以太网的分层架构_汽车电子电气架构专题报告:从特斯拉看汽车电子电气架构变革...

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1、汽车电子电气架构:汽车的中枢神经

1.1. 汽车电子电气架构 EEA:电子电气设计的整体解决方案

汽车电子电气架构 E/E 架构(EEA, Electrical/Electronic Architecture)由德 尔福公司提出。汽车电子电气架构将传感器、ECU、线束、电子电气分 配系统整合,实现了汽车整体的配置和功能的实现。

E/E 架构通过物理层面的布置,对车身信息进行转化和处理,为汽车电 子电气设计提供了整体的解决方案。车上每一个功能都有一个最基础的 电气架构作为支撑,包括供电、控制、执行、反馈等回路,而整车的电 子电气架构就是这些基础电气架构的有机组合。

电子电气架构市场规模较大,ECU/DCU 占比最高。电子电气架构设计 组件包括软件、ECU/DCU、集成验证、动力系统、传感器以及其他包括 线束在内的电气器件。2020 年软件与电子电气架构市场规模 2380 亿美 元,ECU/DCU 市场规模 920 亿美元,占比 38.7%。

1.2. 大部分车企仍处于分布式架构阶段

目前大部分车企仍处于分布式架构阶段,小部分车企出现分的概念。目前整车的控制体系以电控单元 ECU 为核心,每个功能对应一个或多 个 ECU,比如加热装置 ECU、多媒体系统 ECU 等等。

电子控制单元 ECU( Electronic Control Unit)是汽车专用微机控制器。一 般由 CPU、存储器(ROM、RAM)输入/输出接ロ(WO)、模数转换換器 (AD)以及驱动等大规模集成电路组成。随着汽车的电子化发展,ECU 由 用于控制发动机逐渐深入到整个汽车,一辆车上的 ECU 个数也急剧增 多。从 1993 年到 2010 年,奥迪 A8 上使用的 ECU 个数从 5 个快速增加 到超过 100 个。

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随着汽车需要实现的功能越来越复杂、ECU 的数量越来越多,部分车企 一方面将 ECU 按照车身、底盘、动力、信息娱乐等进行域的划分,另一 方面通过中央控制网关实现跨功能连接,加强各个部件的协作。

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1.3. 传统软件架构及其开发模式以面向信号为中心

传统汽车软件架构为面向信号的架构(Signal-Oriented Architecture), ECU 之间基于信号进行点对点的通讯。在面向信号的架构中,整个系统 是“封闭静态分布式系统”,所有的决策在架构设计时被完成。车辆的软 件与组件相互绑定,无法统一对软件进行开发和修改。

面向信号的架构优势在于系统的已知性和可预测性。设计师可以在设计 时对资源进行优化,比如消息副本和总线调度。劣势在于运行时的灵活 性低,以及系统在后续无法拓展。同时,面向信号的架构只使用具有发 送发/接收方接口的软件组件,因而不支持更加复杂的功能实现。

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1.4. 传统车企的信号传输以 CAN/LIN 总线为主

控制器局域网络 CAN(Controller Area Network)是国际上应用最广泛的 现场总线之一。CAN 总线解决现场控制设备和高级控制器之前的信息传 递问题,是自动化领域中底层数据通信网络。在现代大型整车厂的汽车 设计中,CAN 已经成为首选装置。与其它现场总线比较而言,CAN 总 线具有通信速率高、检错处理高效、性价比高等优势。

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局部互联协议(LIN 总线)是面向汽车低端分布式应用的低成本,低速 串行通信总线。OEM 使用 LIN 总线主要是为了在不需要 CAN 总线的 带宽和多功能的时候降低成本,同时可以为汽车网络提供辅助功能。

LIN 总线与 CAN 总线相比在成本上的优势,主要源于其单线传输的特 点、硅片中硬件或软件的低实现成本,以及其无需在从属节点中使用石 英或陶瓷谐振器。而这些的代价就是 LIN 总线以较低的带宽和受局限的 单宿主总线访问方法。

2. 汽车 E/E 架构变革时代,朝着多域控制发展

2.1. 汽车电子电气架构从分散式向更集中的多域控制升级

E/E 结构变革可以分成五个阶段,目前大部分车企仍处于第三 E/E 分 布式体系到第四代的变化过程中,从分散式走向更集中。在第三代 E/E 体系中,功能在具有高度软件到硬件(SW-to-HW)集成的 ECU 上。第四 代 E/E 体系中出现核心域控制器,在整合多个功能的基础上进行成本优 化和更多功能的实现

按照麦肯锡的定义,E/E 结构可以划分为五个阶段:1、出现独立 ECU,

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