E/E架构的发展趋势

李玮

（中国第一汽车集团有限公司 智能网联开发院，长春 130011）

主题词：E/E构架 电子电气 功能 控制器

1 前言

E/E(Electrical and Electronics)架构是整车电子电气功能总布置，是整车各电子电气系统间的总体规划与协调，是从全局考虑的整车电子电气总体设计。E/E架构的设计内容包括功能需求分析、功能定义、功能分配、网络通讯、线束拓朴、功能安全等内容。

随着汽车向自动化及智能化的发展，汽车上的电子电气部件越来越多，电子技术的发展及在汽车上的广泛应用，造成车辆的功能也越来越复杂，整车各个系统实现电子控制已成为发展趋势。在车辆控制方面，从早期的控制发动机到现在的控制底盘，比如转向、悬架以及制动等传统的机械系统也都增加了电子控制装置或线控系统；从车载系统方面，车身的控制、空调的控制、音响的控制、座椅的舒适性控制及人机界面的人性化设计，已经导致整车各种控制器数量大大增加，尤其是目前汽车辅助驾驶及自动驾驶的白热化，必然导致功能需求的急骤增加，对汽车E/E架构设计提出更高的要求，传统的架构已不能满足适应未来发展的需求。在如此的背景之下，本文聚焦E/E架构，对未来发展趋势进行粗浅分析。

2 E/E架构的发展历程

2.1 E/E架构的雏形

早在70年代中期，汽车电气的主要控制方式是由开关来直接驱动实现的。比如转向灯的控制，开关接入转向灯控制模块（闪光器），按一定闪烁频率来驱动转向灯的闪烁。如果增加控制功能也是为这一功能而设计独立的控制模块。整车电气系统由所谓的电线束将整车各电气功能串联起来。在汽车舒适系统中只有暖风风扇系统和收音机，其控制也很简单。因此，早期的电子电气也不存在E/E架构设计。而随着电控系统的飞速发展，汽车电子的应用越来越多，就在“功能需求越来越复杂，功能之间越来越紧密”的疑无路之时。1982年的德国博世可谓“大道至简、悟在天成”，提出了车载总线通讯技术，把原来由许多线束连接才能完成的功能，仅仅用两根双绞线通过一定的数据帧传输来实现信号的传递，从而使得整车的控制出现了柳暗花明，也就有了汽车E/E架构设计的雏形。

2.2 E/E架构的演变

新的思维与理念成就了汽车电子电气部件的大量应用，汽车的电子化功能需求推动了E/E架构设计，现代汽车不仅要实现驾驶功能，对驾驶的舒适性也有更高的要求，整车各功能之间的关系也变得错综复杂。图1是功能与模块发展的关系。

图1 控制模块的发展[1]

在架构设计之初，因汽车上可以控制的模块很少，设计思路是每个独立的功能设计成一个独立的控制模块，而随着整车各控制功能复杂度和各功能相关性的增加，模块与模块之间需要有信息共享的数据也不断增加，可以通过通讯的方式来实现信息共享。比如车速信息，不仅动力领域控制需要，车身控制领域也需要该信号，因此可通过整车E/E架构来完成这样的信息传递的分配。而随着整车功能复杂度及各功能相关性的升级，一些控制功能的执行需要反馈执行结果以达到闭环控制，因此控制模块的关系更加复杂，也推动了E/E架构的发展。

2.3 E/E架构的分级与现在的处境

E/E架构即是整车功能的总布置，是将用户需求转变成整车E/E功能特性，再进行功能分配的全过程。结合SAE对自动驾驶的分级以及E/E架构的各发展阶段归纳如图2。

图2 E/E架构的发展[2]

从图2可以看出，E/E架构的发展是从独立模块开始的，整车增加一个控制功能就增加一个控制器（ECU），也就是一功能一盒阶段，该阶段的驾驶行为完全由驾驶员掌控，也没有相关的辅助功能，也就是L0阶段。

