整车E/E架构现状及趋势——《中国汽车基础软件发展白皮书2.0》解读1

原创 汽车电子与软件 2021-09-28 06:42

背景:


《中国汽车基础软件发展白皮书2.0》由中国汽车工业协会联合中国汽车芯片产业创新战略联盟以及AUTOSEMO组织下的46家成员单位共同编撰。旨在承担中国汽车产业变革中的生态发展任务,结合我国汽车软件产业发展现状,围绕中国汽车基础软件领域中的关键技术和关键标准研究进行深入研讨,知识共享创新实践,构建产业新生态。
2020年发布的1.0版本基础上,本次发布的《中国汽车基础软件发展白皮书2.0》在软件定义汽车发展情况、SOA标准背景与架构、AUTOSEMO Service FrameworkASF)整体框架、ASF团体标准工作组推进计划、软件定义汽车的创新实践、车载智能芯片与基础软件构建智能汽车新生态、AUTOSEMO的标准发展情况以及AUTOSEMO生态体系未来展望等方面进行了深度的解析。


在"软件定义汽车”的时代,电子电气架构作为汽车智能化的基底,目前已经成为智能网联车企的研发重点。受益于硬件架构、软件架构、通讯架构的发展与升级,传统汽车所采用的分布式架构将逐渐地被域集中电子电气架构、车辆集中电子电气架构等取代,未来更会以服务为导向,将更多的功能集成到更高性能的计算单元,催生真正的车载计算平台。

1、软硬件及通讯发展影响E/E架构走向
汽车E/E架构通过整合汽车内各类传感器、处理器、线束连接、电子电气分配系统和软硬件生成的总布置方案,实现整车的功能、计算、运功及能量的分配。其架构的发展的关键变化主要体现于硬件架构升级、软件架构升级、通讯架构升级三个方面。
(1)硬件架构升级
  • 硬件架构可以通过有针对性的增加队列,平衡模块与模块之间的执行速度差异和延时,高效地处理请求。
  • 实现高级自动驾驶,不仅需要多传感器共同感知外部环境,还需要实时监测车内各部运行数据,统一判断并协同执行。半导体作为汽车电气系统中关键器件,近些年大量极为高效的功率半导体推出,为车辆的传感器系统、数据处理系统、车辆执行器系统等领域实现功能提供有效的支持。
(2)软件架构升级
AUTOSAR软件架构的出现摆脱了软硬件高度耦合,提高了系统的整合能力。其分层式架构设计给电子电器架构设计者提供了启发。基于AUTOSAR理念,将整车E/E架构开发划分为需求定义、功能逻辑架构设计、硬件架构设计、架构评估等四个部分。
(3)通讯架构升级
随着智能汽车功能与应用日益复杂化,将出现海量的数据需要实时采集并处理。XML、图像、音频/视频等大量的非结构化数据不再罕见。未来对数据传输要求极高,传统的汽车电子电器架构的LIN/CAN总线将较难满足高速传输的需求。大带宽、高通量、低延迟、易于连接Internet的车载以太网将成为应用于未来智能汽车主干网络。

2、E/E架构现在及未来趋势

传统分布式E/E架构
在传统汽车采用的分布式电子电气架构阶段,车辆各功能受不同且单一的电子控制单元控制。随着配置需求与功能实现方式的增加,导致整车中ECU数量激增。面对这种无限制的扩张,分布式E/E架构很难高效地分配和承载数据网络、电能、控制器等过多的复杂功能,所以其不再是满足现阶段甚至未来智能化汽车所需要的更高算力与更强通讯能力的可拓展性的架构设计。同时,采用的传统E/E架构不能实现整车OTA,,在智能化网联化功能软件出现BUG时,通过召回的方式才能最终解决难题,极大地影响了客户体验。
随着智能汽车的发展,对E/E架构也提出了更高的要求。智能汽车要求E/E架构能够满足高计算性能、高通讯带宽、高功能安全性、高网络安全性、软件持续升级能力等多方面的需求。E/E架构的升级主要体现在3个方面,分别为硬件架构升级、通信架构升级、以及软件架构的升级。

