从小白到自动驾驶系统工程师33-电子电气架构

1.什么是架构

2.汽车电子电气架构的发展

3.汽车电子电气架构的设计

1.什么是架构

EEA(Electrical Electronic Architecture)电子电气架构，由德尔福公司提出；

CCA(Compute Communication Architecture) 计算与通信架构，由华为公司提出。

两个都是面向汽车系统设计提出的概念，在学习之前，我们要先去看一下“Architecture架构”是什么？提起架构，大家是不是不自觉的就想起了整车电子电器架构原理图？

架构可不是一张图那么简单。架构是基于复杂系统的一个概念，体现的是系统之内的元素的基本结构和关系，是一种系统设计和演进的原则。

架构并不是一个实体，而是一个抽象的概念。架构不是一种技术，而是一种类似于艺术的东西。架构既不是某种具体的零部件，更不是某一张图纸，而是一种顶层设计。架构不但包含了系统中的各种实体元素，也包含了这些元素之间的关系，还包含了设计这些元素，乃至整个系统的设计原则。

软件架构是软件系统的结构，规定了系统中的各个组成部分及其之间的关系、逻辑和运行机制。硬件架构是硬件设备的结构，规定了硬件设备的组成、功能和实现方式。系统架构则是对已确定的需求（成本、周期、质量、稳定性等）的技术实现构架，需要做好规划，运用成套、完整的工具，在规划的步骤下去完成任务，它是系统的硬件和软件之间的衔接。

EEA架构，也称为电子电气架构（Electrical Electronic Architecture），是由德尔福公司提出的。它将传感器、ECU、线束、电子电气分配系统、通信网络等进行整合，实现了汽车整体的配置和功能的实现。EEA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，包括物理布置、能量管理（供电）、信号网络、数据网络、控制逻辑、执行链路、反馈、容错、诊断等等，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，是集合汽车的电子电气系统原理设计、中央电器盒供配电与电平衡设计、连接器的设计、电子电气分配系统等设计为一体的整车电子电气解决方案的概念。

EEA架构的优点包括：

实现了传感器、ECU、线束、电子电气分配系统的整合，简化了整车电子电气架构，降低了成本。

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。

然而，EEA架构也存在一些缺点：

对于复杂的电子电气系统，需要更多的开发和调试时间，以满足系统的功能需求。

对于新的电子部件和子系统，需要进行额外的测试和验证，以确保其与现有系统的兼容性和稳定性。

对于车辆的更新和升级，可能需要更多的改动和重新配置，增加了开发成本和时间。

华为CCA架构是一种计算和通信架构，主要具有以下设计理念：

软件可升级：可以做到跨车型、跨软件，甚至跨车企的软件重用。

硬件可扩展：可升级，传感器即插即用。硬件来讲，要做到可扩展、可更换，甚至做到传感器的即插即用。

在“摩尔定律”的作用下，电子电池部件更新换代是非常快的，但是换车的话可能要5-10年。因此，华为CCA架构旨在通过软件和硬件的可升级性和可扩展性，提高车辆的智能化水平和用户体验。

2.汽车电子电气架构的发展

汽车诞生之初是个纯机械产品，车上没有蓄电池，车上的设备亦不需要电力，1927年博世开发出车用铅蓄电池，从此车上的电子设备才有了可靠的电力来源。

1971年以前，开始生产技术起点较低的交流发电机、电压调节器、电子闪光器、电子喇叭、间歇刮水装置、汽车收音机、电子点火装置和数字钟等。

1974年～1982年，大规模集成电路的发展让汽车电子得以快速发展，以集成电路和16位以下的微处理器在汽车上的应用为标志。发动机定时点火控制系统、电控燃油喷射系统、自动变速箱控制系统、牵引力控制系统、电控悬架系统、自动门锁、自动灯光系统、自动除霜、电控座椅、电控车窗、仪表、电控空调、高速警告系统、防盗系统、汽车电子稳定控制系统、实车故障诊断等电子产品，逐步成为了汽车不可或缺的组成部分。这期间最具代表性的是电子汽油喷射技术的发展和防抱死(ABS)技术的成熟，使汽车的主要机械功能用电子技术来控制。但是，在此阶段机械与电器的联接并不十分理想。

