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谁将“杀死”传统汽车电子电气架构?

「在我看来,目前只有 Model 3 和大众的 ID.3,能称为全新的电子电气架构。因为它们的主干网络已经实现以太网控制,并且全车 ECU 集成到了几大域控制器之中。」

一位博世的工程师这样告诉汽车之心。

电子电气架构简称 E/E 架构,有时也被称为 EEA(Electrical/Electronic Architecture)。

它是指对汽车的传感器、中央处理器、ECU、线束、信息娱乐系统以及底盘系统等整车软硬件进行系统设计的方案,进而实现车内高效的信号传输、系统布置等效果。

E/E 架构这一概念最早由汽车供应商德尔福提出,后来被行业广泛采用。

近几年,随着汽车行业走向智能化,传统 E/E 架构开始受到挑战。

先是特斯拉以新一代集中式布局的 E/E 架构率先发力,后有供应商如博世、安波福、大陆等强调 E/E 架构要从分布式向集中式转变。华为更是将矛头直指其算力不足、缺少功能安全等问题。

在主机厂中,也出现了大众、通用和丰田这样的变革者,正在布局新一代 E/E 架构。

传统 E/E 架构已经走到十字路口。

1.从助手到桎梏

在很长一段时间内,研发 E/E 架构是 Tier 1 的专业。

Tier 1 配合主机厂进行 E/E 架构设计和优化,最终目的是通过开发一套合理的整车电子电气系统,来实现性能提升与成本控制并重的效果。

最初,这件事很容易。

因为自 1886 年第一辆奔驰三轮汽车被发明出来之前,车上的电子设备并不像今天这么复杂,更谈不上 E/E 架构。

直到 20 世纪初,开始出现更多需要电力进行启动的设备如起动机、车载收音机等,电子电气系统才逐渐成型。

以车灯为例,最早的车灯是在灯罩下点煤油,直到发明了电灯,汽车开始采用钨丝白炽灯进行汽车照明。

越来越多的电子电气系统出现后,一些问题随之出现。

比如,如何完成这些系统内 ECU 之间的通信成为挑战。为解决这个问题,博世历时三年,在 1986 年开发出了 CAN 总线,用来对 ECU 的数据进行传输。

再过几年,也就是 1991 年,世界上首款基于 CAN 总线系统的量产车型奔驰 500E 正式亮相。

由于采用了 CAN 总线设计,车内各个控制模块之间的传输速率为到 83.3-500 kbit/s,其中用于发动机信号的 CAN 总线传输速度为 500kbit/s。

本质上,CAN 总线是一种局域网技术,电气系统和设备的 ECU 之间的通信可以通过 CAN 总线来完成。

由于可以减少布线、减轻重量以及节省车内空间,类似的方案此后一直被各大车企广泛采用。

电气系统和电子设备的出现,还驱使供应商开始设计一套整体的布局方案。

2007 年,德尔福首次提出 E/E 架构的概念,对发动机系统、车窗控制、车载娱乐系统等一切需要电力控制的软硬件进行系统设计和不断优化,这一名为「E/E 架构」的方案解决了汽车电子的通信和效率问题,以助手的角色让汽车的性能越来越好。

如果没有后来兴起的电动车和自动驾驶,传统 E/E 架构也许还能延续辉煌。

但是,如你我所见,电动车和自动驾驶技术席卷了整个行业,大量新出现的 ECU 和信号传输效率需求,让原来的分布式 E/E 架构受到挑战,甚至正在成为技术发展的桎梏。

事实上,直到 2017 年特斯拉 Model 3 发布时,整个汽车行业都没有一款产品尝试对传统 E/E 架构进行革新。

换句话说,正是 Model 3 出现,全新一代的集中式 E/E 架构才呈现在人们面前。

同样在 2017 年,从德尔福拆分出来的安波福提出 smart architecture(智能架构),将汽车内部的大量模块,整合为三类:

