智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論-領(lǐng)域七 汽車電子電氣架構(gòu)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論汽車電子

電氣架構(gòu)PART7

隨著現(xiàn)代汽車功能不斷增加，ECU數(shù)量大幅上升，一般車型上已經(jīng)達(dá)到了70-80個，代碼行數(shù)達(dá)到了億級，復(fù)雜度超過了安卓系統(tǒng)。在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中，不同的ECU來自不同的供應(yīng)商，軟硬件各異，架構(gòu)分布式，軟件升級幾乎與車壽命同步，這影響了用戶體驗。為了加速軟件創(chuàng)新，人們從分布式架構(gòu)演變到了集中式架構(gòu)，并引入了“域”的概念。單一的ECU已不再是主流，更加注重系統(tǒng)方案和軟件集成。情景導(dǎo)入

2012年，特斯拉率先在ModelS上使用OTA技術(shù)，用于更新ADAS、電池管理和動力系統(tǒng)等。多年來，OTA已成為智能車必備的功能，越來越多的車企采用它，將其視為增強(qiáng)車輛功能的關(guān)鍵。對于汽車OTA，常用于增加功能，讓車輛不斷進(jìn)化，帶來新的體驗，例如通過OTA更新車載娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)，為用戶提供更好的體驗。FOTA可以用于提高性能，例如更新空調(diào)、底盤、電驅(qū)動、電池和ADAS等系統(tǒng)。情景導(dǎo)入學(xué)習(xí)單元一汽車電子電氣架構(gòu)概述

在數(shù)字化重塑的浪潮下，一場深刻的汽車電子電氣（E/E）構(gòu)架變革正在醞釀，從分布式架構(gòu)到域集中架構(gòu)，從域集中到跨域融合，從跨域融合再到最終的中央計算平臺，本節(jié)就域控制器的優(yōu)點和四大支柱做闡述。一、汽車電子電氣架構(gòu)概述1.域控制器

（1）使用域控制器集成化架構(gòu)的原因（2）使用域控制器集成化架構(gòu)的優(yōu)點2.域控制器發(fā)展趨勢

域控制器的興起對傳統(tǒng)的汽車MCU廠商造成了極大的挑戰(zhàn)，因為MCU使用量將大大減少，傳統(tǒng)的MCU產(chǎn)品其演進(jìn)路線將不復(fù)存在。在分布式ECU時代，計算和控制的核心是MCU芯片，如圖7-6，傳輸?shù)幕A(chǔ)核心是基于傳統(tǒng)的CAN、LIN和FlexRay等低速總線。下面分析一下域控制器以及核心的主控處理器的一些關(guān)鍵技術(shù)和趨勢。（1）高性能（2）高異構(gòu)性（3）高集成度（4）硬件虛擬化（5）ISO26262功能安全（6）網(wǎng)絡(luò)卸載引擎（7）安全引擎二、域控制器的四大支柱

域控制器的四大支柱分別是車載以太網(wǎng)、自適應(yīng)AutoSAR、集中式E/E架構(gòu)和高性能處理器。1.車載以太網(wǎng)（1）車載以太網(wǎng)物理層（2）車載以太網(wǎng)協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)集—TSN的由來（3）TSN的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)2.自適應(yīng)AutoSARAutoSAR只是一個軟件框架，不具備實操意義。3.E/E架構(gòu)先進(jìn)E/E架構(gòu)實際就是車載以太網(wǎng)和自適應(yīng)AutoSAR的具體應(yīng)用。4.高性能處理器學(xué)習(xí)小結(jié)1.為了解決分布式E/E的這些問題，人們開始逐漸把很多功能相似、分離的ECU功能集成整合到一個比ECU性能更強(qiáng)的處理器硬件平臺上，這就是汽車“域控制器（DomainControlUnit，DCU）"。2.域控制器是汽車每一個功能域的核心，它主要由域主控處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件及算法等三部分組成。3.BOSCH把汽車E/E劃分為5個域：動力域（PowerTrain）、底盤域（Chassis）、車身域（Body/Comfort）、座艙域（Cockpit/Infotainment）、自動駕駛域（ADAS）。學(xué)習(xí)小結(jié)4.采用域控制器，集成了ECU，車輛能夠去掉多個微控制器、電源、外殼和銅線，大大簡化了汽車電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)集成和制造自動化，降低了電子部件重量，提高了行駛效率。5.在域控制器時代，高性能、高集成度的異構(gòu)SoC芯片作為域的主控處理器，將成為域控制器的計算與控制的核心芯片。6.骨干網(wǎng)未來勢必會基于TSN以太網(wǎng)來構(gòu)建，但是從域主控處理器到ECU或者傳感器之間的通信則仍然是基于傳統(tǒng)的車載低速總線，比如：CAN、FlexRay等。知識鞏固知識鞏固作為傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈中最核心的供應(yīng)商之一，博世是最早提出域控制器概念的企業(yè)之一。但博世的思路仍然受到傳統(tǒng)的模塊化電子架構(gòu)影響，其在2016年提出了按照功能分區(qū)的五域架構(gòu)，將整車的ECU整合為駕駛輔助、安全、車輛運動、娛樂信息、車身電子5個域，不同域之間通過域控制器和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。在當(dāng)時看來，這一方案已經(jīng)能夠大大減少ECU數(shù)量，然而用今天的眼光來看，每個域內(nèi)部仍然需要較為復(fù)雜的線束連接，整車線束復(fù)雜度仍然較高。同樣是域控制器，特斯拉的域控制器思路始終是更為領(lǐng)先的。學(xué)習(xí)單元二

