随著(zhΩλ₹€e)汽車(chē)智能(néng)化(huà)、網聯化(huà)技(j÷↔ì)術(shù)不(bù)斷發展，傳統電(diàn™®)子(zǐ)電(diàn)氣架構已難以滿足面向未來(lái)的(de)車≤®(chē)路(lù)雲網一(yī)體(tǐ)化(huà)發展新需求。本文(wén≤"↓)中聚焦面向未來(lái)的(de)智能(néng)網聯汽車&$&&(chē)多(duō)域電(diàn)子(zǐ)電(dià γ£↓n)氣架構，分(fēn)别從(cóng)總體(tǐ)設計(jì)、₩δ硬件(jiàn)系統、通(tōng)信系統和(hé)軟件↑>Ω(jiàn)系統4個(gè)方面對(duì)現(xiàβ σ∞n)有(yǒu)技(jì)術(shù)進行(xíng)了(lΩ>φ£e)詳細的(de)綜述并對(duì)我國(guó)電π₹&(diàn)子(zǐ)電(diàn)氣架構的(de)發展進行(xíng§♠♣€)展望。本文(wén)可(kě)對(duì)汽車(chē)電(diàn)子(zǐ)電(®®®diàn)氣架構技(jì)術(shù)研究提供重要(yào)<✔&的(de)參考價值。

前言

       随著(zhe)車(chē)輛(liàng)電® (diàn)氣化(huà)與智能(néng)化(huà)的(de)ε¥↕≤長(cháng)足發展，汽車(chē)工(gōng)業(∏∏yè)與移動計(jì)算(suàn)、泛在車(chē)聯、人(&↓rén)工(gōng)智能(néng)等ICT 技(jì)術(shù)深度融合加速，引發了(‍↓♣δle)汽車(chē)數(shù)字化(huà)以及軟件(jiàn)定義汽車(ch ←÷ē)的(de)新浪潮，孕育了(le)“人¥₽₩σ(rén)-車(chē)-路(lù)-雲-網‌≥•¶”一(yī)體(tǐ)化(huà)運行(xíng)的(de)新一(yī)代智​¶✔能(néng)交通(tōng)系統，有(yǒu)望極大(dà)地(dì♥™&)提升未來(lái)交通(tōng)系統的(de)運✔σ力、能(néng)效、安全與駕乘體(tǐ)驗［1］&nbs¥≈<p;。智能(néng)網聯汽車(chē)（intelligent connecte✘↔d vehicle， ICV）已經成為(wèi)“人(rén)-車(chσ ε‌ē)-路(lù)-雲-網”一(yī)體(tǐ)化(huà)系™αδ↔統中汽車(chē)産業(yè)升級的(d←σ★αe)必然趨勢［2］ 。ICV 配備了(le)智能(néng)感知(z&γhī)系統、智能(néng)決策控制(zhì)系統和∑≈γ(hé)智能(néng)執行(xíng)系統，與通(tōng)信網絡、人≈×&β(rén)工(gōng)智能(néng)緊密結合，可(kě)實現(xiàn)車(chē)輛(li "€δàng)與多(duō)領域（車(chē)輛(liàng)、道(dào)路(lù)‌®₽™、行(xíng)人(rén)、雲等）間(jiān↓δ)的(de)信息交互［3］ 。ICV 是(shì)汽車(chē)由傳統<≤運輸工(gōng)具向新一(yī)代智能(néng)終端的(de)轉型的πα‍→(de)物(wù)理(lǐ)載體(tǐ)，對(duì)汽π★→車(chē)電(diàn)子(zǐ)電(diàn)氣架♣"♦£構（electrical/electronic architecture，後文(wé♣♣∑n)簡稱E/E 架構）的(de)基礎設計(jì)理(lǐ)論和(hé)方法提出了(σ₽₽le)新挑戰和(hé)新要(yào)求，催生(shπ™ēng)了(le)E/E 架構技(jì)術(shù)的(de)≠¶‌新變革。E/E 架構技(jì)術(shù)作(zuò)為(wèi)ICV 系統設計(jì)技(εα≠jì)術(shù)之一(yī)，對(duì)整₩≠¶₹車(chē)軟硬件(jiàn)系統集成、功能(nén↓₹g)實現(xiàn)、開(kāi)發成本以及車(chē)輛(liàng)綜合性能(néng)有"∑&(yǒu)著(zhe)決定性的(de)影(yǐng)響［4］ 。