架构发展的第二阶段为模块集成阶段，该阶段由于功能的增加，车上的控制器也增加，而且随着电子产品的发展，可以将功能相近的功能的软件和硬件集成到一个控制器中，可减少控制器数据，降低成本。现阶段国内外大部分传统动力的汽车仍采用模块集成的架构模式，从十几年前的单模块控制发展到如今大部分模块集成的方式进行E/E架构设计，比如原来独立的座椅加热模块、座椅通风模块以及座椅按摩模块，在现在的E/E架构设计中，将这几个功能一般都集成在一个控制模块中，这样可将控制对象相同、负载类似的控制模式放在一个模块中，可节约成本而且控制更加灵活。这个阶段出现了驾驶辅助的简单功能，如前、后雷达、全景影像等泊车辅助功能，该阶段性属于驾驶辅助等级L1阶段。

在市场需求及技术创新的推动下，功能之间的交互越来越紧密，比如，车辆上普遍新增加的辅助驾驶的功能，如车道偏离预警（LDW）、车道保持功能（LKA）、自适应巡航系统（ACC）、交通标识识别（ISR）、主动制动系统（AEB）、自动远光系统（IHC）以及盲点检测、倒车提醒等等，各功能需要采集来自于传感器的信息，并且经综合判断后实现控制转向、制动以及进行驾驶员提醒等功能，因此，传感信息的融合、控制过程的计算需要集成到一个主控控制器中比较合理，从而节省相互交互的信息、缩短信号路径，因此，就形成了一个自动驾驶域控制器（ADAS，Advanced Driver Assistance Systems）。此时的架构处于向域控制发展的阶段，也就是SAE驾驶分级中的L2阶段，现在国内市场大部分车辆处于此阶段，E/E架构的框架也是以分级到域控制的发展阶段。

随着电子技术的发展，对自动驾驶功能需求越来越强烈，比如ADAS以及底盘域控制器（CDS）都对车辆执行器（转向、制动）发出相应的控制指令，因此未来将两个领域融合，形成跨域控制器（DCU）也是可行和合理的（图3）。在环境感知的部件，从超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达到各种摄像头等传感部件的数据融合也需要有传感的主控控制器，芯片的运算能力的提升推动了自动驾驶功能的发展，这也符合SAE有条件自动驾驶L3的分级。

图3 跨域控制器

另外，由于互联网技术在车上的应用，使得在后台就可对车辆上控制器的软件进行刷写成为可能，该技术简称为OTA（Over The Air）。OTA技术可以使域控制或跨域控制能更好地发挥作用，也就是高度集成的软件可以通过OTA实现软件的更新迭代，也可在一个E/E架构平台上刷写出不同配置的车型。从功能上，对L4自动驾驶的需求，也需要运算能力超强的中央计算平台接收车辆感知的环境信息和车辆本身的状态信息，以及来自于云端的各种路况及环境信息，综合判断、控制车辆的行驶。自动驾驶领域涵盖整车的各个领域，包括动力域、底盘域、信息域、车身域以及自动驾驶域等，各个域需协同配合来完成自动驾驶功能。这也符合SAE驾驶分级中的L4的级别，此时的E/E架构应该是采用车辆中央计算平台的方案才能满足相关的要求，如图4所示

