分布式ECU
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-09
分布式ECU的實例教程
引言
ADAS功能不斷升級導致對芯片計算能力需求提升，駕駛輔助功能快速提升，分布式架構向“功能域”集中式架構演進成為趨勢。
一、背景信息
1、分布式ECU在汽車電氣化、智能化時代，因為駕駛輔助功能快速的提升，面臨著巨大的挑戰：
各個ECU之間計算能力無法協同，相互冗余，產生極大浪費；
嵌入式操作系統及Application Software由不同的Tier1提供，編程語言和編程風格迥異，導致難以統一維護和OTA升級；
分布式架構需要大量內部通信，導致線束成本增加并加大裝配難度。
因此，分布式架構向“功能域”集中式架構演進成為趨勢。
2、SOA架構助力整車OTA
對比傳統汽車，OTA為汽車注入新的活力。在“軟件定義汽車”時代，OTA（Over The Air）能夠滿足智能汽車軟件快速迭代的需求，避免傳統汽車每次更新都需要去4S店，從而導致效率低下的問題。通過它可以不斷給客戶開啟新的功能，不斷優化產品體驗，吸引客戶，形成生態鏈。
傳統分布式ECU軟硬件架構，整車OTA效率低下。
展開 隨著汽車智能化、網聯化不斷向縱深發展，傳統分布式電子電氣架構已經顯得有些力不從心。從1993年到2010年，奧迪A8車型上使用的ECU數量就從5個驟增至100余個。大量的ECU來控制不同的功能模塊，且不同ECU往往來自不同的供應商，這使得汽車功能的持續升級變得既難操作且成本日益高昂。一方面，車廠后期維護困難且繁瑣；另一方面，由于各ECU都是獨立的通信渠道，電源和數據分配的布線方案難度增加；還有就是各個ECU的運算能力不一，都需要自己的冗余設計，這大幅增加了車企的成本。這時候電子電氣架構的變革就越來越勢在必行。
未來2-3年電子電氣架構升級是主要方向，這也將加速域控制器的引入。今年4月上市的威馬W6、智己L7、6月上市的嵐圖FREE以及7月下旬上市的吉利旗艦星越L等車型均采用了域控制器。多方企業的參與，使得域控制器開始嶄露頭角，并逐漸步入發展快車道。
以博世經典的五域分類拆分整車為動力域（安全）、底盤域（車輛運動）、座艙域/智能信息域（娛樂信息）、自動駕駛域（輔助駕駛）和車身域（車身電子），這五大域控制模塊較為完備的集成了L3及以上級別自動駕駛車輛的所有控制功能。汽車電子電氣架構升級主要體現在軟件架構、硬件架構、通信架構三個方面，軟件架構逐步實現分層解耦，硬件從分布式向域控制/中央集中式發展，車載網絡骨干由LIN/CAN總線向以太網方向發展。綜合看，這次升級引起的主要增量域應該體現在自動駕駛域、智能座艙域、中央控制域這三塊。
現階段，大部分主機廠仍會使用混合域的EEA架構，采用“分布式ECU+域控制器“的過渡方案，逐步形成“中央超級計算機+ 區控制器"的架構，這一EEA演進過程可能長達5-10年。
展開 對于大多數OEM來說，直接切換到一種全新的E/E架構幾乎是不可能的，所以可以對現有E/E架構中單個組件采用SVA的理念，然后逐步漸進式的推廣。
域替代分布式ECU
SVA的核心為可擴展性的網絡概念，其可以應用不同的車載控制器，且滿足L3至L5級的需求。如圖1所示，該架構由幾個主要的域控制器組成。當前采用該理念的是zFAS中央駕駛輔助控制器，它由安波福開發，并應用于奧迪A8。
圖1 SVA架構
未來類似于zFAS的高性能計算平臺將接管處理內部和外部(Car2X，網絡連接)數據的網關功能，信息娛樂功能等，同時由于其強大的性能，多個域計算平臺可以互相對安全相關的駕駛功能進行備份。另外高性能平臺可將當前架構中近100個ECU進行功能整合，降低E/E架構的復雜度。當前，由于處理器能力、功耗以及有待評估的數據量，整合至三個甚至兩個計算平臺還尚不能滿足。