      &nbs✔ '÷p;汽車(chē)E/E 架構定義為(wèi)實現(xiàn)整車(chē)功能(néng)的(d σ​λe)汽車(chē)電(diàn)子(zǐ)電(diàn)氣組件(jiàn)的(de)組φ♦織結構及其軟硬件(jiàn)系統，強調各組件(jiàn)之間(jiān)以及組件(jiàn)Ω∏$與整車(chē)環境之間(jiān)的(de)相> ♣(xiàng)互作(zuò)用(yòng)和(hé)相(xiàng φ£)互依賴關系，以及指導設計(jì)和(hé)演變的(de)原則。作(zuò)為(wèi)ICV€β 系統本身(shēn)及功能(néng)構成的(de)頂層設計(jì)，現(x≈₩↓♥iàn)有(yǒu)E/E 架構存在何種不(bù)足、未來(lái)E/E架¥®構應該如(rú)何設計(jì)才能(néng)滿足ICV的(de∏≥♠)未來(lái)複雜(zá)需求和(hé)适應新技(jì)術(shù)趨勢是(β₽↓shì)汽車(chē)領域關注的(de)重σ&要(yào)問(wèn)題。目前已有(yǒu)∞∏衆多(duō)學者對(duì)此展開(kāi)了(le)深入研究¥↑±。Jiang 等［5］ 研究了(le)E/E 架構'₹的(de)演變趨勢，討(tǎo)論了(le→α)電(diàn)氣化(huà)、自(zì)動駕駛和(hé)連接功能(néng)對(duì)E/☆πE 架構的(de)影(yǐng)響，提出了(le)E/E 架構設計(★​•εjì)的(de)指導方針、內(nèi)容和(hé)實↕↕₽'施過程。Navale 等［6］ 討(tǎo)論了(le)自→±(zì)動駕駛和(hé)網絡安全等功能(★εε<néng)日(rì)益增加導緻車(chē)載通(tōΩ‍ng)信網絡、供電(diàn)系統、硬件(jiàn)連接、安全方面的(dπ♣™e)E/E架構變革以及現(xiàn)有(yǒu)E/E架構瓶頸，主要(yào)是(shì)通( ↑•↓tōng)信帶寬和(hé)V2X 通(tōng)信能(né↔™ng)力、不(bù)同需求靈活配置性、算(suàn)力可(kě)擴展性及可(kě)行(xíng↔λ&✘)性。Bandur等［7］ 分(fēn)析了(le)傳統分(fēn)布式架構 ↔"的(de)優缺點，從(cóng)汽車(chē)功能(néng)的<÷(de)可(kě)擴展性、架構通(tōng)信性能(néng)、成本和(hé)₩✘ 功能(néng)安全等方面論述了(le)E/E 架構由分(fēn)布式向集中式演γ∞≤¶進的(de)趨勢。Zeng等［8］ 對(duì×εβ)車(chē)載通(tōng)信網絡架構展開(kāi)研究，從(cóng)系↑✔統成本、傳輸能(néng)力和(hé)容錯(cuò)性等≥Ω₩對(duì)LIN、CAN、FlexRay、Ethernet 和(hé)MOST 多→‍'≈(duō)種車(chē)載通(tōng)信協議(yì)對(duì)比分(fēn)析。•≥Zhu 等［9］ 基于需求驅動分(€±×♣fēn)析了(le)E/E 架構的(de‍φ)演變過程，展示了(le)當前先進的(de)E/E 架構，包括網絡拓撲、通§₽(tōng)信标準、操作(zuò)系統以及仿真平台，提出基于軟件(jiàn)定義的(de)分(f•≤¶ēn)層可(kě)重構定制(zhì)的(de)E/>∞E 架構的(de)趨勢。崔明(míng)陽等［10］ 提出δ€×ICV的(de)架構要(yào)從(cóng)新概念車(chē)輛(₽®liàng)平台架構和(hé)與車(chē)路(lù)雲融合系統架↕π‍λ構多(duō)維考慮，不(bù)僅要(yào)優化 × <(huà)自(zì)車(chē)架構功能(néng)，更要(yào)滿足架構共用(yòλ ¥ng)、信息融合與控制(zhì)協同的(de)要(yào)求。總的(de)來 <(lái)說(shuō)，電(diàn)氣化(huà)、智能(néng)化(huà)、網聯化(hu<£φà)技(jì)術(shù)快(kuài)速發展與應用(yòng)催生(shēng)的(de)汽車↑∑→​(chē)功能(néng)多(duō)元化(huà)、定制(zhβ βì)化(huà)需求是(shì)E/E 架構升級₩$的(de)源動力，也(yě)是(shì)當前架構設計(↑λ≤αjì)面臨的(de)新挑戰。

       綜合來(lái)看(kàn)，ICV的(de®Ω)E/E架構設計(jì)技(jì)術(shù)亟須突破以下(xià)挑戰：（1）在'≠總體(tǐ)架構設計(jì)上(shàng)，現(xiàn)有(y××φǒu)基于經驗的(de)設計(jì)流程難以支撐全開(kāi)發周期高↔σ(gāo)精度設計(jì)，構建基于模型的(de)設計(jì)理(lǐ)論和(hé)評估體(tǐ)$Ω∞系，以多(duō)元化(huà)需求為(wèi)導向，強化(huà)÷☆架構軟硬綜合匹配、功能(néng)安全、數(shù)據安全、信息安全設計(jì)。（2）在硬件<φ φ(jiàn)系統設計(jì)上(shàng)，結α≤合車(chē)輛(liàng)功能(néng)設計(jì)ICV 專∑ ₽ 用(yòng)智能(néng)控制(zhì)器(qì)，實現(xiàn)提算(suàn)↕β力、降能(néng)耗；優化(huà)電(diàn)源系統與線束系統設計♥‍ππ(jì)理(lǐ)念，降低(dī)整車(chē)成本與質量。（3）在通(tōng)信系統設計("±↓jì)上(shàng)，現(xiàn)有(yǒu)通(tōng)信機(jī)制(zhì)難以适λ ‌應暴漲的(de)數(shù)據傳輸需求，亟須設計(jì)高(gāo₽→‌)帶寬、強實時(shí)、低(dī)時(shí)延抖動的(de)車(chē)載通(tōnε >±g)信機(jī)制(zhì)，強化(huà)通(tōng)信↑γ₽≤網絡的(de)可(kě)配置性和(hé)多(duō)通(tōng)信協議(yì)的(™πγde)可(kě)擴展性。（4）在軟件(j☆δ♥iàn)系統設計(jì)上(shàng)，軟件(jiàn∑₩ε&)功能(néng)的(de)差異化(huà)和 ↓'₽(hé)快(kuài)速叠代将成為(wèi)核心競争力。軟件(jiàn)定義汽車( 'ε£chē)（software defined vehicle， SDV）與±↕ 基于服務（service-oriented architect₽®≠ure， SOA）的(de)軟件(jiàn)設計(jì)理(lǐ)念成為(wèi)♥↕∞系統軟件(jiàn)設計(jì)的(de)基石，設計(jì)可(kě)解耦、可(kě)升級★↑↑、易配置、高(gāo)安全、個(gè)性化(huà)的(de)軟件(jiàn)λΩ≥将成為(wèi)整車(chē)企業(yè)角力的(de)主戰場(chǎng)。上(s¥↑™hàng)述挑戰形成了(le)E/E 架構技(jì)術(shù)發展的(de​'£)重大(dà)需求牽引，如(rú)何引導E/E 架構技∑→•(jì)術(shù)進一(yī)步發展叠代是(shì)ICV 架構設計(jì)亟須解決✘→"的(de)重大(dà)問(wèn)題。本文(wén)在充分(fēn)綜合大(₹✔★×dà)量國(guó)內(nèi)外(wài)文(wén)™β 獻的(de)基礎上(shàng)，從(cóng)總體(tǐ)架構設計(jì)、硬§≠♣件(jiàn)系統、通(tōng)信系統及軟件(jiàn♥✔"€)系統4 個(gè)角度對(duì)ICV 多(duō)域E/E 架構研究的(de)關鍵技(‌‍jì)術(shù)進行(xíng)研究分(fēn)析，并展望未來(lái)發展趨勢。

