EE架构演变简史

电动汽车和自动驾驶正在重塑汽车行业的未来。车辆本身的特性和客户的期望都发生了变化！与车外世界的互联不再只是高档车的功能，而是全球所有现代化汽车的基本要求。对汽车电子电气架构EE而言，这意味着什么？本文将从以下几方面进行阐述：

• 汽车行业的发展趋势如何影响EE架构

• EE 架构概念

• EE架构演变趋势及其对网络技术的影响

• 英飞凌针对当前和未来 EE 架构提供的解决方案

客户期望汽车的功能是多样、互联且可扩展的， OEM制造厂商也依此而调整其产品和解决方案。汽车的功能其实是一系列功能和服务的集合，它正朝面向服务的架构发展、互连、可扩展以及更多高级功能使软件变得越来越重要，“软件定义汽车”影响着整个产业链。上下游的供应商也在转变其商业模式，例如，传统Tier1大厂联手软件巨头开发一个用于汽车和云端无缝衔接的平台。

EE 架构演进的主要驱动力和趋势

上述变化怎样推动着新电子电气架构的发展呢？首先让我们看看推动 EE 架构演进的主要驱动力和趋势。

新功能意味着更复杂、更多的功能、更多的线束和更多的节点，而现有解决方案已无法应对。

此外，安全和安防需求大幅增加。联网需要顶级的安防机制，需在汽车的整个生命周期内不断填补新出现的安全漏洞。

辅助驾驶和自动驾驶需要更高的安全性和可靠性。在通往自动驾驶的进程中，我们需要具有部分功能冗余的高可靠系统，这也是现代和高级驾驶辅助系统所必需的，且目前已被引入各级汽车平台。随之而来的是系统升级，它需快速而简单。随着OEM 每年推出的车型不断增多，仅在车库或汽车经销商处完成升级越来越不现实，在使用汽车时也应该可以实现升级，例如“软件在线升级”。

所有这些高级功能都需以合理的成本实现，并且必须限制其功耗，因为新增功能不可显著影响电动汽车的续航里程。

传统汽车架构

为了理解该架构转变，首先我们来看看传统的汽车架构。传统汽车采用分布式ECU 架构，各个功能由很多单一的ECU提供硬件-软件解决方案。例如，发动机、变速箱、空调、座椅、仪表盘或信息娱乐系统都有各自专用的 ECU。整个汽车产业链都是在为支持这种架构而运作。通常，中低档汽车有几十个 ECU，而高档汽车则多达一百多个。

这些功能性 ECU 集群组合在一起（如动力、底盘、车身、安全和信息娱乐系统），通过 CAN、LIN 或 FlexRay™ 等传统总线系统连接。有些 OEM 使用更大的 ECU 将某个域的多个功能聚合起来。这主要发生在车身和动力系统应用中。传感器和执行器直接连接到ECU，域之间的交互则通过强大的网关实现。

现代化汽车架构

现代化的汽车架构更为分层。中央计算机在性能上达到了新的水平，能支持面向服务的新架构。中间层在新架构中也扮演着重要角色——它汇集了各种功能并将执行过程转变为基于软件的解决方案。下层则是传统架构向现代架构过渡的重要组成部分。为了实现功能集成和服务导向，该架构需要传感器和执行器，他们需可被各种ECU无障碍访问，且不受限制。可通过智能连接的卫星实现这些功能。

分层架构的主要优势是：

• 高性能计算集群

• 各种应用程序的功能集成

• 通过总线连接访问传感器和执行器

• 应用软件与硬件解耦

在辅助驾驶或自动驾驶中，该架构可更好地支持冗余和故障操作行为。此外，它还支持嵌入式安全，并提供了一种新方法将功能提供给驱动程序。功能和特性不仅可在订购新车时选择，汽车制造商将在汽车的整个生命周期内为客户提供“按需功能”。车主可以动态订购增强功能，例如更多的发动机功率或电驱动功率、增强的停车功能、先进的照明、更好的音质、舒适的座椅调节和其他功能。这些功能可在特定时间段内仅订购一次，或从某个时间点开始作为可靠功能长期订购。

让我们来看看EE架构概念及其对网络技术的影响。下图显示了现代化汽车分层架构。中央计算和功能集成部分结合在domain controller（域控制器）中。“域”仍然与旧架构中的相同，且与 OEM 当前开发的架构相匹配，并反映了汽车对功能域的划分。

在这种架构中，域之间的交互仍然需要一个高性能的网关。该网关可能包含与 OEM 汽车云进行数据交换的功能，因此可被认为是“连接网关”，需要保护和安全通信这些特殊需求。下一层的传感器和执行器包含智能解决方案，例如机电一体化执行器或总线连接传感器以及传统的 ECU。

这种架构可以有多种稍有差异的不同结构。它可以包括强大的中央汽车计算机，用于物理域和虚拟域之间的计算和数据交换。虚拟化有助于合理地构建各种功能。然而，这种高度依赖中央网关的架构仍然非常复杂，缺乏灵活性。