分别是发动机模块、信息娱乐模块以及自动驾驶与主动安全模块,并提出「神经」和「大脑」的概念,神经代表传输网络架构,大脑代表计算平台。

这种新的定义方式意味着供应商开始注重软件算法对 E/E 架构的影响。

与此同时,博世、采埃孚、大陆等也纷纷意识到软件对于汽车的冲击,均提出要从分布式向集中式转变的新一代 E/E 架构,以适应时代变化。

其中,博世用六个阶段来描述 E/E 架构的发展趋势,从简单到复杂依次为模块化、集成化、集中化、域融合、车载电脑和车-云计算。

每演进一个阶段,E/E 架构的效率会更高。

比如,在集成化阶段,CAN 总线的传输速率最大可达 100 kBit/s。

按照模型预测,如果采用车载以太网,可以实现比 CAN 总线高 1000 倍的带宽,也即达到 100Mbps 高实时带宽。

如果搭载车规级芯片,还可以让汽车拥有中央计算机的处理能力,可以满足车辆向智能终端演变的算力需求。

对照博世的六个阶段,可以看到,除了已经进入车载电脑的阶段特斯拉 Model 3,大多数车企的汽车 E/E 架构刚刚度过模块化阶段,正在进入集成化阶段。

在满足算力和信号传输速度等各项要求后,围绕新一代的 E/E 架构的角逐也正式拉开帷幕。

2.新一代 E/E 架构出现

提出新一代 E/E 架构的背后,是汽车行业里掀起的两股浪潮。

第一股浪潮是插电式混合动力汽车和纯电动汽车的出现,它们引入了三电系统,从而增加了汽车 E/E 架构的复杂程度;

第二股浪潮是智能座舱和自动驾驶。OTA 升级需求、大量的传感器出现,产生了 OTA 更新、大量数据处理和信号传输的需求,对算力和车辆安全提出挑战。

在面对这两股浪潮时,传统的分布式 E/E 架构的问题在于,算力不足、信号传输慢以及无法实现 OTA 统一升级。

现在车载 ECU 的数量相比汽车早期出现数倍增加,以及日益增加的海量数据等待处理,直接让传统 E/E 架构不堪重负。

为了解决这些问题,便出现了车规级芯片,利于传输信号的以太网,以及解决了统一升级问题的域控制器。

这三重因素,也是新一代 E/E 架构的标志。

在解读新一代 E/E 架构之前,可以具体看一下博世的六个阶段。博世用三类 E/E 架构共六个阶段来展示技术的演进。

(1)当前,车企正在应用的第一类 E/E 架构,采用分布式设计,分为模块化和集成化两个阶段:

模块化阶段,汽车的每个功能拥有独立 ECU,现在大多数汽车处于该阶段;

集成化阶段,车辆的设计开始进行功能集成,进而带来 ECU 的被集成。

(2)今后,车企将采用第二类 E/E 架构,采用(跨)域集中式设计,分为集中化和域融合两个阶段:

集中化阶段,指开始出现了域中心控制器;

域融合阶段,对应地开始出现跨域中心控制器。特斯拉 Model 3 正是域融合阶段的代表车型。

(3)未来,E/E 架构将发展为第三类架构,即车辆集中 E/E 架构,分为车载电脑和车-云计算:

车载电脑阶段,采用的是车载电脑和区域导向架构;

车-云计算阶段,车辆功能在云端。

目前来看,搭载新一代 E/E 架构的车企如特斯拉等,在架构设计上均采用了集中式布局。集中式布局有几点好处:缩短信号传输、因减少线束而降低车重、更好的信息安全性。

拿特斯拉 Model 3 来说,其 E/E 架构由中央计算模块(CCM)、左车身控制模块(BCM LH)、右车身控制模块(BCM RH)三个部分组成,用以控制车辆的行驶、转弯和停止等操作。