1 多(duō)域電(diàn)子(zǐ)電(diàn)Ω‍×氣架構技(jì)術(shù)現(xiàn)狀

       按照(zhào)算(suàn)力'"≠γ集中程度，本文(wén)将E/E 架構劃分(fēn)為(wèi)分(fēn)布式 §架構、域集中式架構和(hé)中央集中式架構，各架構特點論述如∑♥(rú)下(xià)。

      &n≈←bsp;1.1 分(fēn)布式架構

       分(fēn)布式E/E 架構主‌λ"∑要(yào)根據汽車(chē)功能(néng)劃分(fēn)為(wèi)不(♦♥​bù)同的(de)控制(zhì)器(qì)網段。每個(gè)電(d≥λ ₩iàn)子(zǐ)控制(zhì)單元（electronic control unit，ECU<‌∑Ω）的(de)設計(jì)都(dōu)基于特定功能(•β‌néng)需求展開(kāi)的(de)，ECU之間(jiān)主要(yà ¥o)通(tōng)過CAN 總線傳遞彼此間(jiān)的(de)信息，以此來(l±λ↑ái)實現(xiàn)整車(chē)的(de)功能(né★™ $ng)，典型的(de)硬件(jiàn)拓撲如(rú)圖★₩> 1 所示。在該架構中，單一(yī)ECU 隻負責單€α∏→一(yī)功能(néng)的(de)實現(xiàn® )，一(yī)輛(liàng)車(chē)往往分(fēn)布著(zhe)上(shàng)百個$♠σγ(gè)ECU，各個(gè)ECU 不(bù)但(dàn)直接驅動執行(xíng)器(qì)和 ©&∏(hé)傳感器(qì)，而且承擔了(le)業✘✘©​(yè)務功能(néng)的(de)複雜(zá)控制(zhì)邏輯。該架構的↑λ(de)軟硬件(jiàn)緊密耦合，每擴展一(yī)個(gè)功能(néng)，¥±很(hěn)大(dà)程度上(shàng)就(jiù)需要(yào)增加相(xiàng)應的('♠​de)ECU 和(hé)通(tōng)信信号。由于ECU 擴展計(jì)算(s"®"uàn)能(néng)力不(bù)足、通(tōng)信帶寬較受限、功能(néng)升級困≠≈難等問(wèn)題，制(zhì)約架構升級、影(yǐng)響汽車(chē)安全性能(néng)的•♠(de)瓶頸效應明(míng)顯。此外(wài)，↑±π随著(zhe)ECU 部署增多(duō)，車(chē)內(nèi)的(de)線束★≤π也(yě)會(huì)随之延長(cháng)，不(bù)僅增加了(le)整車¶ (chē)質量和(hé)成本，同時(shí)也(yě)給整車(chē)布置π‍α及裝配帶來(lái)了(le)很(hěn)大(dà)的(£">λde)困擾。

圖1 分(fēn)布式架構

       1.2 域集中式架構

       随著(zhe)高(gāo)算(s¥≈uàn)力芯片低(dī)成本大(dà)帶寬的(de)車(chē)載以太網的(☆γπ≈de)應用(yòng)，域集中架構的(de)出現(xiàn)逐漸擺脫了(le)分(fēn₽¥®)布式架構在安全性、可(kě)擴展性等方面的(de)困境。域集中架構的(de)基本<★←思路(lù)是(shì)根據功能(néng)将多(duō)個(gè)ECU 的↕↕(de)功能(néng)進行(xíng)聚類，整車(chē)隻部署©σ≥∏幾個(gè)域控制(zhì)器(qì)（domain control unit←↔§₽， DCU）主控。典型的(de)基于中央網關的(de)域集中架構如≠₩(rú)圖2所示，該架構各DCU 負責完成各域的(de)∏$×$數(shù)據處理(lǐ)與功能(néng)決策，對(duì)該域下(xià)屬的(de) ¥∏傳感器(qì)與執行(xíng)器(qì)進行(xíng)控制(zhì)管理(lǐ)≈•↕₽。域間(jiān)通(tōng)過中央網關交換所需數(shù)據，這(zhè)α↓種架構形式不(bù)僅保證了(le)域間(ji Ωān)可(kě)以根據需求進行(xíng)通(tōng)信和(hé)互操作(zuò)，同時δ α‍(shí)也(yě)實現(xiàn)了(le)信息安全與功能≈$π(néng)安全。

圖2 域集中式架構

       >←與傳統ECU 相(xiàng)比，DCU 具有(yǒu)強大(dà)的(d&✘e)硬件(jiàn)計(jì)算(suà≈×n)能(néng)力和(hé)豐富的(de)軟件(jiàn)接口支持，使得(de)更多(duō)核<εγ¶心功能(néng)模塊集中于DCU 內(nèi)，域內(nèi)算(suàn)÷∏≤力集中，提高(gāo)了(le)系統功能(né∞"ng)集成度。單個(gè)ECU 的(de)作(zu±•ò)用(yòng)弱化(huà)，複雜(zá)的(de)數(>₽shù)據處理(lǐ)和(hé)控制(zhì)功能(néng)被統一(yī)安排在DCU 中，E"≥♦CU 逐步退化(huà)為(wèi)DCU命令的(dσ↔ δe)執行(xíng)器(qì)。在通(tōng)信方面，以太網成為(wèi)域間(¥λδjiān)通(tōng)信的(de)骨幹網，通(§★tōng)信速率得(de)以顯著提升。得(de)益于軟硬件(jiàn)解耦、接♠$<口标準化(huà)以及信訊性能(néng)升級，↕∏♠§域集中架構是(shì)架構設計(jì)思想由信号驅動模式£'®↕轉向為(wèi)SOA 模式的(de)分(fēn)水(shuǐ)嶺。在域集中¶≤ε架構中軟件(jiàn)與硬件(jiàn)具備分(fēn)層解耦可(kě)行(xíng)性，∞σ∑✔系統耦合度降低(dī)，軟件(jiàn)的(de)遠(yuǎn)< >§程升級（OTA）與硬件(jiàn)部署更加便捷，同時(shí)标準化(huà)接口也(βδ≤yě)使得(de)傳感器(qì)與執行(xíng)器(qì)模塊無須與具體(tǐ)ECU ‍ γ相(xiàng)對(duì)應，從(cóng)λ™​而支持零部件(jiàn)标準化(huà)生(shēng)産。