Zonal架构

因此，汽车行业正在评估一种更激进的替代架构，即zonal架构（区域架构），从而产生完全不同的功能划分。在该架构中，ECU 分类从功能域转移到车内的局部位置：左、右、引擎盖下、尾部或后备箱。中央车载计算机取代了大部分域控制器和中央网关。这款车载电脑将支持越来越多的功能，是实现软件服务的理想场所。区域中的控制器确保与传感器、执行器和专用 ECU 的连接。这样，区域控制器充当本地网关。

该架构最显着的优势是可大大减少线束。一项早期研究显示重量和成本降低了约 30%。如果进一步优化，还可进一步降低。

从域控制器到区域控制器没有明显或清晰的过渡。

第一阶段的概念显示了某些任务的区域划分，主要用于车身舒适功能。ADAS 和信息娱乐等对时序要求严格且敏感的域不会一开始就分布到不同的区域。更多的功能会逐步加入到zonal controller中。最终，单个汽车计算机可以控制所有汽车功能，而这些功能分布在不同的区域。

在这个阶段，汽车制造商受益良多，既能节省线束，又能支持软件定义汽车。然而，实现起来却不容易，因此，很可能需要经历一些中间步骤。

EE架构对网络技术的影响

接下来让我们分析负载控制、传感器和区域架构。对于区域架构，需要考虑一个重要的问题：如何将传感器和执行器连接到区域控制器？

基本上，传感器和执行器的完全分散控制需要智能卫星。这将是实现最佳可扩展软件支持的最先进方法，但成本相对较高。部分分散负载控制方法是一个不错的过渡。它部分引入智能卫星，部分仍然直接与区域控制器相连接。虽然它不是那样可扩展，但可以以较低的成本集成到卫星上。

考虑到还有分层架构方法，有多种有线通信技术可以满足各种需求。在中央计算机和域或区域控制器之间，高速以太网是主导的网络技术。目前，它基于100Mb/s的以太网，即将升级到 1 Gb/s，且 IEEE 定义的新的多千兆技术可进一步为其做补充。对于高安全性和可靠性的需求，可以添加冗余。

现在关于汽车网络中的卫星，情况更加分散。仍然有传统总线系统，如 CAN FD、LIN 和 FlexRay™。这些技术将保留一段时间，以确保顺利的转型。此外，车辆网络也出现了各种新标准。一方面，有多种总线系统能够以比传统总线系统更低的成本满足网络需求。另一方面，还有一些新的热门方案可以实现更好的性能/成本比。相较于CAN FD ，CAN XL 功能和性能都得以升级，具有更高的数据速率、更高的可扩展性、更好的安全性，且与基于交换拓扑的传统以太网（如 100BASE-T1 和 1000BASE-T1)相比，以太网帧的通道有更大的容量。

10BASE-T1S 是一种成本较低的以太网技术。它支持多点的总线，其中每个节点都连接到单根电缆，从而无需交换机并减少电缆。然而，雷达传感器、相机或显示器等一些卫星需要更高性能的互联性，因此必须使用高速以太网或串行器-解串器技术，也称为 SerDes。

所以我们可以看到需要新的网络标准。但哪个标准将赢得最多的市场份额？该图代表最常见的汽车车载网络技术。

它根据车辆类型和问世的年份显示了每种技术的总数据速率。对于新技术和即将推出的技术，可以查看预计第一辆汽车发布的时间。即将推出的最重要技术是 CAN XL 和 10BASE-T1S，预计将在 2025 年或 2026 年推出的新车中实施。标准化 SerDes 解决方案可能会更早实施。

从下图，您可以看到软件环境在各个层级的可行性。

对于软件服务和高性能计算必不可少的中央计算机，自适应 AUTOSAR 是完美的选择，即使经典的 AUTOSAR 任务可在虚拟机中运行。域控制器或区域控制器正在将此类上层软件桥接到卫星系统的实时应用程序中。经典的 AUTOSAR 很可能会在这些控制器上运行，因为它最适合实时和嵌入式应用程序。多个任务可能在其他虚拟机中运行，从而使得不同的软件可由不同的供应商提供。

如果卫星系统嵌入在 AUTOSAR 系统架构中，它们可能需要支持经典的 AUTOSAR。然而，区域控制器可以启用具有直接链接和特定功能软件的低成本总线系统，从而降低硬件成本。

英飞凌如何看EE架构的变革

最后，让我们概述一下英飞凌对 EE 架构变革的看法。根据调查、与 OEM 的讨论等，英飞凌分析总结了EE架构的变革过程。

EE架构已经在向基于域的架构过渡。Zonal架构将在几年内推出，与Domain架构并存。

尽管很难预测这会以多快的速度发生，但由于Zonal架构的优势，它最终将替代Domain架构，在未来的车辆中占据主导地位。

这种架构转变已经对OEM工程师和系统设计师产生了影响：

• 他们更关注不同层级的功能集成

• 他们必须考虑安全性和升级功能

• 他们需要停止授予软硬件一体化解决方案，并将它们解耦

• 日益增加的复杂性需要明确的软件复用场景。从头开始为每个新平台甚至每个车型开发ECU不现实。

• 最后，新架构需要标准化和总线连接的传感器和执行器

在这个过渡过程中，英飞凌提供了多种解决方案。最突出的产品是广泛应用的微控制器。

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