汽車電子電氣架構(gòu)實例一、特斯拉域控制器解決方案1.車身域與博世形成對比，特斯拉model3在2016年發(fā)布，2017年量產(chǎn)上市，與博世的報告幾乎處于同一時期。然而，model3的域控制器架構(gòu)核心直接從功能變成了位置，3個車身控制器就集中體現(xiàn)了特斯拉造車的新思路。按照特斯拉的思路，每個控制器應(yīng)該負(fù)責(zé)控制其附近的元器件，而非整車中的所有同類元器件，這樣才能最大化減少車身布線復(fù)雜度，充分發(fā)揮當(dāng)今芯片的通用性和高性能，降低汽車開發(fā)和制造成本。所以特斯拉的三個車身域控制器分別分布在前車身、左前門和右前門前，實現(xiàn)就近控制。這樣的好處是可以降低布線的復(fù)雜度，但是也要求三個車身域要實現(xiàn)徹底的軟硬件解耦，對廠商的軟件能力的要求大大提高。以下分別介紹三個車身控制器的情況，車身域分為前車身域、左車身域、右車身域，如圖7-11和7-12。（1）前車身域（2）左車身域（3）右車身域2.駕駛域特斯拉的另一個重要特色就是其智能駕駛，這部分功能是通過其自動駕駛域控制器（AP）來執(zhí)行的。在model3所用的HW3.0版本的AP中，配備兩顆FSD（FullSelf-Driving，完全自動駕駛）芯片，每顆配置4個三星2GB內(nèi)存顆粒，單FSD總計8GB，同時每顆FSD配備一片東芝的32GB閃存以及一顆Spansion的64MBNORflash用于啟動，如圖7-12所示。網(wǎng)絡(luò)方面，AP控制器內(nèi)部包含Marvell的以太網(wǎng)交換機(jī)和物理層收發(fā)器，此外還有TI的高速CAN收發(fā)器。對于自動駕駛來說，定位也十分重要，因此配備了一個Ublox的GPS定位模塊。3.座艙域座艙域是用戶體驗的重要組成部分，特斯拉的座艙控制平臺也在不斷進(jìn)化中。特斯拉model32020款采用的是第二代座艙域控制器（MCU2），如圖7-13所示。4.電控域（1）IGBTIGBT，全稱為絕緣柵雙極晶體管，相當(dāng)于電力電子領(lǐng)域的“CPU”，屬于功率器件門檻最高的賽道之一。（2）SiC與IGBT類似，SiC同樣具有高電壓額定值、高電流額定值以及低導(dǎo)通和開關(guān)損耗等特點，因此非常適合大功率應(yīng)用。5.動力域Model3作為電動車，電能和電池的管理十分重要，而負(fù)責(zé)管理電池組的BMS是一個高難度產(chǎn)品，如圖7-15。學(xué)習(xí)小結(jié)1.按照特斯拉的思路，每個控制器應(yīng)該負(fù)責(zé)控制其附近的元器件，而非整車中的所有同類元器件，這樣才能最大化減少車身布線復(fù)雜度，充分發(fā)揮當(dāng)今芯片的通用性和高性能，降低汽車開發(fā)和制造成本。2.特斯拉的智能駕駛功能是通過其自動駕駛域控制器（AP）來執(zhí)行的。。3.當(dāng)前座艙控制器的算力普遍出現(xiàn)了過剩，剩余的算力完全可以用于滿足一些駕駛類的應(yīng)用，例如自動泊車輔助等。4.BMS最大的難點之一在于，鋰電池安全高效運行的條件是十分苛刻的，其二在于，不同的鋰電池之間必然存在不一致性。5.由于日本廠商在18650小圓柱電池上積累了豐富的經(jīng)驗，一年出貨量達(dá)到幾十億節(jié)，因而這類電池一致性較好，有利于電池管理，因此特斯拉在modelS上選用了小圓柱電池。6.BMS的一個重要功能就是電能轉(zhuǎn)換，包括將高壓直流電轉(zhuǎn)化成低壓直流電來供給車內(nèi)設(shè)備，或者將高壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電用于充電等，這一部分是通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS，也稱高壓配電盒）完成的。知識鞏固知識鞏固本節(jié)主要介紹OTA的架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、升級流程以及所面臨的挑戰(zhàn)。一、OTAOTA（OvertheAir），空中下載技術(shù)，是一種遠(yuǎn)程升級的功能。一開始用于汽車售后的功能升級，bug修復(fù)。后來很多功能都可以復(fù)用OTA這個服務(wù)，例如眾包地圖，影子模式，功能訂閱等等。OTA主要分為FOTA（FirmwareOverTheAir，固件在線升級）和SOTA（SoftwareOverTheAir，軟件在線升級）兩類。前者是對固件下載安裝鏡像，是一個系統(tǒng)性更新；后者是對部分應(yīng)用層軟件的迭代更新。在汽車電子領(lǐng)域，F(xiàn)OTA與SOTA界限比較模糊，通常將HU中的APP更新稱為SOTA，將其他ECU的更新甚至于所有更新統(tǒng)稱為OTA。學(xué)習(xí)單元三

