關于「域控制器」，安波福的思考與實踐

區(qū)域控制器看似功能簡單，但其對簡化汽車架構(gòu)，進一步提升汽車性能卻是至關重要的一步。

作者 | 李雷

當前，在幾大主流趨勢的合力驅(qū)動下，車輛設計與制造方式領域的變革已如箭在弦，不得不發(fā)。

車輛所載的電子控制單元（ECU）數(shù)量不斷增加，進而提高了電源和數(shù)據(jù)分配的布線難度。

支持主動安全功能的傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，帶來了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化程度更高的線束組裝方案。

電力需求也在朝著混合動力和純電池電動汽車的方向不斷發(fā)展，以期進一步實現(xiàn)電氣化。

無論就何種車輛而言，面對這些難題時，區(qū)域控制器都是解決方案的關鍵所在。

通過在關鍵位置配置區(qū)域控制器，整車制造商不僅可以降低復雜性和成本，還可以加快面向未來車輛架構(gòu)的遷移進程。

汽車行業(yè)已步入了其誕生以來最令人振奮的時代，技術(shù)進步有望帶來前所未有的安全性、生產(chǎn)率和環(huán)境效益。

不過，具備自動駕駛功能的純電動汽車不可能在一夜之間成為市場主流，對大多數(shù)人而言,也不太可能在價格方面都能承擔。

汽車制造商意識到，他們需要著眼當下及未來，構(gòu)建符合時代需求的汽車基礎架構(gòu)。

藉由此，區(qū)域控制器應運而生。

在汽車架構(gòu)中，區(qū)域控制器作為節(jié)點，扮演著集線器的角色，可滿足車輛空間內(nèi)物理設備（各種傳感器、外圍設備和制動器）的配電和數(shù)據(jù)連接需求。

區(qū)域控制器看似功能簡單，但其對簡化汽車架構(gòu)，進一步提升汽車性能卻是至關重要的一步。

智能熔斷功能

作為配電集線器，區(qū)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(tǒng)熔斷熔絲，以實現(xiàn)智能熔斷。

這種方案具有諸多優(yōu)點：

首先，智能熔斷可對整個車輛中的保險絲實現(xiàn)集中管理，從而實現(xiàn)更好的能源管理。這對于電動汽車而言尤為重要；如果電池電量不足，系統(tǒng)可以通過智能保險絲智能地暫時關閉某些非關鍵車輛功能。

例如，一些功率大卻不太重要的功能，如座椅加熱器或車窗加熱器等。系統(tǒng)會決定在短時間內(nèi)關閉這些功能，而駕駛員并不會覺察到這種變化，這樣就能在車輛處于負載峰值（如急轉(zhuǎn)彎時的動力轉(zhuǎn)向）時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何時會斷電，并將該信息傳遞回中央系統(tǒng)。此種預判性維護有助于駕駛員解決潛在問題，避免影響車輛運行。對于負責維護大量車輛的車隊運營商而言，這一點尤其重要。

傳統(tǒng)保險盒與智能熔斷器對比

第三，智能熔斷可節(jié)約布線成本。過去，電線的直徑設計必須比實際需要大30％，提升電線在峰值負載狀態(tài)下的承受力，防止保險絲熔斷。

與之不同的是，通過智能熔斷，車輛可以設定電線在特定時間段內(nèi)可負載的物理極限。這意味著，通常可以縮小線規(guī)（如，從4mm2降低至2.5mm2），從而減輕重量。

向上集成的節(jié)點

區(qū)域控制器也是多個ECU合理的集流點。

隨著遍及車身的傳感器等電子組件不斷增多，再增加獨立的ECU不僅會帶來額外重量，并且，由于每個ECU都需要單獨的電源和數(shù)據(jù)連接，使架構(gòu)中的線束系統(tǒng)越來越復雜。

為了節(jié)省空間、簡化管理和物理架構(gòu)，整車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(qū)域控制器在這種轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因為它作為最佳位置，可以優(yōu)化匯集各種傳感器、外圍設備和制動器的輸入/輸出（I / O），以及向上集成電子控件的功能。

車身和安全控制、HVAC控制、音頻管理以及與非ADAS相關的車輛傳感器和制動器等等，都是適合向上集成的ECU。

在一項針對某家整車制造商的研究中，全球知名汽車零部件公司安波福發(fā)現(xiàn)，使用區(qū)域控制器可以整合9個ECU，并少用數(shù)百根單獨電線，從而使車輛的重量減少了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，還可以延長電動汽車的續(xù)駛里程。

此外，由于區(qū)域控制器將車輛的基本電氣結(jié)構(gòu)劃分為更易于管理的組成部分，更容易實現(xiàn)自動化線束組裝。

在配線成本中，人工費約占一半。而隨著勞動力成本的增加，安波福預計，在未來五年中，不同國家組裝所需的勞動力成本可能會增加25％至50％不等。

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

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

這成為邁向軟件定義車輛的必經(jīng)之路。

為簡化這一過程并確保整車制造商可以自由地重復使用現(xiàn)有軟件，包括安波福等廠商正致力于設計可持續(xù)軟件架構(gòu)，令集成變得更加簡單、更加高效，同時在必要時避免功能之間的相互干擾。