現代半導體技術和具有極高帶寬的數據總線可滿足技術先決條件。高達10 Gbit/s的以太網和HDBaseT僅僅是開始。安波福已經在研究傳輸速率為20至40Gbit/s的技術。另一種方案就是在區域控制器(zonal controller)中實現無損壓縮和預評估，區域控制器主要用于接收數據，讀取傳感器的數據和控制分散在車上的執行器。安波福正在與合作伙伴一起研究以最小延遲時間進行壓縮和解壓縮的此類算法。然而，現有數據網絡的帶寬和傳感器分辨率的提高以及更高的數據量之間的競爭，將仍然是自動駕駛進一步發展的基本特征。
PDC區域控制器
PDC(power data centers)是安波福正在開發的一種區域控制器。
展開 （2）集中式電子電氣架構(EEA)轉型
域控制器/中央計算架構：傳統分布式ECU架構線束復雜，而以太網支持域間高速通信（如智駕域、座艙域、動力域互聯），減少線束重量（特斯拉Model 3采用以太網后線束長度縮短50%）；
軟件定義汽車(SDV)：支持OTA升級、功能動態部署，以太網的IP化特性便于云端協同和軟件更新。
（3）實時性與確定性
時間敏感網絡(TSN)：通過IEEE 802.1標準（如時間同步、流量整形）保障關鍵任務（如剎車控制、ADAS）的低延遲（<1ms）和確定性，避免傳統以太網的"盡力而為"問題；
多業務共存：可同時傳輸安全關鍵數據（控制指令）和非關鍵數據（娛樂流量），互不干擾。
（4）成本與標準化優勢
減少線束成本：單對非屏蔽雙絞線（如100BASE-T1）替代復雜線束，降低重量和成本；
產業鏈成熟：以太網技術已被IT行業驗證數十年，芯片、協議棧成熟，且支持DoIP（診斷 over IP）等標準化協議，簡化開發；
（5）面向未來的擴展性
車云協同與V2X：支持5G/V2X集成，實現車-路-云實時通信，為智慧交通奠定基礎。
功能安全與信息安全：基于以太網的防火墻、加密（如MACsec）更易實現符合ISO 21434的網絡安全要求。
三、車載以太網的技術架構
車載以太網(Automotive Ethernet)基本遵循OSI七層網絡模型，但在某些層面上進行了優化和簡化，以適應汽車電子系統的需求。
展開 控制器（ECU）：功能控制核心，協助實現各項功能
功能控制中樞，處理輸入信號實現功能控制。汽車控制器是實現整車功能控制的關鍵器件，一般由 MCU、電源芯片、通信芯片、輸入處理電路、輸出處理電路等構成，通過對各類傳感器信號、開關信號以及控制信號的處理，來對閥、電機、泵、開關等執行機構進行控制。
ECU 架構原理圖
ECU 電路板
通過整車微控制器能夠實現的功能包括：接收信號并解析、邏輯判斷、網絡通信、故障診斷和處理、設備地址識別等等。
整車電子電氣功能升級，ECU 數量不斷提升
微控制器在傳統的車輛中為分布式架構，每增加一個功能需要增加一個 ECU。隨著整車電子電氣功能的不斷升級，ECU 的數量在不斷提升。根據 Strategy Analytics 的數據顯示，目前汽車平均采用約 25 個 ECU，但是高端型號 ECU 數量已經超過 100 個。不同的 ECU 之間，主要采用 CAN/LIN 總線對其進行連接，近年來汽車中 CAN/LIN 總線節點的數目在不斷提升，其中 LIN 總線節點 CAGR 約為 17%，CAN 節點的 CAGR 約為13%。
所有級別汽車 ECU 數量變化
汽車中 CAN/LIN 及其它節點的增長
以數據診斷接口為中心，分布式 ECU 架構通過不同速率的總線系統將不同的 ECU進行連接，從而實現不同的功能。
