区域控制器在新架构中的作用解读

来源 | 汽车ECU开发

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几个关键的趋势正在共同推动汽车设计和制造方式的改变：

1.汽车中的电子控制单元(ECU)数量不断增加，造成了电力和数据分配所需布线的复杂性不断增加；

2.支持主动安全特性的传感器技术的爆炸式增长使得I/O变得更加复杂；

3.不断上升的劳动力成本促使制造商寻找更自动化的线束组装；

4.电力需求也在不断发展，以实现更大程度的电气化，向混合动力和纯电动汽车发展。

解决上述问题的关键是区域控制器。通过采用区域控制器方案，OEM不仅可以降低复杂性和成本，还可以加速向智能汽车架构迁移。

汽车工业已经进入了有史以来最激动人心的时刻，技术的进步有望带来无与伦比的安全性，更高的生产率和更好的环境利益。但具有自动驾驶功能的全电动汽车不可能在一夜之间成为主流或平价。OEM意识到，他们需要为当下和未来的汽车建立正确的架构基础。

区域控制器是这个基础的一部分。区域控制器是汽车中的节点，在汽车的一个物理区域内，为各传感器、执行器等设备提供电源分配和数据连接需求。它的作用可能听起来很简单，但助力当下复杂的汽车向前迈进几步是必要的。

智能熔断器

作为区域配电枢纽，区域控制器自然需要配置智能熔断器。有了智能熔断器，传统的继电器盒被半导体取代，这种方法带来以下几个优点。

首先，智能熔断器可以更好地进行能源管理，因为可以集中管理整车的保险丝。这对电动汽车尤其重要；如果电池电量不足，系统可以使用智能保险丝在整个车辆内智能地短时间关闭某些功能。例如需要大量电力的次要功能包括座椅加热器或窗户加热器等。该系统可以在司机察觉不到的短时间内关闭这些功能，以便为更重要的功能需要高峰负载时释放能量，例如急转弯时的动力转向。

其次，智能熔断器可以检测到连接在它上的线束何时接近故障，并将信息传回中央系统。这种预测性维护可以帮助驾驶员在潜在问题影响车辆运行之前解决它们。这对负责维护大量车辆的车队经营者尤其重要。

第三，智能熔断可以节省布线。在过去，电线的直径必须比实际需要大30%，以允许在不熔断保险丝的情况下承受峰值负荷。相比之下，使用智能熔断，电线可以指定在指定时间内负载的物理极限。

图1 传统保险盒与智能熔断器对比

提高集成度

区域控制器也是多个ECU的逻辑集中点。随着车辆中传感器和其他电子元件的数量不断增加，增加单独的ECU变得很笨拙。每个ECU都需要自己的电源和数据连接，这使得布线要求非常复杂。为了节省空间、简化管理和简化物理架构，OEM正从分布式架构转向更加集中的架构。区域控制器在这种迁移中起着关键的作用，因为它是整合来自各种传感器、外设和执行器输入/输出(I/O)的逻辑位置，也可以提升某些电子控制的功能。ECU升级集成可以成熟的功能实例，包括车身和安全控制、空调控制、音频管理以及非adas相关的车辆传感器和驱动。

在一项针对一家OEM的研究中，Aptiv发现，使用区域控制器可以整合9个ECU，消除数百条单独的电线，从而使整车重量减少8.5kg。每减轻一点重量都能减少二氧化碳排放，并提高电动汽车的续航里程，如图2所示。

图2 减少线束的例子

此外，由于区域控制器使车辆的电气基础设施更易于管理，组装线束变得更容易实现自动化。Aptiv估计，根据组装地点的不同，劳动力成本在未来五年内可能增加25%到50%。制造商将转向自动化来抵消成本上升的影响，但目前的线束设计不可能实现自动化。它需要一个新的架构。

区域控制器的升级降低了当前电缆线束和大量单个ECU的物理复杂性，并将重点放在软件上，因为多种功能集成到区域控制器和其他集中设备中。这是向软件定义汽车发展的下一步。为了简化这一过程，并确保OEM可以自由重用现有软件，Aptiv正在致力于可持续的软件架构，旨在使集成更容易、更有效，同时支持在需要时免受功能之间的干扰。