       1.3 中央集中式架構

       為(wèi)進₩✘ε©一(yī)步降低(dī)車(chē)內(nèi)結構連接的(de)複雜(zá)度，提∑★高(gāo)算(suàn)力的(de)利用(yòng)☆☆ π率，降低(dī)器(qì)件(jiàn)的(de)綜合成本，提高(gāo)₩♠®π冗餘安全性，中央集中式架構将域集中架構中的(de)多(duō)個(gè)DCU 進≥©一(yī)步的(de)融合，形成一(yī)個(gè)或多(duō)個(gè)擁有(y>×ǒu)算(suàn)力更強的(de)多(duō)核異構SoC 芯片以及多(d←≈γ"uō)種操作(zuò)系統組合的(de)中央計(jì)算(suàn)平台（centr∑→♥$al computing platform， CCP）。&€σ車(chē)載傳感器(qì)與執行(xíng)器(♥≤qì)等不(bù)再按照(zhào)功能(néng)去(qù)部署，而™₽是(shì)按照(zhào)物(wù)理(lǐ)位置劃分(fēn)就(jiù)近¶£(jìn)接入區(qū)域控制(zhì)器(qì)（zonal control ᶮunit，ZCU）。中央集中架構典型的(de)拓撲如(r‌± ú)圖3 和(hé)圖4 所示。在該架構中，各采β•集、執行(xíng)節點将原始數(shù)據通(tōng)過ZCU 傳輸到(dào)多π≤  (duō)個(gè)或一(yī)個(gè)CCP ∞σ中處理(lǐ)，所有(yǒu)數(shù)'÷≠©據處理(lǐ)與決策都(dōu)在CCP ∑≤★‍中完成。ZCU 更多(duō)地(dì)承擔數(shù)• 據采集、通(tōng)信協議(yì)轉化(huà)與數(shù)據傳₩&輸等功能(néng)。多(duō)個(gè)π£≈•ZCU 之間(jiān)通(tōng)過以太網組成環形網絡，進一(yī)步提>♠高(gāo)了(le)通(tōng)信冗餘及可(λ✔©kě)靠性。按照(zhào)區(qū)域進行(xí>σng)傳感器(qì)與執行(xíng)器(qì)的(de)就¥≠(jiù)近(jìn)接入簡化(huà)了(le)≈↔構型布置，縮短(duǎn)了(le)線束長(cháng)度。如(rú)圖 4 ♥γ¶所示，架構将整車(chē)控制(zhì)計(jì)算(suàn)功能(néng)全部集中到(㧙dào)一(yī)個(gè)CCP中，但(dàn)是(shì)從(cóng)目前的‌≠✔ε(de)技(jì)術(shù)能(néng)力來(lái)看(kàn)，圖3 ≤≠₽所代表的(de)多(duō)CCP 架構，<× "從(cóng)硬件(jiàn)設計(jì)、軟件(jiàn)開(kāi)發以及安全冗餘都(±←©&dōu)比單CCP要(yào)求更低(dī)，是(shì)當前架構的(φ' ♦de)主流方案。

圖3 多(duō)中央計(jì)算(suàn)單元的♣'(de)中央集中式架構

圖4 單中央計(jì)算(suàn)單元的Ω​∑(de)中央集中式架構

       綜合來(lái)看(kàn)，E/E<​→¥ 架構實現(xiàn)分(fēn)布式架構→域集中式架構→中央集中式架構發展帶來(lái)了(l♣σe)以下(xià)優勢：

     （1）算(suàn)力集中化(huà)，算(suàn)力利≤↑♥π用(yòng)率更高(gāo)。汽車(chē)在實際運行(xíng)過程α×中，大(dà)部分(fēn)時(shí)間(jiān)僅部分( ​fēn)芯片執行(xíng)計(jì)算(s≥£↕ uàn)工(gōng)作(zuò)，導緻分(fēn)散的(de)各個(gè∏ε)獨立功能(néng)的(de)ECU 運算(suàn)處理 €≠®(lǐ)能(néng)力處于閑置中，采用(yòng)計(jì)算(suàn)集中架構方式，可(↔∑kě)以在綜合情況下(xià)，最大(dà)化(∑Ωhuà)利用(yòng)處理(lǐ)器(qì)‌ ✔₩算(suàn)力。

     （2）統一(yī)交互，實現(xiàn)整車&≤×±(chē)功能(néng)協同。傳統分(fēn)布式架構從(cóng)執行(xíng)器(qì→')、傳感器(qì)、控制(zhì)器(qì)、軟件(jiàn)算(suàn)法等都(dōγ‌u)是(shì)緊耦合設計(jì)，造成跨部件(jiàn)跨ECU 級特性設計(jì)和(hé)開 ∞∏(kāi)發效率低(dī)、升級困難等問(wèn)題。集中式架構（後文(¥↔©wén)代指域集中式架構和(hé)中央集中式架構）為(wèi)軟硬件(jiàn)解耦提供基↔​♥礎，減少(shǎo)ECU 數(shù)量，實現(xiàn)真正意義上(shàng)的(de)$•‌整車(chē)級特性開(kāi)發，便于快(kuài)速叠代和(hé)上( πshàng)市(shì)，大(dà)幅降低♥ε"≠(dī)開(kāi)發和(hé)升級成本。

     （3）∑®¶©縮短(duǎn)整車(chē)線束長(cháng)度和(hé)質量，降低(dī)Ω™故障率。傳統分(fēn)布式ECU 造成線束較長(cháng)☆↔、錯(cuò)綜複雜(zá)以及導緻電(di↔‌αβàn)磁幹擾，故障率較高(gāo)。集中式架構實現(xiàn)執行(x×απ€íng)器(qì)、傳感器(qì)等部件(jiàn)區(qū)域★∑∑接入，縮短(duǎn)線束長(cháng)度、降低(dīγγ)整車(chē)質量。

