如何使用以太网的区域EE架构实现软件定义汽车

Posted 2023-04-01 小明师兄

目前大家对汽车及其功能的认知正在发生巨大变化。汽车正在变得越来智能、电动和服务导向，为最终用户提供了越来越多的定制和升级选项。其潜在的革命在于，软件将定义汽车。简单来说，所有功能将在一个虚拟模型上进行设计、测试、验证并可能在整个车辆寿命周期内进行修改。(所以仿真对汽车算法的开发越来越重要)。

未来的汽车电子架构将由少数几个非常强大的车辆计算机组成，它们将通过车辆集中、区域化的电子电气（E/E）架构连接嵌入式控制单元、传感器和执行器。新的E/E通信网络（ComNET）拓扑的一个特点是数据流的集中化。区域ECU通过高速以太网将数据发送到连接的车辆计算机。这种连接方式确保数据通信更快、更安全，内部和外部的链接至云端都表现更好。此外，这意味着车辆的线束变得更短，进而实现成本和重量的节省。

售后功能升级	改进电动汽车的电池续航能力；新增辅助驾驶功能
便利功能	基于用户的保险；远程诊断
快速创新	快速部署新功能到汽车中
基于位置的服务	汽车网联到停车基础设施
个性化汽车	自动启动空调以适应寒冷天气
可定制的车内环境	为驾驶员设置“档位”（例如座椅、HVAC、HMI屏幕）

这种革命需要对汽车架构进行深刻的转型。除了使汽车开发更快、更容易之外，它还将为汽车制造商提供通过数据驱动的服务的新的有吸引力的业务机会，这些服务吸引了一个更加熟悉订阅功能的用户群体。本质上，移动性成为一个服务，以提高用户体验。

架构区域化的范围

不再使用盒子（ECUs）添加新功能，这些功能将通过灵活的硬件与OTA更新从云中下载。这样可以实现持续集成和持续部署（CI/CD）。为了实现这一点，车辆E/E架构正在从独立功能的平面分布转变为更现代的域和区域结构。

在现有的车辆平台上，E/E架构的适应是一个迭代的过程。跨领域车辆计算机被集成到现有的面向领域的E/E架构中，并与传统的嵌入式控制单元结构相结合。通过适当的修改，这种方式可以达到最佳的效益。对于新的车辆平台，实施车辆集中、区域化的E/E架构需要车辆计算机和区域ECU，可以提供最大的效益和未来需求的最佳性能水平。此外，企业可以开发出模块化的控制单元套件，可以有效地在不同的车型之间扩展E/E平台。

“区域化”将模块和连接集群化在车辆的物理区域内，同时将大部分处理能力转移到中央车辆计算机中。它将提供许多好处，因为它减少了布线成本和重量，并提供了可扩展的集中软件。这将为由软件驱动和通过OTA更新推动的汽车创新打下基础。

架构演变趋势：从域到区域

为什么分区式电子/电气体系结构是软件定义汽车的理想选择？

考虑一下用于不同领域的传感器（例如用于高级驾驶辅助系统（ADAS）和信息娱乐系统的摄像头）。分享这个传感器的最佳方式是什么？在领域架构中，这个路径是复杂的。在一个更友好的分布式体系结构中，传感器数据被呈现为所有虚拟机的服务。每个分区ECU都成为一个传感器服务器。

这种方法也使得在紧急情况下建立事件链反应更加容易。例如，在紧急刹车情况下：雷达、摄像头或激光雷达传感器的组合确认了车辆前方有一个意外物体。刹车系统立即启动，但如果ADAS计算机意识到可能发生事故，车辆就开始准备应对，并触发信息娱乐系统播放视觉和音频警报通知。座椅安全带拉紧，气囊准备就绪，车窗降低，警报信号灯也同时和瞬间地在分区/领域以太网网络上开启。