空中下載技術(shù)OTA1.OTA架構(gòu)汽車OTA架構(gòu)主要包含云端服務(wù)器和車輛終端組建兩部分：（1）OTA云端服務(wù)器：為車載終端提供OTA服務(wù)，主要管理各個軟件供應(yīng)商的原始固件升級軟件。出于安全考慮，需要構(gòu)建一個獨立的子模塊，負(fù)責(zé)OTA服務(wù)平臺的安全，包括密鑰證書管理服務(wù)、數(shù)據(jù)加密服務(wù)、數(shù)字簽名服務(wù)等。（2）車輛終端OTA組件：對升級包進(jìn)行合法性驗證，適配安全升級流程。汽車OTA流程主要分為三步：管理和生成更新包、分發(fā)更新包、安裝更新包，具體如下：①管理和生成相關(guān)的更新包文件②分發(fā)并檢查③更新和刷新安裝2.OTA關(guān)鍵技術(shù)（4）觸發(fā)方式（2）差分升級（6）軟件管理（5）刷寫能力（7）升級安全（3）斷點續(xù)傳（1）回滾備份3.OTA升級流程汽車軟件升級一般從ECU的軟件新版本產(chǎn)生開始，到車端升級結(jié)果反饋回云端結(jié)束。升級過程涉及云端（由OEM來掌控）和車端（由用戶來掌控），雙方的交界點就在于升級任務(wù)的發(fā)布，用戶開始接受到升級通知。大致的流程描述如下：（1）軟件新版本（2）升級包生成（3）升級包測試（4）升級策略（5）升級任務(wù)（6）獲取通知（7）用戶授權(quán)（8）升級包下載（9）升級包安裝（10）升級結(jié)果反饋4.OTA的優(yōu)點對很多主機(jī)廠而言，OTA技術(shù)上車的主要動力是出于優(yōu)化成本的考慮。而OTA升級對互聯(lián)網(wǎng)車廠真正具有吸引力的地方在于它能夠?qū)崿F(xiàn)車輛重要功能的常用常新。通過OTA，汽車制造商通過軟件升級的方式可以在產(chǎn)品售出后通過增加功能的方式繼續(xù)獲得收入，使得汽車變成一件持續(xù)升值的產(chǎn)品。010203（2）快速迭代、提升產(chǎn)品和使用體驗(１)快速修復(fù)潛在系統(tǒng)缺陷（3）大幅降低售后成本5.OTA所面臨的挑戰(zhàn)（1）傳統(tǒng)整車廠還不具備OTA升級相關(guān)的條件（2）傳統(tǒng)電子架構(gòu)下，整車OTA非常耗時汽車軟件升級要比手機(jī)和電腦升級所消耗的時間長，主要的原因是：①汽車內(nèi)部各控制器的刷寫需要時間。②汽車內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度較慢。學(xué)習(xí)小結(jié)1.OTA主要分為FOTA（FirmwareOverTheAir，固件在線升級）和SOTA（SoftwareOverTheAir，軟件在線升級）兩類。2.汽車OTA架構(gòu)主要包含云端服務(wù)器和車輛終端組建兩部分。3.車與外部的交互更是汽車信息安全的薄弱環(huán)節(jié)。需要建立汽車網(wǎng)關(guān)防火墻，建立白名單；需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全配置，在云端進(jìn)行軟件加密和簽名流程，在整車端需要實現(xiàn)軟件解密和驗簽流程；軟件升級的整個過程需要加入實時的監(jiān)控系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并報告錯誤。4.汽車軟件升級一般從ECU的軟件新版本產(chǎn)生開始，到車端升級結(jié)果反饋回云端結(jié)束。升級過程涉及云端（由OEM來掌控）和車端（由用戶來掌控），雙方的交界點就在于升級任務(wù)的發(fā)布，用戶開始接受到升級通知。5.OTA升級對互聯(lián)網(wǎng)車廠真正具有吸引力的地方在于它能夠?qū)崿F(xiàn)車輛重要功能的常用常新。6.汽車軟件升級要比手機(jī)和電腦升級所消耗的時間長。知識鞏固知識鞏固首先通過學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的ECU故障診斷，然后了解通過OTA技術(shù)的遠(yuǎn)程故障診斷以及涉及到的信息安全。一、ECU故障診斷汽車上任何一個零件或任何零件間都可能會產(chǎn)生失效，即使失效的概率極低，也沒辦法保證百分之百不會失效。所以，汽車的各個控制器都需要故障診斷系統(tǒng)，去不斷檢測系統(tǒng)、零件等的異常，從中找出故障，找出故障后，還希望一方面可以采取臨時補救措施，將傷害減到最小，另一方面，保存故障信息，以供后續(xù)排查和解決故障。因此，完整的ECU故障診斷系統(tǒng)包括車內(nèi)在線診斷系統(tǒng)和車外離線診斷系統(tǒng)兩個部分，將兩者配合使用，就可以進(jìn)行完整地故障診斷。當(dāng)汽車出現(xiàn)故障，車內(nèi)在線診斷系統(tǒng)就應(yīng)該起作用，最終提醒駕駛員有故障，那駕駛員將汽車返修。維修人員進(jìn)行查因和維修，就需要使用車外離線診斷系統(tǒng)，查看故障信息、查找原因和更新軟件操作等。學(xué)習(xí)單元四