     （4）σσ為(wèi)軟硬件(jiàn)解耦奠定基礎，支撐軟件(jiàn)定義汽車(chē$¶)。分(fēn)布式軟硬件(jiàn)緊密耦合而難$§以解耦，集中式架構實現(xiàn)了(le)功能(néng)和(hé)算(suàn)力的(de)‌÷¥ε集中，為(wèi)軟硬解耦、軟件(jiàn)分(fēn)層提供了(le)條件(jiàn)。£Ω（5）車(chē)輛(liàng)易于平台化(huà)，擴↕•£‌展性增強。集中式架構下(xià)ECU 的(de)功能(néng)被弱化♠•(huà)，傳感器(qì)和(hé)執行(xíng)器(qì)接口實現(xiàn)标準化(huà↔≥≠)和(hé)通(tōng)用(yòng)化(huà)，域控制(zhì)器(qì)和(hé)區÷→(qū)域控制(zhì)器(qì)可(kě)根據需求調整γ&​配置以匹配不(bù)同的(de)傳感器(qì)和(hé)執行(xíng)‍©♠₽器(qì)方案。

2 多(duō)域電(diàn)子(zǐ)電(diàn)氣架構總體(tǐ σ)設計(jì)技(jì)術(shù)

       2.1 架構總體(tǐ)設計(jì)的(de)主要(yào<←'™)任務

       ​δ♦;傳統汽車(chē)E/E 架構設計(jì)主要(yào)是(sh₹∞'¥ì)對(duì)E/E 元器(qì)件(jiàn)進行(xíng)合理(l₽↑₹<ǐ)的(de)排布以達到(dào)性能(néng)最優、成本最低(d≥‌ī)［11］ ，而多(duō)域E/E 架構不(bù)僅要(yào≠δ≤π)滿足傳統目标，還(hái)須成為(wèi)智能(néng)網聯汽車(chē±→✔")軟硬件(jiàn)搭載的(de)基礎設施、汽車≤©≠↔(chē)系統功能(néng)與性能(néng)的(de)支撐載體(©✘tǐ)。ICV 多(duō)域E/E 架構設計(jì)的(✔‌&™de)主要(yào)任務包括：

     （1）根據車(chē)輛(liànφ&φ>g)功能(néng)需求合理(lǐ)劃分(fēn)各子(zǐ)系統功能 ∏♠₹(néng)，明(míng)确功能(néng)邏輯連接關系，實現(xiàn)軟硬件(jiàn)♠£≠↑映射。

     （2）權衡功能(nénΩλ£‌g)交互、成本、供配電(diàn)等因素設計(jì)硬件(jiàn)空(€<↓kōng)間(jiān)拓撲、連接拓撲和(hé)通(tōng)信拓撲。∑≥<

     §★（3）形成集成控制(zhì)器(qì)、傳感器(qì)、處理(lǐ)ε×☆器(qì)、線束、功能(néng)軟件(j♥​ £iàn)等軟硬件(jiàn)的(de)多(duō)維度整車(ch≈δ ē)系統設計(jì)方案。

     （α‌∞4）最終降低(dī)系統重複性，提高(gāo)系統∑'¥σ可(kě)驗證性、高(gāo)集成性、高(gāo)安全性與可(★§€γkě)擴展性。

       2.2 架構總體(tǐ)設計(j₩✔‌←ì)與評估方法

       ↓ ;ICV 功能(néng)配置的(de)複雜(zá)性與多(duō)樣性引發了(le)E/π€E 架構設計(jì)理(lǐ)論與方法的(de)相(xiàδ×←☆ng)應變革。目前基于模型（model based sysφβ✘∑tems engineering，MBSE）的(de)汽車 '(chē)E/E架構設計(jì)開(kāi)發方法逐步引起重視(shì)。MBSE 從(cóng)E/E 架構設計(jì)伊始即以模型的(de‍$¶•)形式進行(xíng)表達，對(duì)各複雜€©>€(zá)系統的(de)需求、結構與行(xíng)為(&'wèi)等進行(xíng)基于圖的(de)無二義性說(shuō)明(míng)、分(fēn)析、設計(jì)等，從(cóng)✔™®而在相(xiàng)關設計(jì)人(rén)員(yuán)間≤>∏α(jiān)建立統一(yī)的(de)交流平台。MBSE 方法可(kě)解決整車(chē)E/E 架構研發過程中的(de)工(gōng)程數(±¶♣←shù)據不(bù)一(yī)緻性、可(kě)驗證性、可(kě)追溯性等問(wèn)題，♦σ降低(dī)整車(chē)産品開(kāi)發難度、盡早發現(xiàn)和(✘∏$hé)避免潛在風(fēng)險，進而提升開↑×✘(kāi)發效率和(hé)降低(dī)開(kāi)發成本以及後期維護成₹φ ε本。圖5 為(wèi)基于MBSE 的(de)汽車(chē)E/E 架構V 字型λ™←設計(jì)開(kāi)發流程。

圖5 V字型設計(jì)開(kāi)發流程

      E/E 架構設計(jì→¶)是(shì)整車(chē)設計(jì)核心任務之一( <↓yī)，E/E 架構評估是(shì)架構方案再≤ ≤>優化(huà)的(de)直接參考依據。綜合目前E/E 架構的(de)主流開(kāi)發₩™σ≈設計(jì)流程及面向ICV 的(de)E/E架構需求∏♣•，确定多(duō)域E/E 架構總體(tǐ)設計(jì← )重點內(nèi)容主要(yào)包括以下(xià)5 個(gè)方面：架構需求♣¶¶<定義、架構功能(néng)設計(jì)、架構拓撲設計(jì)、架構₹π↕系統設計(jì)、架構分(fēn)析評估。