图4 中央计算平台示意

推动计算平台的因素还有主机厂（OEM）的盈利模式的转变。以前OEM以销售汽车为主要盈利点。随着智能网联汽车的发展和互联网新势力进入移动服务领域，OEM的业务必须延伸到服务，OEM可以从各种服务中获得利润。因此未来汽车E/E架构设计是以服务需求为导向的。如图5所示，现在的架构设计是面向部件的架构设计，每次功能、子功能的实现都需涉及到如发动机控制单元、组合仪表、空调及自动驾驶系统等各个控制单元，每个调用都是为实现单一的功能。而面向服务的设计是每个功能块不和任何特定功能绑定，而是作为基础模块，如图5中面向服务的中间部分，整车功能也是以服务形式出现的，只需调用已存在的若干个服务来完成总的服务功能，整车服务是松散连接的[3]，不需要为所有功能单独开发，基础模块可以被多个功能所调用。所有基础模块的开发基于统一的标准化接口。这种设计的灵活性高，在云端可调用基础模块。实现特定的车辆变型设计，开发工程量大大减少，缩短开发周期，可靠性增加，而且成本会更低，使架构的可扩展性和灵活性大大增加。所以这种需求也会加速计算平台的发展。同时，OEM也可和各相关产业联合获得额外的利益。

未来E/E架构发展的最高境界是实现空中的云计算平台。未来无人驾驶会广泛地应用，无人驾驶由云端计算平台统一协调每台车辆的行驶控制及状态监测，实现完全的无人驾驶，车辆只是实现载客及运输的载体，完全实现SAE驾驶分级的L5级的功能，这样要求E/E架构的设计是以云端为主体，以车端为执行部件的架构模式。面向SAE L5自动驾驶汽车的E/E架构形式如图6所示。

图5 面向部件与面向服务对比[3]

图6 云计算平台E/E架构[4]

3 E/E架构发展面临的4个挑战

要实现未来的E/E架构，现阶段还存在一些急需解决的问题，如图7所示，主控芯片的计算能力需提升、通讯的带宽需提升、网络和信息需更安全、成本需控制在可接受的范围。

图7 未来E/E架构要解决的问题

3.1 提高主控芯片的计算能力

要实现域控制以及中央计算平台，主控芯片的计算能力以及虚拟化的能力必须提升。主控芯片从4核发展到8核，甚至到更高性能的多核处理能力，可集成不同的功能应用软件，在处理器内部要做到有效安全地隔离。

3.2 提升通讯报文速度和能力

由于未来对自动驾驶技术的需求，要求网络通讯的带宽及可靠性要大大的提升。以适应快速的信息及数据传递。为此，人们提出了各种通讯概念形式，如：CAN-FD可能被用于车身域，以太网将被广泛用于自动驾驶域、信息娱乐域及诊断等。在域控制中以太网将成为骨干网，实现更好的域间通讯。另外5G或更高级别的无线通讯被采用。

3.3 加强网络和信息的安全性

功能安全和网络安全必须有新的突破，未来车与云端的通讯无时无刻都是存在的，车辆本身的通讯安全和车辆与云端通讯的信息安全是至关重要的。安全防护从现实的角度来看需要至少有五层防护。如图8所示：

第一层是控制模块内部的安全防护，保护集成于ECU内部的软件和数据；

第二层是车内网络通讯的安全防护，保护通讯信号的安全；

第三层是网关的隔离防护，信号的准入与准出，保护整车控制不受侵入；

第四层是车与云端通讯的安全防护，保证车辆与云端的通讯正确可靠，不受外部黑客的侵入；

第五层是后台（云）的保护，这一层防护是保护后台数据的安全。随着车辆与外界交互越来越多，安全防护是保证车辆行驶安全必不可少的保障。

图8 车辆安全防护层级

3.4 进一步降低系统成本

保证未来E/E架构的顺利实施，成本控制是必不可少的，如何在新的E/E架构模式下最大化的通用化，保证不同的细分市场的可配置性，基础模块的最大化的借用，应用软件可迭代性，都是有效降低成本的手段和方法。

4 E/E架构的总趋势

E/E架构的集成平台是未来的发展趋势，工业化的电子技术以及IT业的发展也会给汽车产业带来前所未有的发展，满足汽车使用环境的各种技术突破是E/E架构发展的必然保证，而且汽车E/E架构的设计也是每个OEM必须拥有的核心技术[5]，因此，在保证通讯的带宽、信息的安全以及超强的处理能力下，未来的E/E架构会带来划时代的发展。