汽车电子电气架构技术分析报告

汽车电子电气架构技术分析报告
2020年7月
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。

表1：E/E架构为汽车电子电气设计提供了整体的解决方案
物理层面车身信息涉及部件
电源分配、信号网络、数据网络、诊断、容错、能量管理动力总成、
驱动信息、
娱乐信息等等
软件层、控制单元层、
传感器、电力电子等
数据来源：市场研究部
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%。

表2：ECU/DCU 在各组件中市场规模占比最高（单位：亿美元）
组件软件2020年组件市场规模
200
920
130
200
630
300
ECU/DCU
集成、验证
动力系统
其它电子器件
传感器
数据来源：麦肯锡《汽车软件与电子 2030》，市场研究部
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，小部分车企出现分域的概念。

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。

图1：大众品牌汽车整车ECU数量超过70个
数据来源：Kingslayer
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。

图2：部分车企将ECU进行域的划分
数据来源：Bosch
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。

图3：传统汽车软件架构为面向信号的架构
数据来源：Vector Congress 2016
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。

图4：CAN总线以总线通信方式进行信息收发
数据来源：车载网络杂谈
表3：对比其他传统总线，CAN总线具有很大的优势
CAN总线优势
高通信速率优势原因具体信息
多主方式工作CAN总线废中任意一个节点可以向
任何其他节点发起数据通信，因而
可以实现多主方式工作
CAN总线采用非破坏性仲裁技术，
总线仅仅被那些请求总线悬而未决
的站利用
非破坏性仲裁
短帧结构采用短帧结构，每一帧的有效字节
数为8个，数据传输时间短，受干
扰的概率低，重新发送的时间短
采用总线技术，模块之间的信号传
递仅需要两条信号线
性价比高总线技术
布线局部化检错措施可靠车上除总线外不再需要其他所有横贯车身的线，节省布线成本
检错处理高效每帧数据的CRC校验及其他检错措
施是数据传输的高可靠性的保证，
也使其适于在高干扰环境下使用
在节点错误严重时候，CAN总线具
有自动关闭总线的功能，切断错误
节点与总线的联系，尽可能保证总
线上其他操作不受影响
数据来源：中国电子网，市场研究部
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代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，功能根据 ECU 进行一定程度的分离，功能与 ECU 一一对应；2、出现分域的概念，包括动力、底盘、车身等等域，同一个域的 ECU 被合并，域与域的交流较少；3、通过控制网关跨功能连接加强域与域的联系，可以处理更加复杂的功能，比如自动驾驶；4、出现核心域控制器对功能进行整合，可以实现更复杂的功能；5、出现虚拟域，专属硬件减少，应用以太网加强通讯能力，汽车更像是一台高性能电脑。

伴随着集中化和软硬件的分离，多域控制器架构中将出现控制器交流跨
领域现象。

电子电气架构以一个控制单元来控制不同的领域，如信息娱乐和车身控制。

集中化将伴随着硬件和软件的分离，车辆系统被构建为一个分层架构，在操作系统（OS）和中间件层有清晰的抽象结构点。

跨领域交流在信息娱乐和驾驶辅助方向将变得常见，因为高性能、低安全性、延迟临界性的领域更容易也更有利于转变。

图5：目前OEMs 处于麦肯锡E/E 架构中第三代到第四代过渡的阶段
数据来源：麦肯锡《汽车软件与电子 2030》，市场研究部
ECU、DCU、MDC 分别可以代表汽车控制器发展的三个阶段：由电控单元 ECU 的数量急剧增多，到出现域控制器 DCU 的概念，再到分域控制的控制思路，汽车控制思路经历了两次大变革。