     &↕ 2.2.1 架構需求定義

      無論是(shì)傳統還(hái)是(shì)多(↓σβduō)域E/E 架構開(kāi)發，都(dōu)必須從(cóng) •✘市(shì)場(chǎng)需求角度出發'₽，進行(xíng)全面的(de)需求分(fēn)析。基于分(fēn)析評估，架構需求定義需要(yào)确定功能(nén±φ∑g)方案實現(xiàn)的(de)目标，制(<£∏zhì)定開(kāi)發車(chē)型的™<(de)整車(chē)需求，明(míng)确整車(c∏‍hē)系統及各個(gè)子(zǐ)系統的(de)需求，并同時(shí)制(zh↑♣₹ì)定出整車(chē)驗證測試規範［12］ 。分(fēn)析開(kāi)發需求的(de)最終目的(de)是(shì)确定系統的(de)內(n§₽ ‌èi)部框架，滿足外(wài)部系統需求，歸納出汽車(chē)>∑φ•電(diàn)子(zǐ)系統必須實現(xiàn≠∞‍)的(de)功能(néng)與非功能(néng)需求。¶× ♠通(tōng)過需求分(fēn)析，識别出開(kāi)發目标和(hé)開(kāi)發☆±<約束，是(shì)整個(gè)架構設計(jì)的(de)起點'÷€［13］ 。

      2.2.2 架構功♠₩γ☆能(néng)設計(jì)

      根據架構的(de)需求定義完成架構的(de)總體(tǐ)$₩¶功能(néng)設計(jì)。為(wèi)降低(dī©↔§​)E/E 架構的(de)複雜(zá)性，對(duì)總體(tα>₩♥ǐ)功能(néng)進行(xíng)細分(fēn)切割，£¥∞≠對(duì)軟硬件(jiàn)進行(xíng)解耦。常用(yò☆​™↓ng)的(de)功能(néng)設計(jì)方法首先将整車(♣ < chē)功能(néng)劃分(fēn)為(wèi)一(y<δ ī)級功能(néng)域級别，再對(duì)功σ♠能(néng)域進行(xíng)詳細的(de)二級​÷$≈功能(néng)劃分(fēn)，以實現(xiàn)将二級網絡中控制(zhì)器(qì)的(de)功✔∞能(néng)移至域控制(zhì)器(qì) ♠∑，為(wèi)後續高(gāo)級的(de)功能(nénλ±€‌g)落地(dì)提供基礎，支持更高(gāo)級的(de)功★÷能(néng)實現(xiàn)［14］ 。功能(néng)架構設計(jì)♠≈↓​階段須完成初版網絡拓撲、電(diàn)子(z≥¶Ω↓ǐ)電(diàn)氣方案、子(zǐ)系統技(jì)術(shù)規範、功能(néng)方¶£β©案等設計(jì)工(gōng)作(zuò)。

      2.2.3 架構拓撲設計(jì)

      根據架構功能(néng)，提取架構的(de)基≈÷本拓撲結構，具體(tǐ)包括硬件(jiàn)拓撲架構、連接拓撲架構、通€φ(tōng)信拓撲架構。通(tōng)過對(duì)拓撲架構細化(h✘Ω£uà)優化(huà)，輸出最優拓撲方案，≥<→為(wèi)其他(tā)設計(jì)部門(mén)進♦α行(xíng)軟硬件(jiàn)開(kāi)發提供設計(jì)規範。硬件(jiα∏¶♥àn)拓撲架構主要(yào)涉及硬件(jiàn)部件(j∑ ÷♣iàn)的(de)整車(chē)安裝布局、內(nèi)部構成及其對(duì)外(÷≠♥₹wài)接口的(de)詳細信息，包括部件(jiàn)與其它部件(jiàn)的(de)組合關系， ✔以及部件(jiàn)的(de)內(nèi)部細節。連接拓‌λ撲架構描述了(le)各部件(jiàn)之間(jiān)¥®✔的(de)邏輯連接方式及實現(xiàn)情況，包括具體(tǐ)©±βε的(de)導線、線纜連接方式、保險繼電(diàn)器(qì)盒的(de)內(nèi)部結構等。通¥∑(tōng)信拓撲基于域間(jiān)/域內(nèi)不(bù)同通(t↔₹ōng)信需求，完成通(tōng)信組網以及協議(yì)确定。✘'∞

      2.2.4 架構系統設計(jì)

      根據上(shàng)述階段制(zhì)定的(deδ÷ε)電(diàn)源分(fēn)配圖、接地(dì)點、整車(chē)P‌₹γ↓lanview 以及供應商提供的(de)接口控制(zhì)文(wén)件(j¥©<iàn)，架構系統設計(jì)須完成整車(chē)原理(lǐ)、接口定義及δβ功能(néng)規範設計(jì)，并搭建整∑↕體(tǐ)架構模型。通(tōng)過拓撲層信息、已有(yǒu)開(kāi)發數(←→✘×shù)據庫、經驗輸入等條件(jiàn)的(de)支撐，實現π÷<(xiàn)正确的(de)邏輯和(hé)算(suàn)法定義。完成系統級E/E 架構的(de)解決→↔方案制(zhì)定和(hé)系統級驗證測試規範制(z↓βhì)定。最終實現(xiàn)功能(néng)下(xià)發，更新到(dào♠→€‌)産品部件(jiàn)設計(jì)中加以落實和(hé)驗證［1↓$φ←5］ 。

      2.2.5 架構分(fēn)析評估

      傳♥✘'₩統的(de)E/E 架構在裝車(chē)前實現(xiàn)整車(chē)仿真較難，多(duō)數©π&(shù)隻完成部件(jiàn)級仿真。随著(zhe)RTφ♠aW［16］ 、CANoe［17］和(hé)VEOS［18］&↑₹∑nbsp;等架構評估商業(yè)化(huà)軟件(jiàn)的(de)發展，業(yè)界已經逐步γ•‍€使用(yòng)更加全面的(de)架構仿真評估軟件(jiàn)進行(xα ♥Ωíng)功能(néng)、通(tōng)信、安全等方面的(de)叠®φ代驗證與優化(huà)［19］ 。

      多(duō)域E​λ/E 架構的(de)分(fēn)析評估，除硬件(jià§→& n)成本、開(kāi)發成本、生(shēng)産成本、保修成本、車(ch©λ  ē)輛(liàng)性能(néng)燃油$>π→經濟性、質量等傳統目标外(wài)，還(hái)需要(yào)關注以下(xià)新問​↕Ωφ(wèn)題：

