阶段统一由一个域控制器(DCU)主导,DCU具备比普通ECU更强大的算力,搭载多核处理器;域内部仍使用CAN、Flex Ray等常用车载网络,域之间的通信需要引入车辆以太网;大多数车企的新一代EEA处于Generation2与Generation3并存的阶段,常见的形式为搭载自动驾驶域和智能座舱域控制器,其他ECU使用传统架构。

    Generation4实现跨域融合,即用多域控制器(MDC)取代部分DCU,将来自不同功能域的数据整合在同一个控制器内进行融合处理。如自动驾驶需要整合摄像头、GPS、轮速传感器等多域信号。

    Generation5车载电脑和区域架构,"域"是指空间上"区域",即根据汽车的内部空间区域实现划分,该阶段当前只有特斯拉落地,Model3开创此阶段的先河。此阶段的"区域"相比Generation3 的"功能域",大大简化了机械布局的难度和线束长度,不再需要一个线束从车尾拉到车头。ModelS内部线束长度长3千米,而Model3只有1.5千米;另外,形成了车载中央计算机,Model3搭载中央计算模块CCM。算力继续集中到更少数的中央单元,甚至不再需要ECU,未来或只需要功能简单的传感器、执行器等器件。

    Generation6为车-云计算,即算力向云端集中。对于大多数OEM而言,EEA的进化是一个持续的循序渐进的过程,并非跳跃式切换,技术上限决定整车厂目前处于哪个阶段,从静态截面上来看则是多个阶段并存。宝马提出的分层式电子电气架构反映的就是这一理念。

为何分布式转至集中式是必然趋势?

    发展的本质是新事物的产生和旧事物的灭亡。最初,汽车的电子元件数量有限,电子电气架构并不复杂,OEM根据不同Tier1的技术和价格优势分别采购ECM,只需要进行集成、测试和验证,并不需要掌握技术细节和代码。很长一段时间内,OEM的工作只是根据市场需求不断增加ECM和调整线束布局,整车EEA由Tier1配合OEM进行开发,强势的OEM可以向Tier1提出功能导向的要求,其他OEM在ECU设计制造上不具备话语权。

    智能驾驶的势头显现,在分布式的架构下,ECU的数量绝对呈几何式增长,由此将面临巨大的挑战。首先,太多的ECU算力不协调,存在冗余现象;其次,不同Tier1提供大量分离的嵌入式OS和应用程序Firmware,呈现的语言和编程风格迥异,在OTA的规范和升级上难以实现;另外,这种分布式的架构需要大量的内部通信,客观上导致线束成本大幅增加,同时装配难度也加大;最后,第三方的应用开发者无法与这些硬件进行便捷的编程,成为制约软件定义的瓶颈。

    传统汽车电子架构已经跟不上汽车内部电子化渗透的速度,行业正在推动汽车EE架构从分散的ECU向域控制方向转变。同时,软件定义的需求正呼之欲出,汽车亟待一个从机械化到电子化的华丽转身。汽车电子架构朝着算力向中央集中,向云端集中这一趋势愈加明显。

    集中式架构在多方面体现出其独特的优势。首先集中式架构能够简化布线,减轻装配难度,降低车重。线束已经成为全车第三或者第二重的部件,2007年奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度已经超过6km,对应重量超过70千克。如果继续沿用分布式架构,在智能驾驶时代,线束重量可达100千克。

    其次它能够提升算力,减少冗余。将从多个ECU收集的数据放在同一个DCU或者MCU中集中处理,域内主导的DCU或MCU具备比单个ECU更强的算力,其他ECU可以减少对运算资源的浪费。如果说分布式架构是不同神经元单独向其他多个神经元收集与自身相关的信号,独立输出,集中式架构则是一个大脑汇集多个神经元的信号,统一部署。

    另外集中式架构实现OTA。OTA定期通过Wi-Fi网络接收空中软件更新,无需4S店和U盘,迅速响应需求,提升用户体验,减少维护费用和召回成本,使汽车具有电子产品不断更新的体验。 最后它能够软硬件解耦,这也是软件定义汽车的第一步。不管是以特斯拉为代表的封闭式软件生态,还是像比亚迪这样的半开放生态,都将吸引大量开发者,借助第三方的力量发挥其巨大潜力,成为软件定义汽车的繁荣基础。

一、二格局梯队企业纷纷布局,合作氛围越发浓厚

    Generation5的第一梯队。在一部分具有远见的整车厂都还在迈向域集中阶段的时候,"硅谷钢铁侠"特斯拉把EEA直接推向了中央计算器和区域分布阶段。Model3使用CCM(中央计算模块)整合驾驶辅助系统(ADAS)和信息娱乐系统(IVI)两个模块,其他域的功能由左右车身控制模块负责。同样在Generation5努力但尚未有产品落地的还有丰田的Zonal架构、安波福全新智能汽车架构(SVA)、宝马和博世等。

    Generation3&4的第二梯队典型代表有大众MEB平台的E3架构,华为"计算+通信"CC架构,华人运通HOA架构和比亚迪DiLink和Dipilot。它们具有两个明显特征:一是竞争格局正经历洗牌,在EEA这场变革中,给予相关企业的机会是一样的,不论是大众这样的传统巨头,还是华人运通这样的新势力,不论是OEM,还是Tier1。二是参赛者将自己定位成标准平台的供应商。比起传统的控制器,市场对于整套电子电气架构解决方案的需求已经呼之欲出,行业开放合作气氛越发浓烈。

    总的来说,汽车电子电气架构是被定义的一套整合方式,这套架构的发展方向将紧紧围绕更大车联网生态圈进行,以满足未来车联网、万物互联的需求。为打造一个规范、统一的整合平台,这必将使得行业分工配置有所调整,汽车企业和供应商之间的合作模式也随之发生改变。汽车企业会投入更多的人力、物力和财力于全产业链的核心竞争环节,即软件开发环节,软件开发端势必成为各路玩家尽力争取布局的环节。


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