将I/O与计算分离

现在，所有的传感器、外设和执行器直接连接到域控制器。雷达、摄像头、激光雷达和超声波传感器都从车辆的不同位置通过数据线连接到一个主动安全域控制器。类似地，座椅位置传感器、用于调整座椅位置的电机控制以及用于加热座椅的温度传感器都连接到座椅ECU。用于HVAC的风扇转速控制和用于区域气候控制的温度传感器连接到HVAC ECU等。

在使用区域控制器体系结构中，每个传感器和执行器都根据其位置连接到本地区域控制器。然后区域控制器执行一些本地数据转换，汇总数据并通过高速电缆将数据传送至中央控制单元。

通过这种方式，I/O从实际处理信息的计算中抽象出来。区域控制器通过控制器CAN或LIN总线与ECU或与车身控制相关的传感器通信，或者通过以太网或LVDS与摄像头或其他ADAS传感器进行通信。

图3 区域控制器架构，区域控制器的数量可以根据需求设定，以上是三个示例

在Aptiv的智能车辆架方法中，区域控制器包括可定制的模型，与逐步提高的自动化水平相对应。处理过程分布在几个中央计算设备中。开放服务器平台负责计算密集型应用程序，如ADAS、用户体验等。动力总成和底盘控制器负责车辆动力学，包括电机/传动、制动、转向和悬挂。车辆中央控制器(CVC)负责车身控制和整体网络管理。虽然不同的OEM在添加这些软件定义特性的位置和方式上可能选择不同的方法，但实现这种方法所需的基本原则和技术构建块是相同的。

CVC也是所有区域控制器的主体和电源控制单元，它处理与外部世界的通信。它接收OTA更新，并根据需要将它们分发到车辆中的系统。它通过以太网与区域控制器连接，所以它可以向它们发送更新，而区域控制器可以更新连接到它们的其他ECU。

最终，当将网络组织成可管理的区域时，星型拓扑是一种有效的方法，并且它可以支持选择性唤醒。ADAS传感器通信将通过一个独立的网络处理，该网络基于TSN以太网，通过一个单独的星型拓扑网络连接到CVC。当需要冗余时(L3或更高)，ADAS传感器网络将形成两个环，环上的主要节点包括中央计算节点、CVC和区域控制器。虽然环形拓扑比星型拓扑稍微贵一些，但它可以可靠地提供故障操作性能。因此，它比支持L3或更高级别自动化的其他方法更划算。

低压升级至48V

区域控制器的另一个应用是，它们简化了向48V电气架构的迁移道路。这些架构支持所谓的“轻度混合动力”车辆，能够以30%的成本实现全混合动力系统70%的效益，并提高15%至20%的燃油经济性。因为它们的电压仍然低于60V，不需要使用与高压系统和全电动汽车相关的更昂贵的组件和线路。

这些48V系统越来越受欢迎，因为它们为汽车工程师提供了许多好处。例如，48V系统可以提高轻度混合动力汽车的自动启动/停止功能的平稳性——当车辆停止时自动关闭引擎，当司机抬起脚离开刹车时重新启动引擎。类似地，它也允许OEM通过集成的电子涡轮提供性能提升。

向48V的转变也解决了冷启动过程中电压下降的挑战。如果汽车在环境温度过低时启动，12V电源的波动可能使电压低至3V或4V。如果一个电子组件需要5V，这种波动会导致该组件复位。在过去，汽车架构必须使用一个反向升压电源来保持电压。相比之下，使用48V的系统则不会波动到足够低的水平来重置这些组件，这意味着可以消除后升压。

目前的挑战是，汽车上的大多数电子组件仍然是按照传统的12V标准设计的。一些汽车工程师已经采用了两个独立的系统，它们各自使用自己的电池——一个是12V，用于那些传统组件，另一个是48V，用于新的连接。

区域控制器简化了体系结构。在区域控制器架构下，车辆只有一个48V电池源，并将电源分配给区域控制器。区域控制器配置为准备好的组件提供48V，并可以同时将电源降至12V，为未准备好的组件提供电源。

这种技术迁移的增量方法是区域控制器引人注目的原因。OEM可以实现节约成本和轻量化，同时也为未来智能汽车架构奠定必要的基础，使未来功能丰富、高度智能化的汽车成为可能。