關(guān)于「域控制器」，安波福的思考與實(shí)踐

區域控制器看似功能簡(jiǎn)單，但其對簡(jiǎn)化汽車(chē)架構，進(jìn)一步提升汽車(chē)性能卻是至關(guān)重要的一步。

作者 | 李雷

當前，在幾大主流趨勢的合力驅動(dòng)下，車(chē)輛設計與制造方式領(lǐng)域的變革已如箭在弦，不得不發(fā)。

車(chē)輛所載的電子控制單元（ECU）數量不斷增加，進(jìn)而提高了電源和數據分配的布線(xiàn)難度。

支持主動(dòng)安全功能的傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，帶來(lái)了I / O復雜性不斷提升。

而人工成本的上漲則促使制造商尋找自動(dòng)化程度更高的線(xiàn)束組裝方案。

電力需求也在朝著(zhù)混合動(dòng)力和純電池電動(dòng)汽車(chē)的方向不斷發(fā)展，以期進(jìn)一步實(shí)現電氣化。

無(wú)論就何種車(chē)輛而言，面對這些難題時(shí)，區域控制器都是解決方案的關(guān)鍵所在。

通過(guò)在關(guān)鍵位置配置區域控制器，整車(chē)制造商不僅可以降低復雜性和成本，還可以加快面向未來(lái)車(chē)輛架構的遷移進(jìn)程。

汽車(chē)行業(yè)已步入了其誕生以來(lái)最令人振奮的時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步有望帶來(lái)前所未有的安全性、生產(chǎn)率和環(huán)境效益。

不過(guò)，具備自動(dòng)駕駛功能的純電動(dòng)汽車(chē)不可能在一夜之間成為市場(chǎng)主流，對大多數人而言,也不太可能在價(jià)格方面都能承擔。

汽車(chē)制造商意識到，他們需要著(zhù)眼當下及未來(lái)，構建符合時(shí)代需求的汽車(chē)基礎架構。

藉由此，區域控制器應運而生。

在汽車(chē)架構中，區域控制器作為節點(diǎn)，扮演著(zhù)集線(xiàn)器的角色，可滿(mǎn)足車(chē)輛空間內物理設備（各種傳感器、外圍設備和制動(dòng)器）的配電和數據連接需求。

區域控制器看似功能簡(jiǎn)單，但其對簡(jiǎn)化汽車(chē)架構，進(jìn)一步提升汽車(chē)性能卻是至關(guān)重要的一步。

智能熔斷功能

作為配電集線(xiàn)器，區域控制器自然也囊括了智能熔斷模塊。由半導體取代了繼電器中的傳統熔斷熔絲，以實(shí)現智能熔斷。

這種方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

首先，智能熔斷可對整個(gè)車(chē)輛中的保險絲實(shí)現集中管理，從而實(shí)現更好的能源管理。這對于電動(dòng)汽車(chē)而言尤為重要；如果電池電量不足，系統可以通過(guò)智能保險絲智能地暫時(shí)關(guān)閉某些非關(guān)鍵車(chē)輛功能。

例如，一些功率大卻不太重要的功能，如座椅加熱器或車(chē)窗加熱器等。系統會(huì )決定在短時(shí)間內關(guān)閉這些功能，而駕駛員并不會(huì )覺(jué)察到這種變化，這樣就能在車(chē)輛處于負載峰值（如急轉彎時(shí)的動(dòng)力轉向）時(shí)為更重要功能騰出電力。

其次，智能保險絲可以檢測到連接的電線(xiàn)何時(shí)會(huì )斷電，并將該信息傳遞回中央系統。此種預判性維護有助于駕駛員解決潛在問(wèn)題，避免影響車(chē)輛運行。對于負責維護大量車(chē)輛的車(chē)隊運營(yíng)商而言，這一點(diǎn)尤其重要。

傳統保險盒與智能熔斷器對比

第三，智能熔斷可節約布線(xiàn)成本。過(guò)去，電線(xiàn)的直徑設計必須比實(shí)際需要大30％，提升電線(xiàn)在峰值負載狀態(tài)下的承受力，防止保險絲熔斷。

與之不同的是，通過(guò)智能熔斷，車(chē)輛可以設定電線(xiàn)在特定時(shí)間段內可負載的物理極限。這意味著(zhù)，通?？梢钥s小線(xiàn)規（如，從4mm2降低至2.5mm2），從而減輕重量。

向上集成的節點(diǎn)

區域控制器也是多個(gè)ECU合理的集流點(diǎn)。

隨著(zhù)遍及車(chē)身的傳感器等電子組件不斷增多，再增加獨立的ECU不僅會(huì )帶來(lái)額外重量，并且，由于每個(gè)ECU都需要單獨的電源和數據連接，使架構中的線(xiàn)束系統越來(lái)越復雜。

