高惠民(本刊编委会委员)
曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
文/江苏 高惠民
随着汽车“新四化”—电动化、智能化、网联化、共享化的发展，汽车电子化程度大幅提高，甚至不断向车外延伸，给汽车电子电气架构 (Electrical and Electronic Architecture，EEA)的发展带来了前所未有的挑战。汽车正逐渐从传统的代步工具演变为集人、车、环境于一体的移动终端、储能单元和数字空间，为用户提供持续快速的功能升级和定制化服务，这也将逐渐成为汽车品牌间差异的重要体现。因此，面向自动驾驶和网联化应用的下一代汽车，对由计算处理、数据存储、通信交互等组成的系统的架构性能提出了更高的要求。传统分布式EEA采用单一功能控制器的设计思路，来自不同供应商的电子控制单元 (Electronic Control Unit，ECU)的算力不能协同，从而产生冗余，软硬件高度耦合，难以统一进行维护和实现空中下载 (Over The Air，OTA)。同时，ECU数量的爆发式增长使通信复杂度大幅提升，也导致线束成本和整车质量增加。因此，这种架构逐渐难以适应汽车“新四化”的需求。
未来，汽车EEA 的变革性发展势在必行。基于软件集中化和域控制器的集中式电子电气架构将成为未来汽车电子电气架构(EEA)的发展方向。
一、汽车EEA定义
架构的概念最早源于建筑行业，建筑师设计一栋建筑需根据业主的需求和边界条件从不同的角度考虑设计出所需的设计图。设计图抽象地描述了建筑的某一个特定的方面(如几何关系和电气连接)。根据这些所需的设计图便可以建造一栋建筑。后来电气与电子工程协会制定的IEEE 1471-2000 《软件密集型系统体系结构描述推荐规程》 标准中第3.5条款义释了“架构”一词分析：“架构”是用来描述物理功能和信息功能之间的关联以及形式元素之间的分配。结合汽车属性和汽车电气系统的功能及性能，汽车EEA可以定义为：把汽车里的传感器、中央处理器、电子电气分配系统、软件硬件通过技术手段整合在一起。通过这种整合，
可以将动力总成、驱动信息以及娱乐信息等，转化为实际的电源分配的物理布局、信号网络、数据网络、诊断、容错、能量管理等电子电气解决方案。它是整车电子电气系统的顶层设计。如果将汽车比作人体，汽车的机械结构相当于人的骨骼；动力、转向相当于人的四肢；电子电气架构则相当于人的神经系统和大脑，是指挥汽车实现信息交互和复杂操作的关键。
二、汽车EEA的演进
在汽车行业百余年的历史中，当我们把视线聚焦到汽车本身时可以发现，汽车电子电气技术的发展史是一段以电子技术发展为基础，以人们对汽车功能需求的日益增长而发展。其大致可以分为以下四个阶段。
第一个发展阶段：从20世纪50年代中期到70年代中期，这是汽车电子技术发展的起始阶段。在那时，一些汽车厂家开始研发一些单一的电子零部件，用来改善汽车上某些机械部件的性能、以及采用一些简单的电子设备来取代以前的机械部件，如整流器、电压调节器、交流发电机、晶体管无触点点火装置、电子喇叭、数字钟、汽车收音机等都是这一阶段出现的具有代表性的汽车电子装置。
第二个发展阶段：从20世纪70年代末期到80年代初期，以集成电路和16位以下的微处理器在汽车上的应用为标志，主要是开发汽车各系统专用的独立控制部分，电子装置被应用在某些机械装置无法解决的复杂控制功能方面。这期间最具代表性的是电子控制汽油喷射技术的发展和防抱死制动技术的成熟。该阶段涌现的其他汽车电子技术还包括自动门锁、高速警告系统、自动除霜控制、撞车预警传感器、电子正时、电子变速器、闭环排气控制、自动巡航控制、防盗系统等。
第三个发展阶段：从20世纪80年代中期到90年代初期，随着大规模集成电路技术的快速发展和微处理器在控制技术方面的应用，汽车电子技术迅速发展。此阶段主要是开发可以完成各种
功能的综合系统，如集发动机控制与自动变速器控制为一体的动力传动控制系统、制动防抱死系统与驱动防滑转控制系统等。
第四个发展阶段：从20世纪90年代中期后，随着计算机运算速度和存取位数的提高以及车载网络与通信技术的迅速发展，车辆的智能控制和网络控制技术应运而生，它们给汽车赋予了更多的“想象力”。图1展示了车载通信技术的发展。在这一时期，汽车内部的通信和控制基本上采用堆叠模式，多种总线并存，这导致汽车电子电气方面的复杂度不断增加，汽车的生产维护成本也不断增加。
图1 通信系统技术发展