    （1）是(shì)否滿足用(yòng)戶個(gè)性化(huàβ®✔ )需求及未來(lái)可(kě)能(néng)的(de)需求變化(huà)，主εβ要(yào)在于能(néng)夠滿足自(zì)動駕駛L3 等級及以上(shàng)車(chē)∞‍™輛(liàng)架構需求變化(huà)。

    （2）平台是(shì)否具有(yǒu)良好(hǎo)的(de)×ε↓沿用(yòng)性以及平台公用(yòng)性，能(néng)否滿足πλ✘高(gāo)等級自(zì)動駕駛和(hé)智能(néng)網聯的(de)基本技(j₹≤ì)術(shù)需求，具有(yǒu)超前的(de)技(jì)術(shù)‌≠§‍先進性［20］ 。

3 多(duō)域電(diàn)子(zǐ)電(diàn)氣架構的(de)硬件(ji←∞àn)系統

      3.1 功₹±能(néng)域控制(zhì)器(qì)及關鍵技(jì→★₽)術(shù)

      為(wèi)了(le)≠₩減少(shǎo)總線長(cháng)度與ECU 數(shù)量，以達到(d$♥≠₹ào)減輕電(diàn)子(zǐ)部件(jiàn)質量、降低(dī)整車(chē)制•♣(zhì)造成本的(de)目的(de)，将分(fēn)散的™Ω(de)ECU按照(zhào)功能(néng)劃£Ω分(fēn)，集成為(wèi)運算(suàn)能(n  ₽éng)力更強、接口更為(wèi)豐富的(de)DCU。現(₹↑≠xiàn)有(yǒu)技(jì)術(shù)方∑ ♦案通(tōng)常将整車(chē)劃分(fēn)為(wèi)車(chē)控域、智駕域★₩​®和(hé)座艙域。車(chē)控域控制(zhì)♣♠±器(qì)負責整車(chē)動力系統控制(zhì ε)、底盤系統控制(zhì)以及車(chē)身(shēn)系統控制(zhì)。智駕域控β∞制(zhì)器(qì)配置豐富的(de)接口以滿足多(duō)種類傳感器(qì)信号的(§¥≈♣de)采集，集成高(gāo)算(suàn)力異構計(jì)γ​算(suàn)平台以支撐複雜(zá)的(de)傳₹"©₹感器(qì)數(shù)據融合算(suàn)法，γ®結合高(gāo)精地(dì)圖和(hé)導航等信息進行(xíng)環境識别、路(l ‍ù)徑規劃，并輸出整車(chē)控制(zhì)指令，從( ≈•✔cóng)而實現(xiàn)更高(gāo)級别的(de)智能(néng)駕駛功能(nγ&₽"éng)［21］ 。典型的(de)自(zì)駕域控制(zhì)器(₩×♠qì)如(rú)圖6 所示，計(jì)算©σ (suàn)平台上(shàng)集成有(y'σǒu)通(tōng)用(yòng)計(jì)算(suàn)單元、AI計(jì∞→σ)算(suàn)單元、實時(shí)控制(zhì)單元以及多(duō)種接口。

圖6 智駕域控制(zhì)器(qì)功能(néng)示意圖

      座艙域控制(zhì)器(qì)通(tōng)常集成≤δ了(le)全液晶儀表、擡頭顯示器(qì)、流媒體(tǐ)後視(shì)鏡、座艙娛樂(yu✔≤$♥è)系統、車(chē)聯網以及遠(yuǎn)程信息等，同時(s<εεhí)也(yě)是(shì)人(rén)與車(chē)技(jì)系統交互的(de)接口［2¶α2］ 。智能(néng)座艙域控制(zhì)器(qì)須具備強大(d×"à)的(de)處理(lǐ)能(néng)力以及複雜(zá)的(de)操作(zuò)系統，由主控芯±¥片、實時(shí)微(wēi)處理(lǐ)器(qì)、‌™數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)、CAN、¥β€以太網口等組成，典型功能(néng)如(rú)圖7所示。

圖7 智能(néng)座艙域控制(zhì)器(qì)功能(néng)示意圖

      3.∞∑2 區(qū)域控制(zhì)器(qì)及關鍵技(jì)術(shù)

      ZCU 主要×>>(yào)有(yǒu)區(qū)域數(shù)據中心、區(qū)域IO 中心以及區(qū)​÷™™域配電(diàn)中心3 大(dà)功能(néng)，如(rú)圖8 所示♥∑→。作(zuò)為(wèi)區(qū)域數(shù)據中心配備有→‌&(yǒu)ETH、CAN、LIN 等豐富網絡接口，充當區(qū)域網關、交換機(jī)功能♥↕(néng)實現(xiàn)網絡通(tōn♠∏<g)信與路(lù)由。區(qū)域IO 中心支持各類型的(de)傳感器(q∑♠ì)、執行(xíng)器(qì)以及顯示器(qì)接口。ZCU 作(zuò)為(wèi)↔₹區(qū)域配電(diàn)中心負責将電(diàn)力向下∞>↔(xià)輸送到(dào)控制(zhì)器δ$¥(qì)、執行(xíng)器(qì)等用(yòng)電(dγ∞iàn)設備，現(xiàn)階段趨向于用(yòng)電(diàn)子(zǐ)保險絲（eFuse）≈₽替代傳統的(de)繼電(diàn)器(qì)加熔斷絲的(de)方案¥♦₩，以實現(xiàn)智能(néng)管理(lǐ)。同時(shí)ZCU 具備吸收區±≤><(qū)內(nèi)其他(tā)ECU功能(néng)的(de)能(‍♠néng)力，将區(qū)內(nèi)的 γ(de)功能(néng)在服務層面進行(xíng)抽象，控制(zhì)I/O虛拟化(huà)。因涉§×及到(dào)對(duì)安全性、實時(shí)性以及可(kě)靠性要(yào)求較高(gāo)®→≤‌車(chē)控功能(néng)，ZCU 主‌×控芯片一(yī)般會(huì)配備ASIL-D的(de)MCU >‌♦，後續發展有(yǒu)引入高(gāo)算(suàn)力計(jì)算(suàn)單元的(d ≥≈e)趨勢［23］ 。