為了節省空間、簡(jiǎn)化管理和物理架構，整車(chē)制造商正致力于用集中式的解決方案替代分布式計算模型。

區域控制器在這種轉變過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用，因為它作為最佳位置，可以?xún)?yōu)化匯集各種傳感器、外圍設備和制動(dòng)器的輸入/輸出（I / O），以及向上集成電子控件的功能。

車(chē)身和安全控制、HVAC控制、音頻管理以及與非ADAS相關(guān)的車(chē)輛傳感器和制動(dòng)器等等，都是適合向上集成的ECU。

在一項針對某家整車(chē)制造商的研究中，全球知名汽車(chē)零部件公司安波福發(fā)現，使用區域控制器可以整合9個(gè)ECU，并少用數百根單獨電線(xiàn)，從而使車(chē)輛的重量減少了8.5千克。

而每減輕一磅的重量，不但有助于減少二氧化碳的排放，還可以延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的續駛里程。

此外，由于區域控制器將車(chē)輛的基本電氣結構劃分為更易于管理的組成部分，更容易實(shí)現自動(dòng)化線(xiàn)束組裝。

在配線(xiàn)成本中，人工費約占一半。而隨著(zhù)勞動(dòng)力成本的增加，安波福預計，在未來(lái)五年中，不同國家組裝所需的勞動(dòng)力成本可能會(huì )增加25％至50％不等。

制造商將企圖借助自動(dòng)化生產(chǎn)，抵消不斷上漲的成本，但是，除非具備全新的架構，否則在傳統的架構中實(shí)現自動(dòng)化對于而言，將是一座空中樓閣。

向上集成到區域控制器，可以降低當前狀態(tài)下線(xiàn)束的物理復雜性，并減少ECU的數量；軟件從而將成為焦點(diǎn)所在，因為各種功能已集成到了區域控制器和其它集中式設備當中。

這成為邁向軟件定義車(chē)輛的必經(jīng)之路。

為簡(jiǎn)化這一過(guò)程并確保整車(chē)制造商可以自由地重復使用現有軟件，包括安波福等廠(chǎng)商正致力于設計可持續軟件架構，令集成變得更加簡(jiǎn)單、更加高效，同時(shí)在必要時(shí)避免功能之間的相互干擾。

將I/O與計算設備分離開(kāi)來(lái)

隨著(zhù)所有傳感器、外圍設備和制動(dòng)器都直接連接到了域控制器，位于車(chē)輛不同位置的雷達、攝像頭、激光雷達和超聲波傳感器，都將通過(guò)數據線(xiàn)路連接至主動(dòng)安全域控制器。

同樣，座椅位置傳感器、用于調節座椅位置的電動(dòng)機控制裝置、以及用于加熱座椅的溫度傳感器，都被連接到座椅ECU。

而HVAC風(fēng)扇速度控制裝置和區域氣溫控制裝置的溫度傳感器會(huì )連接到HVAC ECU，等等。

然而，在應用區域控制器的架構中，每個(gè)傳感器和制動(dòng)器都會(huì )根據其位置連接到本區域的區域控制器。

然后，區域控制器將實(shí)施本地數據轉換、數據聚合，并通過(guò)單根高速電纜將其傳輸至計算設備。

計算設備實(shí)際上僅用于處理信息，而這樣就可以將I/O從其中抽離出來(lái)。

區域控制器會(huì )通過(guò)以下設備處理與終端設備的通信情況，如控制器區域網(wǎng)絡(luò )（CAN）、與ECU或與車(chē)身控制傳感器和制動(dòng)器相連的本地互連網(wǎng)絡(luò )（LIN）總線(xiàn)、攝像頭或其它高級駕駛員輔助系統（ADAS）傳感器相連的以太網(wǎng)或低壓差分信號（LVDS）接口，根據每種設備的首選格式。

然后，它將這些信號匯集到用于高帶寬ADAS傳感器的以太網(wǎng)或PCI Express上，或用于低帶寬車(chē)身控制功能的CAN-FD（CAN靈活數據速率）上，并將數據傳輸到相應的域控制器。

譬如安波福的智能汽車(chē)架構（SVA）?方案，區域控制器涵蓋了對應不同自動(dòng)化水平的可定制車(chē)型。

處理過(guò)程將由幾部中央計算設備分擔。開(kāi)放服務(wù)器平臺（Open Server Platform）負責為計算密集型應用服務(wù)，如ADAS和用戶(hù)體驗應用。

動(dòng)力總成和底盤(pán)控制器負責車(chē)輛動(dòng)力方面的應用，包括發(fā)動(dòng)機/變速器、制動(dòng)、轉向和懸架。

車(chē)輛中央控制器（CVC）則負責車(chē)身控制及全車(chē)網(wǎng)絡(luò )管理。就添加軟件定義功能的位置與方式而言，不同整車(chē)制造商的選擇可能會(huì )略有不同，不過(guò)，實(shí)現此方案所需的基本原理和技術(shù)構建模塊卻是一樣的。