1982年～1990年，微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，并向智能化方向发展。开发的产品有胎压控制、数字式油压计、防睡器、牵引力控制、全轮转向控制、直视仪表板、声音合成与识别器、电子负荷调节器、电子道路监视器、蜂窝式电话、加热式挡风玻璃、倒车警示系统、高速限制器、自动后视镜系统、道路状况指示器、电子冷却控制和寄生功率控制等。此时电子电气架构较为简单，每个ECU（电子控制单元）通常只负责控制一个单一的功能单元，彼此独立。

模块化阶段：随着技术的发展，汽车电子电气架构进入了模块化阶段，一个功能对应一个ECU硬件。1993 年，奥迪 A8 上使用了 5 个 ECU，最开始 ECU仅仅用于控制发动机工作，随着汽车技术的进步，ECU 肩负起了越来越多的重担，例如防抱死制动系统、主动悬架系统、安全气囊系统、自动变速箱都需要单独的控制系统，越来越多的 ECU 出现在汽车上，汽车添加的诸多设备都需要 ECU 的管理，为了减少ECU的数量，逐渐过渡到了功能集成阶段。

功能集成阶段：在功能集成阶段，一个ECU开始集成多个功能，原本由两个或多个ECU分别执行的功能被合并在一个控制器上，例如发动机控制和自动变速箱控制集成在一个控制器上，车辆信息显示和娱乐系统功能集成在一个控制器上。

域集中式架构：在这个阶段，进一步实现了ECU的集成，并引入了域控制器（DCU）。在集中化阶段，整车被划分为5至7个域，每个域配置一个DCU，每个DCU管理多个ECU。在博世经典的五域架构中，整车被划分为动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域和车身域，完全集成了所有控制功能。

中央域控制器阶段：随着智能化的需求，汽车电子电气架构进一步演进到中央域控制器阶段，多个ECU通过总线或网络连接在一起，由一个高性能的中央处理器集中处理所有的传感器和执行器信号。

在跨域融合阶段，整车功能在域的层面进一步集成，具有相似性的多个域实现功能融合。由于动力域、底盘域和车身域涉及的计算和通信具有相似性，这三个域合并成整车控制域，智能座舱域和智能驾驶域则舱驾融合，实现硬件和软件的解耦，提高了开发效率和模块化程度，共同构成了面向汽车新时代的整车架构。

面相高阶自动驾驶则又有人提出了车载中央电脑软件分区架构。

随着软件定义汽车的趋势，未来的汽车电子电气架构将更加集中化、智能化和高效化。通过高度集成和智能化的电子电气架构，可以实现更加灵活的功能配置、更加高效的能源管理和更加智能的安全防护。综上所述，汽车电子电气架构的发展是一个不断演进的过程，随着技术的进步和市场需求的变化，新的架构将不断涌现，为汽车产业的可持续发展注入新的动力。

3.汽车电子电气架构的设计

汽车电子电气架构的设计是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，包括功能需求、性能要求、安全性、可靠性、可实现性、成本等。以下是一些设计汽车电子电气架构的关键步骤和考虑因素：
确定架构类型：最先进的并不一定是最合适的，需要根据实际需求和目标，选择合适的架构类型，如分布式、模块化、集成式、中央式等。

功能需求分析：深入分析汽车的各项功能需求，确定所需的传感器、执行器和控制逻辑。

性能要求设定：根据汽车的性能指标和安全要求，设定电子电气架构的性能要求，如电平衡、数据处理能力、通信带宽、系统稳定性等。

拓扑结构设计：根据架构类型和功能需求，设计电子电气架构的拓扑结构，确定ECU的数量、连接方式和通信协议。

硬件设计：根据功能需求和性能要求，设计ECU的硬件，包括微控制器、电源模块、接口电路等。

软件设计：编写和测试软件代码，实现汽车的功能需求和控制逻辑。

集成和测试：将各个ECU集成在一起，进行系统级的测试和验证，确保电子电气架构的可靠性和性能。

优化和改进：根据测试结果和反馈，对电子电气架构进行优化和改进，提高性能和降低成本。