大眾汽車 ECU 分布
信號復雜度+控制難度不同，控制器價值量有所區別
信號處理+輸出控制難度提升，控制器復雜度不斷升級。
展開 
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（2）集中式電子電氣架構(EEA)轉型
域控制器/中央計算架構：傳統分布式ECU架構線束復雜，而以太網支持域間高速通信（如智駕域、座艙域、動力域互聯），減少線束重量（特斯拉Model 3采用以太網后線束長度縮短50%）；
軟件定義汽車(SDV)：支持OTA升級、功能動態部署，以太網的IP化特性便于云端協同和軟件更新。
所以，汽車上線束的長度、重量、成本都在不斷增加，線束的復雜度和成本也在增加，進而導致分布式ECU架構無法支撐未來無人駕駛的需求，這又是另外一個話題了。
我們先看乘用車，商用車我們另外分析。
域控制器的出現是汽車EE架構從ECU分布式EE架構演進到域集中式EE架構的一個重要標志
。
域集中式EE架構
域控制器是汽車每一個功能域的核心，它主要由域主控處理器、操作系統和應用軟件及算法等三部分組成
。平臺化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的主要核心設計思想。
因此在傳統的分布式架構下，ECU 模塊數量的增多與分散化的布局，不可避免地會導致線束長度的增加，提高制造成本。目前傳統分布式架構汽車的線束長度大約為 5km。
3 整車控制系統的發展趨勢
當前汽車EE架構的發展趨勢是從分布式ECU架構演進到域集中式架構。目前正在量產或即將量產的車型大部分都是基于域集中式EEA。特斯拉已經率先發展到“中央計算+區域”的EE架構，根據預測2025年后，國內大部分主機廠也將開始演進到中央計算+區域EE架構。部分領先的廠商明后年就會有基于“中央計算+區域”EE架構的車型量產落地。
傳統燃油車以機械部件為主，電子系統相對簡單，大多應用ECU（電子控制器）分布式架構，ECU和功能幾乎一一對應，系統相對封閉；而在電氣化與 駕駛輔助功能已實現初步應用的現階段，分布域架構將成為當前及未來幾年的主流技術選擇，實現功能導向的控制，ECU和ECU之間開始整合，出現域管理，用DCU和MDC（ 磁鼓控制器）取代ECU；長期來看，隨著高級自動駕駛的實 現，對電子架構算力、帶寬均提出了更高要求，也就意味著只有整合域的中央計算平臺架構能夠滿足未來智能化汽車的要求
因此，全球大多數汽車制造商正在從傳統的分布式 ECU 架構過渡到基于域或區域的 ECU 架構。
在分布式的架構中，所有的功能緊密交互，難以管理系統的復雜性和實時性，域控架構目的是將分散的控制鏈路，整合到單個大型ECU中(如圖1所示)。例如將在新能源車上，將整車控制器、電池管理系統、電機控制器整合至一個控制器中。
因此，全球大多數汽車制造商正在從傳統的分布式 ECU 架構過渡到基于域或區域的 ECU 架構。
在分布式的架構中，所有的功能緊密交互，難以管理系統的復雜性和實時性，域控架構目的是將分散的控制鏈路，整合到單個大型ECU中(如圖1所示)。例如將在新能源車上，將整車控制器、電池管理系統、電機控制器整合至一個控制器中。
域控制器的出現是汽車EE架構從ECU分布式EE架構演進到域集中式EE架構的一個重要標志。
域控制器是汽車每一個功能域的核心，它主要由域主控處理器、操作系統和應用軟件及算法等三部分組成。
所以，汽車上線束的長度、重量、成本都在不斷增加，線束的復雜度和成本也在增加，進而導致分布式ECU架構無法支撐未來無人駕駛的需求，這又是另外一個話題了。
我們先看乘用車，商用車我們另外分析。