圖8 區(qū)域控制(zhì)器(qì)功能(néng)示意圖

      3.3™β 中央計(jì)算(suàn)單元及關鍵技(jì)術(s≤≥ $hù)

      中央計(jì)算(su‌®àn)單元的(de)核心定位提供足夠的(de)算÷✘(suàn)力以支撐智能(néng)駕駛和(hé)智能(néng)座艙相(xiànλ×g)關的(de)業(yè)務邏輯，同時(shí)須具高(gāo)帶寬低(dī)時(s♣ ★←hí)延的(de)通(tōng)信能(néng)力支撐與區(qū)域控制(zhì)器(qì)之間♣ ★(jiān)的(de)數(shù)據交換，并且具備網聯功能(néng)，連接到(dào)車(ch₹∑δē)端和(hé)雲端［24］ 。中央計(jì)算(suàn)單元硬件(jiàn)¶→>層面上(shàng)大(dà)多(duō)會(huì)采用(yòng)多(duō) ©"←顆異構多(duō)核SoC 芯片，芯片間(jiān)采用(yòng)高(gāo)速串行(xíng)₹←₹δ通(tōng)信或者PCIe。其中SoC 芯片架構主要(yào)有(yǒu)硬件(jiàn)隔離(l☆‌βí)式和(hé)軟件(jiàn)隔離(lí)¥¥式兩種形态，均是(shì)采用(yòng)虛拟化(huà)方案同時(sh∑α÷♣í)運行(xíng)多(duō)個(gè)操作☆←¥(zuò)系統。硬件(jiàn)隔離(lí)式是(shì)在軟件(jiàn)設計(jì₹Ω)階段劃定各個(gè)核心運行(xíng)的(de)操作(zuò)系統， ®∑各個(gè)系統依然在硬件(jiàn)上(shàng)進行(xíng)隔離(lí)，擁有(yǒuπ±)專屬硬件(jiàn)資源；而軟件(jiàn)虛拟式中操作(zuò)系統沒有Ωπ©±(yǒu)專屬的(de)硬件(jiàn)資源，硬件(jiàn)資源由Hypervi ±≥sor層動态調配。

      3.4↕γ 電(diàn)源系統及關鍵技(jì)術(shù)

      随著(zhe)整車(chē)電(diàn)氣±♦±負載的(de)增加、電(diàn)氣架構的(de)發展、半導體(tǐ)技•β♥(jì)術(shù)的(de)突破，電(diàn)源∏εδ‍系統設計(jì)已從(cóng)電(diàn)源部件(jiàn)的(de™λ™≈)組合轉型為(wèi)電(diàn)源網絡的(de)系統設計(jì)和(hé)電(diàn)源¶♦網絡的(de)控制(zhì)設計(jì)。傳統車(chē)載電(diàn)源系統多(duō)采用(yòng)中央電(diàn) ₽氣盒的(de)方案，電(diàn)路(lù)的(de)控制(zhì)與保護采用(yòng ₩)繼電(diàn)器(qì)與熔斷器(qβ×₽→ì)，存在繼電(diàn)器(qì)燒蝕以及熔斷器(qì)損≠∑→毀後無法再利用(yòng)的(de)問(wèn)題。現(xiàn)階段電(diàn)源系統主要(yào)技(jì)術(shù)路(lù)線← 是(shì)保護和(hé)控制(zhì)的(de)融合，使用(yòng)∞‍≈ 基于MOSFET 的(de)eFuse 進行(xíng)配電(diàn)［25］ 。單個(gè)芯片集成驅動、電(diàn)流檢測≤ε、熱(rè)保護、過壓保護、過流保護、EMC以及開(kāi)路(lù)短(duǎn)路(‌∞£‍lù)等各種診斷。

      3£≤§×.5 線束系統及關鍵技(jì)術(shù)

      線束對(duì)整車(chē)電‍∞©(diàn)器(qì)電(diàn)子(zǐ)功能(néng)的(de)實現Ω✔β♣(xiàn)起著(zhe)至關重要(yào)的(de)作(zuò)用(yòng)，也(yě)是®‍φ‌(shì)架構優化(huà)設計(jì)的(de)研究熱(rè)點。在線束布α↔→$置的(de)總體(tǐ)設計(jì)中要(yàπ♦§o)充分(fēn)考慮各相(xiàng)關的(de)邊界條件(jiàn)，充分(fēn)考慮>™>各相(xiàng)關件(jiàn)對(duì)線束布置可(kě)能(n"€éng)産生(shēng)的(de)影(yǐng)響，并對(duì)相(★λ♠"xiàng)關件(jiàn)的(de)設計(jì)提出相(xiàng)應合÷≤≈理(lǐ)的(de)要(yào)求。陳華夢［26］ 分(fēn)析了(le)"★‍δ汽車(chē)線束的(de)設計(jì)準"¶§‌則，基于數(shù)學層次模型和(hé)優化(huà)模型來(lái)達到(♦‌↕σdào)線束設計(jì)的(de)優化(huà)目的(de)。周濤［27］ 和(Ω hé)鄭繼翔［28］ 提出了(le)基于PREEvisionα♣★β 的(de)線束系統開(kāi)發方法，設定了(le)線束回路(lù)數≥♠‌≠(shù)、平均線徑、質量、成本、總線負載率、可(kě)擴展≤§性和(hé)可(kě)靠性等方面的(de)評估标準，對(duì)線束系統進行(xíng)全÷‍面評估。目前線束系統的(de)設計(jì₽←)趨向于成熟化(huà)、全面化(huà)，基于PREE♣ε✘εvision 軟件(jiàn)展開(kāi)的(de)多(duō)維度、多(↑∏duō)目标線束建模、設計(jì)、評估和(hé)優化(h €uà)方法極大(dà)地(dì)簡化(huà)了(le)線束系統的(de)設計(jì)過程₽€，提高(gāo)了(le)設計(jì)效率，提升了(le)設計(jì)效果。&™

轉自(zì)智能(néng)汽車(chē)設計(jì)