汽車故障診斷1.ECU診斷的故障類型ECU故障診斷系統(tǒng)檢測的故障主要有五種類型：（4）軟件故障（5）通訊故障（1）機(jī)械/系統(tǒng)故障（2）電子電器故障（3）硬件故障2.ECU故障診斷機(jī)制故障診斷包括檢測，確認(rèn)和處理3個部分。（1）故障的檢測A（2）故障的確認(rèn)（3）故障的處理BC3.統(tǒng)一診斷服務(wù)UDS上述的故障碼DTC及相關(guān)數(shù)據(jù)存入ECU內(nèi)部的非易失存儲器后，要怎么獲取呢？這就涉及到車外離線診斷系統(tǒng)，需要使用到統(tǒng)一診斷服務(wù)（UnifiedDiagnosticServices，UDS）。UDS服務(wù)是診斷服務(wù)的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了讀取DTC的指令，讀診斷數(shù)據(jù)流的指令等?？偟膩碚f，按功能劃分，UDS服務(wù)可分為6類，分別是：1）診斷和通信管理功能單元；2）數(shù)據(jù)傳輸功能單元；3）存儲數(shù)據(jù)傳輸功能單元；4）輸入輸出控制功能單元；5）例行程序功能單元；6）上傳下載控制功能單元。二、遠(yuǎn)程故障診斷與信息安全1.傳統(tǒng)故障診斷與遠(yuǎn)程故障診斷比較隨著整車E/E架構(gòu)日趨復(fù)雜，軟件復(fù)雜度越來越高，意味著問題出現(xiàn)的頻率會增加，相關(guān)診斷以及修復(fù)過程變得越來越難以掌握。另外隨著主機(jī)廠想盡量保證用戶的粘性，以及提供良好的服務(wù)，這也就引出了一個解決方案是遠(yuǎn)程診斷：（1）通過遠(yuǎn)程OTA下載最新的ECU軟件，在合適的時間重新燒錄至ECU。（2）定期檢查車輛狀態(tài)（3）當(dāng)車輛出現(xiàn)問題時，主機(jī)廠的診斷專家利用遠(yuǎn)程診斷，快速對問題進(jìn)行定位，并將詳細(xì)情況告以及維修建議告知駕駛員，減少車主的焦慮。2.遠(yuǎn)程故障診斷信息安全由于診斷不僅可以讀取車輛故障，還可以修改參數(shù)或更新軟件、啟動車輛功能、從ECU讀取信息。這帶來相當(dāng)大的潛在危險，遠(yuǎn)程診斷的引入，風(fēng)險就更大了。這就是為什么在安全性、完整性和真實性方面必須有足夠的保護(hù)，例如確保第三方不能輕易從車輛讀取車輛任何信息，以及不能篡改ECU存儲和通信數(shù)據(jù)等。在一般診斷系統(tǒng)中，必須在多個點采取保護(hù)措施。首先保護(hù)應(yīng)用程序（測試器和診斷系統(tǒng)）防止濫用，系統(tǒng)只有授權(quán)才能登入。然后所有本地和云數(shù)據(jù)都需加密，這樣就不能再從外部讀取數(shù)據(jù)了。最后所有的通信連接都必須加密，防止竊聽。所有措施的目標(biāo)必須是整體診斷功能的端到端保護(hù)，用戶代表一端，車輛網(wǎng)關(guān)通常代表另一端。在車輛內(nèi)部，其他保護(hù)機(jī)制是必要的。加密中有兩種基本的區(qū)分：對稱加密和非對稱加密。學(xué)習(xí)小結(jié)1.