为此2007年，美国汽车零部件供应商德尔福公司首次提出了整车EEA的概念，开始从整车的角度系统地看待车载电子电气部件的通信网络问题。整车EEA的提出，标志着汽车行业对整车电子电气部件及其整体架构的设计开发进入一个全新的阶段。各大汽车制造厂商在车型平台化的开发理念下，基于各自产品定位和配置、供应链体系和供应能力，以及技术路线，逐步形成了适合自己的整车EEA开发策略和规范，以保证其生产的车型的通用性，从而在提高开发效率的同时，降低了开发投入。
特别是2015年以后，汽车领域逐渐出现“新四化”的概念：电动化、智能化、网联化、共享化。尤其是智能化使汽车在从生产下线到报废的整个生命周期内，不再是独立的、一成不变的个体，而是成为软件可升级、硬件也可更换和升级的“移动的电子产品”。汽车EEA从分布式到域控制再到集中式电子电气架构
演进。如图2所示，博世公司给出的电子电气架构路线图分为六个阶段，已成行业共识： 分布式阶段(包括模块化、集成化)、域集中式(包括集中化、域融合)、中央集中式(包括车载电脑、车云计算)。
1.分布式汽车EEA架构
分布式汽车电子电气架构的发展历程主要经历了三个阶段，具体发展历程如图3所示。
在第1代分布式电子电气架构中，汽车上的电子产品应用较少，汽车上每增加一个新的传感器或应用程序，就需要增加一
个独立的电子控制单元及传感电路，控制单元之间也不能相互通信，这种点对点的连接方式很低效。随着汽车电子功能越来越复杂，电子产品数量迅速增多，所需的控制单元数量和电路连接数量呈指数级增加，所需的线束也急剧增多，第1代电子电气架构逐渐被淘汰。
第2代分布式电子电气架构仍基于独立功能的控制单元，但实现了功能模块化，根据功能的不同，电子电气架构分为几个不同的独立的功能子系统网络，包括车身系统、信息娱乐系统、动力总成系统、底盘系统等。根据控制单元的类型，通过定义各控制单元之间的网络传输种类，建立控制单元之间的通信链路，实
现同一功能子系统中控制单元的相互通信、数据与功能共享。但不同功能子系统之间的通信受限，仅存在少量的数据交互通信。
第3代分布式电子电气架构在上述功能子系统的基础上，增
加了中央网关来承担不同网络总线类型之间的协议转换工作，同时参与各网段的网络管理，根据实际需求控制路由时序，实现更广泛的不同功能子系统之间的通信，如图4所示。
2.(跨)域集中EEA架构
随着汽车的飞速发展和更新换代，这种分布式电子电气架构的缺点和局限性也逐渐暴露。首先，独立功能的控制单元来自不同的供应商，其嵌入式软件和底层代码各不相同，不仅导致巨大的冗余，也让整车企业在维护更新控制单元方面存在巨大的困
图2 博世电子电气架构演进步骤
图3 传统分布式汽车电子电气系统架构示意图
难；其次，汽车信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统(advanced driving assistant system，ADAS)等迅速发展，使控制单元数量不断增多，如图5所示。
图5 不同等级汽车控制单元数量的增长趋势示意图
最后，云与大数据的发展需求等对高带宽和低时延的需求显著增长，这好比高速公路是修了，成本也节省了，可这道路上的交规(总线协议)是几个山头(ECU供应商)定出来的，不允许其变化。最多两年变一次(整车开发周期)。还有一种情况是本来走自行车的道路，现在要走卡车了，这路面又支持不了，部分总线比如LIN、CAN并没有很高的容量扩展性。需求变化了，这时的总线网络已远远不能满这些需求。汽车行业亟须新一代的汽车电子电气架构和车载网络。尤其是智能网联汽车需加入激光雷达、毫米波雷达、摄像头等大量传感器，因此汽车电子电气架构从数据传输协议、智能驾驶系统的冗余性设计到软件框架都需要重新设计，以满足智能网联汽车的高数据传输量、人机交互功能以及智能驾驶安全性。
对于整车企业来说，汽车电子电气架构改变带来的不仅仅是像零部件企业那样进行业务结构调整，还需要车企调整产业链条。传统汽车的控制单元数量不断增多，如图5所示。在传统汽车电子电气架构中，车辆的电子电气部件大部分都是以硬线方式连接的，或者是由局部的LIN和CAN协议的连接方式组成的。这种方式不仅会增加线束长度和重量，也会增加布线工艺和成本。有数据显示，一辆中高端汽车的车内主要通信网络节点增长达到几千多个，如图6所示。
线束系统成本大约为600美元，质量大约为60kg，长度大约为5 000m。按照原有电子架构，在智能驾驶时代需要的线束长度会更长。而对于续航和价格都高度敏感、同时对智能化浪潮中肩负更多数据传输压