CVC還是所有區域控制器的車(chē)身和電源主控器，處理車(chē)輛與外界的通信。CVC能夠接收無(wú)線(xiàn)（OTA）更新，并根據需要分發(fā)至各車(chē)輛系統。它與區域控制器直接相連并向其發(fā)送更新信息，區域控制器繼而可依次更新與其相連的其它單元。

最終，通信將會(huì )不斷演進(jìn)。車(chē)身控制可以通過(guò)CAN-FD網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，其星形拓撲以CVC為中心。當采用便于管理的區域網(wǎng)絡(luò )時(shí)，星形拓撲是一種行之有效的方法，它還可以支持選擇性喚醒。

ADAS傳感器通信將通過(guò)基于以太網(wǎng)高時(shí)效網(wǎng)絡(luò )標準或汽車(chē)串行總線(xiàn)（PCI Express）的單獨網(wǎng)絡(luò )處理，并通過(guò)單獨的星形拓撲網(wǎng)絡(luò )連接到CVC。當需要冗余時(shí)（3級自動(dòng)駕駛或更高級別），ADAS傳感器網(wǎng)絡(luò )將形成兩個(gè)閉環(huán)，環(huán)上的主要節點(diǎn)包括中央計算節點(diǎn)、CVC和區域控制器。

環(huán)形拓撲在此取代了星形拓撲；它成本相對而言略高，但遭遇故障時(shí)仍能可靠地運作，且能夠避免重復傳輸。因而，對于3級自動(dòng)駕駛或更高級別的自動(dòng)駕駛而言，它比其它方案更具成本效益。

轉向48V電氣系統架構

區域控制器的另一項應用體現在其簡(jiǎn)化了向48V電氣系統架構的轉變。

此種系統架構支持所謂的“輕混動(dòng)力系統”車(chē)輛，能夠以30％的成本實(shí)現全混合動(dòng)力系統70％的功能，并將燃油經(jīng)濟性提高15％至20％。同時(shí)，它們能夠在低于60V的電壓下正常工作，因而無(wú)需更換為更昂貴的組件，也沒(méi)有高壓系統和純電動(dòng)汽車(chē)要求的布線(xiàn)需要。

48V電氣系統為車(chē)輛設計人員帶來(lái)了諸多方便，因而日漸受到歡迎。

48V電氣系統可以提升輕混動(dòng)力車(chē)輛自動(dòng)啟動(dòng)/停止功能的流暢性，比如，車(chē)輛會(huì )在停車(chē)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機，并在駕駛員將釋放制動(dòng)器時(shí)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。同樣，借助電子渦輪，它還可幫助整車(chē)制造商實(shí)現性能提升。

與搭載內燃機相比，搭載48V電氣系統能更有效地為空調壓縮機、發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇和動(dòng)力轉向等主要電氣部件供電。該電氣系統能夠以更低的電流提供同樣高的功率，因而降低能量損耗。因為電流越低，導體固有電阻損耗的功率就越少。

48V電氣系統架構還解決了冷啟動(dòng)過(guò)程中電壓下降的問(wèn)題。如果在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)啟動(dòng)車(chē)輛，12V電源可能會(huì )不穩定，降低至3V或4V。如果一款電子組件需要5V電流，將導致組件重置。過(guò)去，發(fā)生這種情況時(shí)，車(chē)輛架構必須采用反向升壓電源，維持所需的高電壓。相比之下，采用48V電氣系統架構的系統就不會(huì )出現電壓波動(dòng)，不會(huì )導致組件因電壓過(guò)低而重置，這意味著(zhù)它將不再需要反向升壓。

穩步發(fā)展

我們面臨的一大挑戰是，大多數用于車(chē)輛的電氣組件仍按傳統的12V標準設計。

一些車(chē)輛設計人員為車(chē)輛配置了兩個(gè)獨立的系統（每個(gè)配有單獨的電池），一個(gè)電壓為12V，用于舊組件，另一個(gè)電壓為48V，用于更新的連接組件。 

區域控制器能夠簡(jiǎn)化這種架構。

采用區域控制器架構后，車(chē)輛只需配備一個(gè)電池電源，它能夠提供48V電壓并將電源分配給區域控制器。根據配置，區域控制器可以向適配組件提供48V的電壓，同時(shí)可以將電壓降低至12V，供其它不適配的組件使用。

如，想要將門(mén)控制器中的全部發(fā)動(dòng)機和其它電氣組件從12V轉換為48V，可能成本高昂。

相反，整車(chē)制造商可能會(huì )選擇僅將車(chē)窗升降器轉換為48V，因為它需要的功率最大，而將所有其它組件的電壓保持在12V或更低。區域控制器可以根據需要處理此種轉換過(guò)程。

區域控制器因實(shí)現未來(lái)車(chē)輛技術(shù)的階段性方案贏(yíng)得了廣泛關(guān)注。

整車(chē)制造商能夠快速地實(shí)現降低成本和減輕重量這一目標，為智能汽車(chē)架構奠定基礎，并為功能豐富、高度自動(dòng)化車(chē)輛開(kāi)創(chuàng )美好未來(lái)。