由于在电气化、个性化、自动化和连接方面的新要求所带来的功能不断增长，不应导致成本不断攀升。新的E/E架构通过在线束、开发和生产方面的节约以及其支持车辆软件更新的功能来降低总拥有成本。此外，将软件集中在车辆计算机上还通过降低E/E架构的复杂性简化了开发过程，尤其是由于针对快速软件开发迭代和更新（OTA）而设计的面向软件的架构。为了实现整个车队的可扩展性，多功能的模块化套件，适用于车辆集中、区域化的E/E架构。因此，小型车辆将配备比大型车辆更少的区域ECU。

可能性：以太网将它们全部连接起来

分区化的结果是所有数据都被转换为以太网帧，并在骨干上提供给所有领域控制器。可以为不同的虚拟功能和虚拟机重用功能。也可以根据CPU负载或功率情况移动任务和完整的虚拟机（负载平衡，这对EV非常重要）。所有这些都可能在广泛采用基于以太网的网络和组件的情况下实现。

OEMs应该如何实现软件定义汽车

对于汽车制造商而言，可以采取一些重要的措施来应对不断增加的软件复杂性。在流程方面，他们可以采用更加动态的软件生命周期计划，通过经常发布与严格的、遥远的车辆平台SOP日期分离的更新来实现（展示2）。实践中，汽车制造商可以通过协调不同的待办事项和路线图、加强测试和软件部署自动化、以及重组与供应商的协议来实施这种方法。在架构方面，制造商可以通过使用强大的中间件层将软件与硬件分离，通过标准化的应用程序编程接口（API）将硬件功能和服务提供给功能和服务。

通过引入一种新的电气/电子架构以实现以软件为中心的足跟将需要汽车制造商业务的某些部分进行重大变革。例如，采购是一个必须全面重组以加速硬件和软件解耦的过程。采购还需要进行重大变革，以实现对软件全周期拥有成本的全面观点。

在越来越多地依赖数字用户体验（UX）而不是马力的汽车世界中，汽车制造商必须显著提高其交付优质软件的能力，并积极转变其差异化的来源。同时，他们需要清晰地了解他们所追求的特定价值，无论是在价值链上还是跨越不同的功能领域。

要实现这些目标的结合，需要一个系统性的过程，能够提供以下三个方面的价值：

控制点：这些元素是捕获价值的基本组成部分，应作为确定重点和利用哪些独特资源的起点。

技术堆栈：汽车制造商必须确保在几个关键领域，包括数字用户界面、UX、中间件和车辆API等方面具有足够的价值增值和能力，以确保总体价值的创造权。

领域：一个公司的价值贡献优先级将取决于品牌定位、涉及的市场细分以及现有的制造能力。有几种原型，例如专注于高端信息娱乐和连接体验，或成为高效率的大批量制造商。

汽车制造商应遵循一系列最佳软件采购实践，首先要评估哪些软件和应用程序在未来具有战略重要性，它们的需求可能会如何发展，以及在每种情况下最适合的采购模型是什么。实际上，从短期来看，软件和应用程序是新采购战略中最相关的领域。这两个领域都必须开始将软件的成本分配与硬件分开，并在软件上采用完整的生命周期观点。此外，汽车制造商应该与供应商建立新的合作模式，专注于战略伙伴关系而不是多元化采购。

汽车制造商还应寻求将他们已经掌握的生产优势转化为整个产品生命周期的运营优势。我们的研究表明，为了在2030年支持与今天同样数量的开发项目，汽车制造商和一级供应商必须将目前可用资源增加一倍以上。产业参与者有各种选项来弥补这一差距，包括增加自己的人员数、收购软件公司、合作伙伴关系和建立合资企业。几家汽车制造商已经相互之间或与技术公司建立了合作伙伴关系，加速在关键领域，如自动驾驶的开发。其中一些值得注意的例子包括宝马与百度的合作伙伴关系，福特与大众的合作伙伴关系以及本田汽车与通用汽车的合作伙伴关系。扩大和整合编程能力的需求反映了下一个十年内汽车车辆平台上的大多数组件的预期数字化程度增加。

宝马：基于TSN和以太网的汽车EE架构设计

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