車內(nèi)在線診斷系統(tǒng)用于監(jiān)測車內(nèi)部的傳感器，電子控制單元和執(zhí)行器的工作狀態(tài)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息自動檢測系統(tǒng)故障，并將以故障碼的形式保存，同時做出相應(yīng)的故障處理措施，并點亮相對應(yīng)的故障燈提醒駕駛?cè)藛T。2.車外離線診斷系統(tǒng)用于提取已保存的故障信息，通過向車內(nèi)在線診斷系統(tǒng)發(fā)送服務(wù)請求（即使用UDS服務(wù)）的形式，可進(jìn)行讀取故障碼信息、清除故障碼和刷寫軟件等操作，完成故障的調(diào)查與維修。3.ECU故障診斷系統(tǒng)檢測的故障主要有五種類型。4.故障診斷包括檢測，確認(rèn)和處理3個部分。5.UDS服務(wù)是診斷服務(wù)的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了讀取DTC的指令，讀診斷數(shù)據(jù)流的指令等。6.遠(yuǎn)程診斷將診斷從被動計劃轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃佑媱?，并能夠隨時隨地遠(yuǎn)程診斷車輛并遠(yuǎn)程修復(fù)故障。知識鞏固知識鞏固汽車涉及到人的生命財產(chǎn)安全，談汽車首先要談的就是安全。目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全主要分為三大塊：功能安全，網(wǎng)絡(luò)（信息）安全，和預(yù)期功能安全。一、功能安全對于自動駕駛或駕駛輔助車輛來說，車輛大部分或幾乎全部交由系統(tǒng)控制，控制效果的優(yōu)劣是必須要考慮的因素。在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域中，失效表現(xiàn)往往源于系統(tǒng)的失效。在自動駕駛系統(tǒng)中則不然，即使系統(tǒng)不發(fā)生故障，也可能因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)黑盒輸出等因素的不確定性導(dǎo)致功能的偏離，造成交通傷害。為了達(dá)到更高程度的安全要求，衍生出對汽車行業(yè)特定的ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如圖7-18。以防止發(fā)生危險事件或提供緩解措施以減少危險事件的后果。學(xué)習(xí)單元五

汽車安全二、信息安全1.信息安全智能網(wǎng)聯(lián)汽車終極發(fā)展階段是無人駕駛，車聯(lián)網(wǎng)則是無人駕駛實現(xiàn)的基礎(chǔ)，然而車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中卻會帶來信息安全問題，具體可分為以下三種：（1）用戶隱私A（2）網(wǎng)絡(luò)通信（3）黑客攻擊BC2.常見的黑客攻擊方式將智能網(wǎng)聯(lián)汽車的通訊數(shù)據(jù)流進(jìn)行抽象，可以得到從車外云服務(wù)器到車內(nèi)電子控制器的6層架構(gòu)，如圖7-19。構(gòu)建整個智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全防護(hù)體系，需要在每一個層級