電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)公認的未來發(fā)展方向，而軟件是使能未來汽車“四化”的技術(shù)核心之一。車載軟件將不再僅用于控制機電設備，而將用于實現(xiàn)先進創(chuàng)新功能，包括自動駕駛、網(wǎng)聯(lián)功能和未來出行方式等。
汽車電子電氣架構(gòu)必須支撐未來汽車“四化”和車載軟件的快速發(fā)展，為此必須滿足的基本需求包括高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、高信息安全性、軟件持續(xù)更新等。然而，當前采用的分布式汽車電子電氣架構(gòu)存在計算能力不足、通訊帶寬不足、不便于軟件升級等瓶頸，不能滿足未來需求。汽車電子電氣架構(gòu)將發(fā)生重大革新，基于軟件集中化和域控制器的集中式電子電氣架構(gòu)將成為未來汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展方向。

支持集中式電子電氣架構(gòu)和域控制器的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)具備，包括車規(guī)級微處理器芯片、車載以太網(wǎng)等。領先汽車廠商已經(jīng)在下一代車型中布局集中式電子電氣架構(gòu)和域控制器，以實現(xiàn)汽車“四化”和使能軟件創(chuàng)新。然而在實際應用中，仍然存在域控制器概念不一致，基于域控制器電子電氣架構(gòu)初期成本較高等問題。本文首先闡述集中式電子電氣架構(gòu)的必要性和域控制器概念；其次介紹集中式電子電氣架構(gòu)可行方案；最后介紹聯(lián)合汽車電子有限公司研發(fā)的域控制器產(chǎn)品。

1、集中式汽車電子電氣架構(gòu)和域控制器

1.1集中式電子電氣架構(gòu)的必要性

汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化對汽車電子電氣系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)與需求。汽車電動化引入了電機、電池、電控等電子電氣設備，使系統(tǒng)復雜性上升；在驅(qū)動形式方面，純電動和不同拓撲結(jié)構(gòu)的混合動力共同發(fā)展；以上兩點結(jié)合終端客戶的個性化需求，大幅增加了未來汽車變形開發(fā)需求，汽車企業(yè)需要有效的變形管理，降低變形開發(fā)的成本。汽車智能化面向自動駕駛的實現(xiàn)，攝像頭和雷達等環(huán)境傳感器的信息傳遞需要高通訊帶寬；信息的處理和融合需要較高計算能力；另外，車輛運動控制系統(tǒng)需要跨功能域的總體協(xié)調(diào)控制。汽車網(wǎng)聯(lián)化將使終端客戶對車輛功能的預期發(fā)生改變，更趨向于消費電子的經(jīng)驗，期望快速的功能更新和升級。汽車共享化改變了商業(yè)模式和汽車的擁有模式，運營商需要車隊管理和云端控制，需要智能化的車輛狀態(tài)監(jiān)控和維護，這也需要較高的計算能力。

以上汽車“四化”對汽車電子電氣系統(tǒng)的需求可以總結(jié)為：有效的變形管理，高計算性能，高通訊性能，有效的跨域功能協(xié)調(diào)和軟件持續(xù)更新升級。另外，汽車“四化”的功能很大程度上依靠軟件實現(xiàn)，軟件驅(qū)動創(chuàng)新是未來汽車“四化”的核心。當前汽車采用分布式汽車電子電氣架構(gòu)，如圖1所示，該架構(gòu)在計算性能、通訊帶寬、變形管理和支持跨域功能等方面均存在瓶頸。另外，由于以高度嵌入式控制器為主，硬件與軟件高度集成，在車輛批產(chǎn)后軟件難以升級，較難支持軟件創(chuàng)新。集中式電子電氣架構(gòu)通過域控制器和以太網(wǎng)提供了未來汽車所需的計算能力和通訊能力；將車輛層級軟件集中于域控制器，并標準化高度嵌入式控制器，更好的支持變形管理和跨域功能；由于實現(xiàn)了更好的硬件抽象，該架構(gòu)更好的支持了軟件創(chuàng)新和軟件持續(xù)更新升級。


圖1 分布式電子電氣架構(gòu)與集中式電子電氣架構(gòu)對比

1.2域控制器概念

對于集中化電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢，目前國內(nèi)汽車業(yè)界已經(jīng)基本形成共識，但對于域控制器的概念，目前尚未有一致定義。關(guān)于域控制器概念一般有兩種理解：一種理解是特定功能域內(nèi)高度嵌入式控制器的集成；另一種理解是特定功能域內(nèi)整車層級軟件功能的集中化。我們認為域控制器主要支持特定功能域內(nèi)整車層級軟件的集中化，關(guān)于域內(nèi)高度嵌入式控制器是否與域控制器硬件集成，則應根據(jù)整車譜系的總體電子電氣架構(gòu)需求而設計，主要理由如下：

第一，將整車層級軟件集中于域控制器，減少了協(xié)調(diào)控制各部件所需要的總線信號通訊，有利于跨功能域協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)，避免了未來跨域功能大幅增加可能帶來的系統(tǒng)復雜度失控。