力的电动汽车来说，简化传统电子架构已经迫在眉睫。因此，在新型电动汽车的正向开发中，随着芯片、电子元器件等成本的下降，整车企业都在以车载以太网和域控制器为核心器件对汽车电子电气架构进行模块化设计。大幅度缩减线束长度可以降低电线电阻，进而减少能量损耗，提升续航将会起到积极作用。
目前在发展中的一种汽车电子电气架构是基于域控制器和以
太网通信网络的集中式电子电气架构，如图7所示。这种集中式电子电气架构表现出很高的集成度，可以将多个系统的功能集成在一起，具有价格低、复杂度低、易于标准化的优势，在很大程度上能改善传统电子电气架构及车载网络的问题，以满足智能网
联汽车需求。
汽车电子电气架构域控制器布置按照功能关联程度或物理位置可以划分为“功能域”和“位置域”。
(1)功能域德尔福汽车
即控制汽车的某一大功能模块的电子电气架构的集合，每一个域由一个域控制器进行统一的控制，最典型的划分方式是把全车的电子电气架构分为五个域(图8)：动力域、底盘域、车身域、座舱域和自动驾驶域，具体分工如下。
图4 第3代汽车电子电气架构
图6 车内通信网络节点增长趋势示意图
图7 域控制架构示意图
动力域控制器主要控制车辆的动力总成，优化车辆的动力表现，保证车辆的动力安全。动力域控制器的功能包括但不限于发动机管理、变速器管理、电池管理、动力分配管理、排放管理、限速管理、节油节电管理等。
底盘域控制器主要控制车辆的行驶行为和行驶姿态，其功能包括但不限于制动系统管理、车传动系统管理、行驶系统管理、转向系统管理、车速传感器管理、车身姿态传感器管理、 空气悬架系统管理、安全气囊系统管理等。
车身域控制器主要控制各种车身功能，包括但不限于对于车前灯、车后灯、内饰灯、车门锁、车窗、天窗、雨刮器、电动后备箱、智能钥匙、空调、天线、网关通信等的控制。
座舱域控制器主要控制车辆的智能座舱中的各种电子信息系统功能，这些功能包括中控系统、车载信息娱乐系统、抬头显示、座椅系统、仪表系统、后视镜系统、驾驶行为监测系统、导航系统等。智能座舱域抬头显示(HUD)是非常实用的功能，将ADAS和部分导航功能投射到挡风玻璃上，诸如ACC、行人识别、LDW、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可
行驶里程等，在L3和L4时代成为标配。
自动驾驶的域控制器的硬件上连接摄像头、激光雷达等传感器，还有车联网OBU、导航IMU等模块，以及车辆线控单元。主要的作用是负责对传感器感知到的环境信息进行融合、识别和分类处理，结合地图定位对车辆行驶进行路径规划和决策，从而实现对汽车的精确控制和自动驾驶。
功能域控制器大体可分两类，一类是对算力要求高的座舱域和自动驾驶域，这类域控制器需要处理大量
数据，一般通过以太网和CANFD相连；第二类是对算力较低的动力总成域、底盘
域、车身域，这类域控制器主要涉及控制指令计算以及通讯资
图8 五域集中式电子电气架构
源。在此功能基础上，为了协同和降低成本，出现了跨域融合的方案，即将两个或者多个功能域，进一
步合并为一个域控制器，例如将动力域、底盘域、车身域合并。从集成度相对较低的“五域”(自动驾驶域、动力域、底盘域、座舱域和车身域)逐步过渡到“三域”(自动驾驶域、智能座舱域、车控域，加上若干网关)，华为提出了面向自动驾驶电动汽车的计算与通信架构 (Compute and Communication Architecture， CCA)方案，目标是满足未来自动驾驶汽车对高算力、大带宽、低时延、高可靠的要求。
图9 华为集中计算架构和分布式的通信架构
华为CCA由计算集中部署的计算架构和分布式的通信架构两个子部分构成。如图9展示了CCA的一个简单实例：4个分布式车载网关形成的车载环形网络通信架构，承载3个集中式部署的域控制器与汽车上各类传感器、ECU和信息娱乐系统的数据通信。其中，计算架构将整车按照汽车功能域划分成智能驾驶域、整车控制域和智能座舱域，每个功能域由一个对应的域控制器集中控制。通信架构则主要由分布式网关设施构成，并采用了业界普遍认可的、可支持10~25Gbit/s带宽的车载以太网。该架构的核心特征就是由以太网、车载网关、环形拓扑构成，同时也支持其他变形的网络架构，如星形网络架构、星形网络和环形网络兼容的混合网络架构，充分满足汽车智能化带来的大带宽、高可靠性、低时延、上电零等待时间、低成本等需求。CCA在整车平台的分层位置如图10所示。