在这一架构下,全车线束只有 1500 米,远低于行业的平均水平。

特斯拉之外,华为也对传统 E/E 架构亮剑。

「从传统车走向智能网联汽车,必须进行架构的改变。传统的 E/E 架构是总线加分散控制的架构,一个车上几百个控制器。但是走向智能网联汽车,应该充分融合 ICT 技术几十年发展所取得的成果与积累,把车做成分布式以太网络+三个域控制器架构,实现软件定义汽车,持续为消费者提升体验。」

华为轮值 CEO 徐直军曾如是说。

改进传统的 E/E 架构,华为的做法是提出代表计算和通信的「CC」架构,以及基于 CC 架构衍生出三大平台智能驾驶平台(MDC)、智能座舱平台(CDC)和整车控制平台(VDC)、联结和云服务。

一位汽车业内人士表示,华为的 MDC、CDC、VDC 可以理解为三大域控制器。

这也许意味着,未来基于 CC 架构的智能汽车,将实现和特斯拉 Model 3 类似的能力。

鉴于同行和供应商已经行动起来,车企的变革也迫在眉睫。

3.车企迎来大变革

E/E 架构决定车企的未来,E/E 架构的发展命运也被车企掌握在手中。

大众、通用和丰田已经率先行动起来,决定研发新一代 E/E 架构。

2019 年 3 月,大众汽车 CEO Herbert Diess 曾透露,计划将现有的整车约 70 个 ECU 减少为三个中央处理器,通过集中式的方式将 ECU 进行集成。基于 MEB 平台的大众 ID.3,将搭载名为「E³」的 E/E 架构,只需通过两台中央处理器就可完成所有的操作。

对照博世的「六个阶段」,由于大众 ID.3 将出现跨域中心控制器,所以应该属于「域融合阶段」。

这也是大众 ID.3 与特斯拉的 Model 3 一同,受到上面那位博世员工认可的原因。

2019 年 5 月,通用汽车发布了新一代 E/E 架构 Global B。

这个历时四年研发的 E/E 架构,将为通用未来产品开发中的电气化、主动安全、车载娱乐、智能互联以及 Super Cruise 等在内的整车 OTA 升级提供支持。

新一代 E/E 架构每小时可以传输和处理 4.5TB 的数据,比上一代架构提升约 5 倍,最新搭载该架构的是通用旗下全新凯迪拉克 CT5。

由于尚未看到 Global B 的更多信息,所以暂时不好判断这个架构属于哪一阶段,但从数据传输效率看,CT5 应该也是采用了以太网设计。

2019 年 3 月,两位丰田的人士透露,丰田新一代 E/E 架构将采用中央+区域方案(Central & Zone Concept),基于新一代 Central& Zone 方案的汽车设计,可以通过 ECU 集成降低成本,具有空间优势、轻量化、车型覆盖多、可扩展性特点,目标是设计简单的软件插件和实现物理层变化的本地化。

不过,目前尚未看到丰田基于新一代 E/E 架构的车型。

国内车企也在进行新一代 E/E 架构的研发,如上汽、广汽、吉利等均已有所部署。

吉利与沃尔沃联合研发的 CMA 模块化架构中,对 E/E 架构进行了改进,可以满足 5G 通信、高性能处理器、雷达等新需求,基于这一架构的的车型领克 01,在智能座舱和自动驾驶辅助系统方面有不俗的表现。

不过,按照博世的六个阶段进行对比,整体上,除了特斯拉 Model 3、大众 ID.3 和通用凯迪拉克 CT5,进入博世「集中化阶段」的智能汽车并不多见,大多数车企的新一代 E/E 架构正处于集成化阶段向集中化阶段过渡的节点。

这或许是 Model 3 的智能化受到热捧销量大增的原因之一,它在实际使用中总是会比传统的汽车显得聪明和好用,整车 OTA 升级也能更加灵活。

照此来看,ID.3 和 CT5 未来大概率也将因智能化带来销量的提升。

站在 2020 年初,基于传统 E/E 架构的车型仍占有很大市场,但新一代 E/E 架构已经出现。

在汽车消费者做出选择的同时,部分车企已经率先行动,杀死传统 E/E 架构的这件事恐怕不会太远。

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