第二，整車層級軟件協(xié)調(diào)控制各部件，實現(xiàn)用戶易感知的車輛層功能，該部分軟件更新和升級需求較多，集中在域控制器中有利于軟件升級管理。并且域控制器內(nèi)可預留計算、存儲和通訊資源，用于在車輛批產(chǎn)后，通過軟件增加車輛功能。

第三，通過高度嵌入式控制器接口的標準化，將其抽象為標準化傳感器或執(zhí)行器，有利于高度嵌入式控制器在車型譜系間的整體重用。域控制器和標準化傳感器、執(zhí)行器控制器的組合實現(xiàn)了更好的硬件抽象，有利于變形管理和部件復用，通過降低變形開發(fā)費用和提高部件安裝率降低成本。

在整車層級軟件集中于域控制器的基礎上，將域內(nèi)高度嵌入式控制器與域控制器硬件集成，可以降低單個控制器的物料成本，然而提高了變形開發(fā)的可能性。因此需要根據(jù)整車譜系的總體電子電氣架構(gòu)需求，根據(jù)裝機量等需求進行總體設計。

2、集中式汽車電子電氣架構(gòu)方案

未來集中式汽車電子電氣架構(gòu)將分為三層，如圖2所示，頂層為云計算服務平臺，中層為車載計算控制平臺（即域控制器），下層為機電一體化的標準化執(zhí)行器、傳感器控制器。業(yè)界一般將汽車電子電氣系統(tǒng)分為五個功能域，分別是動力總成域、底盤域、車身域、信息娛樂域和輔助/自動駕駛域，因此中層的計算與控制包括五個域的主控和以太網(wǎng)通訊、無線通訊共七個元素。根據(jù)這七個元素在具體硬件上的分配以及底層執(zhí)行器、傳感器控制器的具體設計，集中式電子電氣架構(gòu)有不同方案。


圖2 未來汽車電子電氣架構(gòu)構(gòu)成

2.1基于功能域的集中化方案

基于功能域的集中化方案即為每個功能域設置一個域控制器，域控制器之間通過以太網(wǎng)關(guān)進行連接。功能域內(nèi)的車輛層級功能和域內(nèi)頂層協(xié)調(diào)控制功能集中于域控制器中。

域控制器可分為性能型域控制器和集成型域控制器兩種。性能型域控制器具有特定的硬件以支持高性能計算，該特定硬件稱之為硬件加速器。信息娛樂域控制器需要硬件加速器以驅(qū)動顯示，屬于性能型域控制器。自動駕駛域控制器需要硬件加速器進行圖像處理和深度學習計算，也屬于性能型域控制器。由于性能型域控制器是實現(xiàn)特定功能的必備條件，且相對于分布式架構(gòu)，在相同功能情況下可降低成本，所以信息娛樂域和自動駕駛域采用基于功能域的集中化域控制器已成為明顯趨勢。

面向動力總成域、底盤域和車身域的域控制器屬于集成型域控制器，該類域控制器提供通用的計算和通訊資源，以及標準化的軟件創(chuàng)新平臺，相對于性能型域控制器計算能力較低，但靈活性和開放程度較高。集成型域控制器主要為面向智能網(wǎng)聯(lián)的創(chuàng)新型軟件功能提供平臺，支持軟件更新與升級。然而針對動力總成域、底盤域和車身域均設置域控制器的方案，由于域控制器是新增成本，在底層標準化執(zhí)行器、傳感器控制器未通過標準化使成本下降的前提下，整車電子電氣系統(tǒng)物料成本上升，該方案在現(xiàn)階段較難在所有整車企業(yè)推廣。

2.2域融合集中化方案

一種既實現(xiàn)集中化方案，又不導致整車電子電氣系統(tǒng)物料成本大幅增加的方案是域融合集中化方案，即將兩個或多個集成型域控制器合并為一個的方案。根據(jù)域融合的深度，可行的方案如圖3a所示，包括如下：

動力總成域與底盤域融合為車輛運動域控制器。由于動力總成域和底盤域之間存在較多的協(xié)同控制，在智能汽車背景下，未來協(xié)調(diào)控制功能仍將大幅增加。這兩個域的功能安全和信息安全級別要求相似，可以合并到一個域控制器。

更進一步，運動域控制器可與網(wǎng)關(guān)融合，并集成車身域中央控制功能，成為車輛層級的集成型域控制器，或稱車輛計算機。由于相應功能域的安全等級要求不同，此種深程度域融合需要硬件虛擬化技術(shù)支持，以防止不同安全等級功能間的相互影響。

另外，如果 L1和L2駕駛輔助功能成為標準配置，也可融合到車輛運動域控制器中，而非標準配置的高等級自動駕駛采用獨立的域控制器。高等級自動駕駛需要控制器備份功能，在主控制器功能失效時，備份功能仍能保證車輛繼續(xù)安全的自動駕駛一段時間，該備份功能也可融合到運動域控制器中。