硬件架构升级
(1)硬件架构的升级
现阶段各主机厂规划的E/E架构主要为3种,其分别为集中功能域、跨域融合、整车集中+区域控制,主要区别如下:
1)集中功能域方案:每个功能域设置一个域控制器,域控制器之间通过以太网和CANFD相连。域控制器分为性能型和集中型两类。性能型域控制器:主要指信息娱乐域控制器和自动驾驶域控制器。该域控制器需要处理大量的数据,需要较大的数据处理能力。由于该控制处理数据庞大,域控制器方式相对于分布式架构,实现相同性能下可降低成本。集中式域控制器:主要是指动力总成域、底盘域和车身域的 控制,该部分对算力要求较低,主要涉及的还是控制指令计算和通讯资源。
2)跨域融合方案:为了进一步提升性能,满足协同执行又减少成本,跨域融合集中化方案应用而生,即将两个或者多个集成型域控制器合并为一个域控制器。比如动力域和底盘域的合并、车身域与信息娱乐域的合并。
3)整车集中+区域控制方案:车中只有一个中央计算平台,区域控制器受中央计算平台统一管理。区域控制器以物理区域来定义的控制器,可就近布置线束,减少线束成本。分布式控制器集成,可以减少通信接口;能进一步提升算力利用率、减少算力设计总需求;同时数据能够更好的融合,统一交互,实现整车功能协同。在中间发展阶段,可能会出现由多个计算平台如(3个计算平台)向一个中央计算平台过渡的过程。未来云平台会作为中央计算平台的补充,完成部分实时性要求不高的计算。
各家OEM整体按照E/E架构发展趋势在规划相应的架构,如长城的3.X、4.0和5.0平台架构。
长城各平台架构
(2)通信架构的升级
在传统架构中,ECU主干网络是CAN(FD)O在当前架构中,主干网络采用CANFD和Ethernet双线路。在未来,Ethernet在车内将得到更加广泛的应用。
(3)软件架构升级
架构升级一个十分重要的目的是能支持软件的升级。要求相应的软件架构能够满足:当前架构软件/固件OTA升级、软件架构的实时性、操作系统可移植性。为了满足软件架构升级需求,软件架构引入了SOA架构。在云端、中央计算平台和区域控制器采用符合SOA理念的软件架构,如下图所示。
云端、中央计算平台和区域控制器的SOA理念软件架构
1)Vehicle Computational Layer 整车计算平台层
该层具有如下特点:
•以服务导向
•功能可迁移性强,OEM差异化/品牌印象功能主要体现在该层
•软件可以灵活的升级/更新,更新周期短、更新频率快
2)Vehicle Abstraction Layer 整车抽象层
该层具有如下特点:
•由用于电源和数据分配的区域控制单元组成,分离计算层和嵌入层
•主要集成了驱动控制软件和简单的应用软件
•作为嵌入式软件服务的服务代理
3)嵌入层
该层具有如下特点:
•执行器/传感器特定处理
•静态/长软件更新周期
为了控制依赖关系并以良好的方式构建软件,应该使用分层架构。如下图所示,将硬件逻辑,例如传感器和执行器逻辑(绿色外设)与应用程序逻辑(蓝色主应用程序)分开,以便能够在中央系统中分配应用程序,同时保持传感器/执行器尽可能具体。
分层架构
通过对云端、车内集中中央控制器、区域控制器、以及传统的嵌入式控制器的软件采用符合SOA理念的软件架构理念,按照分层式架构,最终打造车辆的软件生态系统。

域集中E/E架构
为了应对智能化汽车功能和软件复杂度的提升,达到更高级别的安全及反应速度,确保大量的数据及时接收、处理、并发出相应指令,需要对汽车电子电气架构进行重构。域集中电子电气架构将会是未来几年的主流。域将整车划归为不同区,如动力域、车身域、底盘域、娱乐域等。单个控制器相对集中地控制所在域内原本归属各个ECU的功能。减少一个功能、一个“盒子”的分布式E/E架构复杂的布线,建立更加灵活的体系架构。同时,相对于传统分布式架构,域集中E/E架构可实现整车OTA。
汽车电子电气架构正朝着"为智能化体验服务”方向演变。集中式电子电气架构势在必行且需求迫切。在未来集中式E/E架构盛行的时代,将继续以服务为导向,开始跨域融合发展,把更多的功能集成到一个或几个高性能的计算单元,为软件提供高性能实时计算平台。在这样的理念下,催生真正的车载计算平台。
汽车逐渐走向智能化势在必行,越来越多曾经看似难以实现的功能将持续被引入并实现。这也就意味着,作为汽车智能化基底的电子电气架构,在现如今盛行的模块化、集中化架构的基础上,探索执行更加高效的架构来保证未来海量数据的高速吞吐,采集数据的实时处理,跨域数据的无界交互。

特别感谢以下单位及个人:
编写委员会:
任:付炳锋
任:曹斌、孟超、梁伟强、李丹
专家指导且:瞿国春、董扬、许艳华、孟超、梁伟强、李丹、原诚寅、刘明辉、张晓谦、余鹏、耿俊庆
编:曹斌
编:王耀、韩昭、向文玲、耿茗晓、邹广才、仝宗旗
主要撰写单位(排名不分先后):
中国汽车芯片产业创新战略联盟:邹广才
上汽集团零束软件分公司:孙华、李东胜、焦亚峰
苏州挚途科技有限公司:郭立群、郑磊、张红梅
东软睿驰汽车技术(上海)有限公司:李冰、叶鼎、王卢阳、王秋雨、汤旖航、路梦怡
广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院:王文博、马逸行
中国第一汽车股份有限公司智能网联开发院:李超、高仕宁、马菲菲
—汽解放汽车有限公司:王明卿、王聪
长城汽车股份有限公司:李雷、杜建福
广州小鹏汽车科技有限公司:胡绵洲、钟振昌
北京地平线机器人技术研发有限公司:程智锋、陈泽、高智、凌晓峰
国家新能源汽车技术创新中心:李克
紫光国芯微电子股份有限公司:苏琳琳、王庆林、徐敬周、何明
中兴通讯股份有限公司:徐立锋、陈晓、刘东、崔云峰
黑芝麻智能科技有限公司:邓鑒、薛雷
中国汽车工程研究股份有限公司:雷剑梅、陈冬梅、孙前景、刘冲
盖世研究院:王显斌、张志文、韩亦可、王健
上海拿森汽车电子有限公司:陶詰、朱心放、蔡润佳

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如有问题咨询请联系:

邮箱:autosemo-info@caam.org.cn


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