CCA为整车提供了一个功能齐全、开放且可演进的整车平台架构，可叠加各类定制化车载OS，并具备丰富的应用生态集成和演进能力。如图10所示，最下面两层分别是整车的底盘系统和高压系统/动力系统，
最上面两层是应用生态和车载云，中间两层是CCA定义的架构，包括硬件拓扑(CCA，从下往上数第3层)和软件架构(车载操作系统，从下往上数第4层)。
整个CCA的设计理念是对原本复杂的整车各种软硬件系统进行分层，包括软硬件解耦、分布式网络、集中式计算等基本思路，有助于汽车企业和各部件供应商从繁复的、缺乏附加值的软硬件定制化工作中解脱出来，减少部件供应商和系统供应商之间不必要的磨合和沟通的时间，进而集中精力进行各自的研发，深
挖各自的价值特性，从而为整车产品、汽车企业和最终消费者提供更多的价值和更好的产品体验。①车载计算架构
域控制器按照汽车的功能域可细分为 MDC(Mobile Data Center，移动数据中心，也被称为车载计算平台控制器或中央计算控制器)、VDC(VehicleDomain Controller，整车域控制器)和 CDC(Cockpit Domain Controller，座舱域控制器)，这3个部分构成了华为CCA的车载计算架构，3个部分的介绍如下：
MDC：对应前文所述的智能驾驶域，基于各类传感器收集的信息实时地产生自动驾驶和无人驾驶的驾驶动作控制信号，并将驾驶动作控制信号通过车载网关发送给汽车的加速装置、减速装置、转向盘和行驶挡位等操纵制动单元，即负责整车的信息收集、处理和决策、控制命令的下发。
VDC：对应前文所述的整车控制域，VDC负责统一控制汽车内的各类车身电子设备(车灯、车门、车窗、座椅等)、动力系统(电驱动、电池管理、车载电源等)、热管理系统等汽车的基础系统，通过将大部分整车基础部件和系统的ECU的功能收编至 VDC，极大降低了这些部件和系统的 ECU的复杂度。
CDC：对应前文所述的智能座舱域，CDC统一管控车载娱乐系统和人机交互系统等，收编大部分与汽车行驶安全无关的座舱功能。
其中，作为智能汽车的核心，自动驾驶控制中枢MDC尤为复杂，它是CCA中计算的核心，其基本硬件架构如图11所示。
MDC硬件平台包含数据交换(包括图中的区域网关、LAN交换机)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、AI(Artificial
图10 CCA 在整车平台的分层位置
Intelligence，人工智能)处理、逻辑处理、图像处理、存储处理等功能模块。各个传感器的原始数据就近接入区域网关，转化为以太网格式的数据，进入MDC。MDC对数据进行集中处理，并向TBOX(Telematics Box，远程信息处理盒子)、CDC、黑匣子输出相应数据。
②车载通信架构
CCA中的车载网络通信架构如图10中从下向上数的第3层所示，它为域控制器和与其相连的传感器和ECU等设备提供大带宽、可靠的、具备可预测时延上限的车载网络，保证摄像头、激光雷达、毫米波雷达等传感器实时采集到汽车行驶环境数据，并能够及时、完整地将数据传输至车载自动驾驶系统控制器，同时也要保证车载自动驾驶系统产生的行驶决策信号能及时、可靠地传输至制动、加速、转向等ECU。
CCA中的车载网络通信架构采用分布式以太网关架构，包括环形网络星形网络和混合网络架构，支持环形网络、星形网络、总线型网络的拓用于承载各类高级驾驶辅助系统 (Advanced Driving Assistance System，ADAS)传感器、ECU等设备与集中式计算架构下域控制器之间的数据和控制信号的通信。车载网络通信架构基于以太网生态系统，该架构下的关键协议均为以太网协议。
CCA中的车载网络通信架构和传统汽车EEA通信架构的关键区别是增加了一个部件——车载网关。引入车载网关导致网络拓扑发生了变化，从而带来了架构上的变化，即出现了基于车载网关的环形网络架构、星形网络架构以及混合网络架构。车载网关的主要功能是将各种接口，如CAN/LIN等总线接口的数据转换为高速以太网数据，通过以太网将各种接口的数据传送到计算架构下的中心计算单元；在下发计算单元决策时，将以太网数据转换为对应CAN/LN等总线接口的数据，传送到各ECU、传感器等设备。车载网关并不是一个和控制单元，其核心功能是数据转换和汇聚传输。保证传感器信号流量和控制信号流量的转接、互通、汇聚与可靠传输，以及不同功能域之间的信息安全隔离等。(未完待续)
图11 MDC硬件架构示意图
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