由于高級輔助和自動駕駛、軟件無線升級等功能需要域控制器的存在，以上域融合方案在同等功能下較少或沒有增加整車電子電氣系統(tǒng)的成本，是可行的方案。必須說明的是，通過域融合可以降低成本，但過度融合的方案可能并不可行。例如無線通訊和自動駕駛控制器，由于兩者信息安全和功能安全要求差距較大，如沒有合適的技術(shù)方案支持，應避免融合在一個域控制器中。


圖3 具有成本優(yōu)勢的集中化方案

2.3基于區(qū)域控制器和中央計算機的集中化方案

在基于功能域的集中化方案和域融合集中化方案中，位于如圖2底層的控制器采用以功能為導向的高度嵌入式控制器方案。多數(shù)嵌入式控制器仍將作為執(zhí)行器、傳感器控制器的角色繼續(xù)存在與電子電氣架構(gòu)中，其接口將被標準化以實現(xiàn)較好的硬件抽象，通過提高裝機量來降低成本。

區(qū)域控制器是一種新的控制器概念，它不再以功能為導向劃分控制器的邊界，而是以車輛特定物理區(qū)域為導向定義控制器，例如車輛前區(qū)域控制器、左區(qū)域控制器、右區(qū)域控制器，控制和驅(qū)動該區(qū)域內(nèi)的部件。采用區(qū)域控制器可以從兩個方面降低電子電氣架構(gòu)的成本，一是將該區(qū)域內(nèi)的功能型控制器集成入?yún)^(qū)域控制器，二是由于區(qū)域控制器采用就近接線，減少了車輛的線束成本。如圖3b所示，區(qū)域控制器配合中央計算機，在實現(xiàn)集中化需求的同時，可保持整車物料成本平衡。

根據(jù)調(diào)研和分析，我們認為并非所有控制器均適合整合為區(qū)域控制器。適合整合為區(qū)域控制器的功能主要為離散邏輯和非時間敏感功能，例如電源分配、車身控制、熱管理和空調(diào)管理等；不適合整合為區(qū)域控制的功能主要為帶有復雜邏輯或零部件、需要實時控制的功能，例如發(fā)動機管理、電機控制、車輛穩(wěn)定性控制等。關(guān)于中央計算機，根據(jù)2.2中討論，在架構(gòu)中將具有不只一個計算機，如圖3b所示，應當根據(jù)汽車企業(yè)的車型譜系整體設計電子電氣架構(gòu)。

3、域控制器（XCU）產(chǎn)業(yè)化方案

聯(lián)合汽車電子有限公司面向未來集中化電子電氣架構(gòu)，已經(jīng)開發(fā)了擴展型域控制器平臺（XCU: eXtended domain Control Unit），將在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)。XCU適合于未來域（融合）集中化電子電氣架構(gòu)中具有高安全要求的域控制器，同時適合基于區(qū)域控制器和中央計算機的集中化方案中的中央計算機方案。

目前正在研發(fā)的XCU8.0控制器軟硬件架構(gòu)如圖4所示，產(chǎn)品具有如下技術(shù)參數(shù)：

采用雙核心設計，包括高性能車用多核微處理器芯片(MPU)和高安全性能微控制器芯片（MCU），將計算性能提高到10~28kDMIPS的同時，具有滿足ASIL D功能安全等級的能力。
搭載車規(guī)級以太網(wǎng)芯片，支持多路CAN/CANFD通訊接口。
MPU采用遵循AUTOSAR Adaptive標準的開放式軟件平臺；MCU采用遵循AUTOSAR Classic標準的軟件平臺，支持集成安全控制功能。

支持先進車用信息技術(shù)和ASIL D功能安全等級。


圖4 XCU軟件和硬件架構(gòu)

XCU面向未來汽車電子電氣架構(gòu)而設計，作為高計算性能和安全性能的域控制器平臺，可提供基于IT技術(shù)的、標準化的軟件創(chuàng)新平臺，使能和加速汽車軟件創(chuàng)新，幫助整車客戶實現(xiàn)基于智能網(wǎng)聯(lián)，對車輛和動力系統(tǒng)功能進行全局性優(yōu)化、數(shù)據(jù)利用。XCU提供控制器端信息安全和遠程刷新方案，可支持通過軟件更新和升級，提升車輛性能和終端客戶功能體驗。

4、結(jié)論

為實現(xiàn)汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化，汽車電子電氣架構(gòu)將發(fā)生重大革新，集中化電子電氣架構(gòu)將成為主流解決方案。在未來汽車電子電氣架構(gòu)中，域控制器作為整車層級軟件功能集成平臺，主要面向整車層級軟件的集中化和支持智能網(wǎng)聯(lián)軟件創(chuàng)新。在實現(xiàn)集中化的同時控制電子電氣系統(tǒng)成本，域融合架構(gòu)方案、基于區(qū)域控制器和中央計算機的方案是可行方案。面向未來汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展，聯(lián)合汽車電子有限公司開發(fā)了擴展型域控制器平臺XCU，并將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可為客戶實現(xiàn)汽車“四化”提供助力。