將I/O與計算設備分離開來

隨著所有傳感器、外圍設備和制動器都直接連接到了域控制器，位于車輛不同位置的雷達、攝像頭、激光雷達和超聲波傳感器，都將通過數(shù)據(jù)線路連接至主動安全域控制器。

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

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

然而，在應用區(qū)域控制器的架構(gòu)中，每個傳感器和制動器都會根據(jù)其位置連接到本區(qū)域的區(qū)域控制器。

然后，區(qū)域控制器將實施本地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)聚合，并通過單根高速電纜將其傳輸至計算設備。

計算設備實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。

區(qū)域控制器會通過以下設備處理與終端設備的通信情況，如控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）、與ECU或與車身控制傳感器和制動器相連的本地互連網(wǎng)絡（LIN）總線、攝像頭或其它高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器相連的以太網(wǎng)或低壓差分信號（LVDS）接口，根據(jù)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，或用于低帶寬車身控制功能的CAN-FD（CAN靈活數(shù)據(jù)速率）上，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳挠蚩刂破鳌?/span>

譬如安波福的智能汽車架構(gòu)（SVA）?方案，區(qū)域控制器涵蓋了對應不同自動化水平的可定制車型。

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

動力總成和底盤控制器負責車輛動力方面的應用，包括發(fā)動機/變速器、制動、轉(zhuǎn)向和懸架。

車輛中央控制器（CVC）則負責車身控制及全車網(wǎng)絡管理。就添加軟件定義功能的位置與方式而言，不同整車制造商的選擇可能會略有不同，不過，實現(xiàn)此方案所需的基本原理和技術(shù)構(gòu)建模塊卻是一樣的。

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

最終，通信將會不斷演進。車身控制可以通過CAN-FD網(wǎng)絡實現(xiàn)，其星形拓撲以CVC為中心。當采用便于管理的區(qū)域網(wǎng)絡時，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傳感器通信將通過基于以太網(wǎng)高時效網(wǎng)絡標準或汽車串行總線（PCI Express）的單獨網(wǎng)絡處理，并通過單獨的星形拓撲網(wǎng)絡連接到CVC。當需要冗余時（3級自動駕駛或更高級別），ADAS傳感器網(wǎng)絡將形成兩個閉環(huán)，環(huán)上的主要節(jié)點包括中央計算節(jié)點、CVC和區(qū)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，但遭遇故障時仍能可靠地運作，且能夠避免重復傳輸。因而，對于3級自動駕駛或更高級別的自動駕駛而言，它比其它方案更具成本效益。

轉(zhuǎn)向48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)

區(qū)域控制器的另一項應用體現(xiàn)在其簡化了向48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

此種系統(tǒng)架構(gòu)支持所謂的“輕混動力系統(tǒng)”車輛，能夠以30％的成本實現(xiàn)全混合動力系統(tǒng)70％的功能，并將燃油經(jīng)濟性提高15％至20％。同時，它們能夠在低于60V的電壓下正常工作，因而無需更換為更昂貴的組件，也沒有高壓系統(tǒng)和純電動汽車要求的布線需要。

48V電氣系統(tǒng)為車輛設計人員帶來了諸多方便，因而日漸受到歡迎。

48V電氣系統(tǒng)可以提升輕混動力車輛自動啟動/停止功能的流暢性，比如，車輛會在停車時自動關閉發(fā)動機，并在駕駛員將釋放制動器時重新啟動發(fā)動機。同樣，借助電子渦輪，它還可幫助整車制造商實現(xiàn)性能提升。

與搭載內(nèi)燃機相比，搭載48V電氣系統(tǒng)能更有效地為空調(diào)壓縮機、發(fā)動機風扇和動力轉(zhuǎn)向等主要電氣部件供電。該電氣系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)還解決了冷啟動過程中電壓下降的問題。如果在環(huán)境溫度過低時啟動車輛，12V電源可能會不穩(wěn)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。過去，發(fā)生這種情況時，車輛架構(gòu)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(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)就不會出現(xiàn)電壓波動，不會導致組件因電壓過低而重置，這意味著它將不再需要反向升壓。

穩(wěn)步發(fā)展

我們面臨的一大挑戰(zhàn)是，大多數(shù)用于車輛的電氣組件仍按傳統(tǒng)的12V標準設計。

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

區(qū)域控制器能夠簡化這種架構(gòu)。

采用區(qū)域控制器架構(gòu)后，車輛只需配備一個電池電源，它能夠提供48V電壓并將電源分配給區(qū)域控制器。根據(jù)配置，區(qū)域控制器可以向適配組件提供48V的電壓，同時可以將電壓降低至12V，供其它不適配的組件使用。

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

相反，整車制造商可能會選擇僅將車窗升降器轉(zhuǎn)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(qū)域控制器可以根據(jù)需要處理此種轉(zhuǎn)換過程。

區(qū)域控制器因?qū)崿F(xiàn)未來車輛技術(shù)的階段性方案贏得了廣泛關注。

整車制造商能夠快速地實現(xiàn)降低成本和減輕重量這一目標，為智能汽車架構(gòu)奠定基礎，并為功能豐富、高度自動化車輛開創(chuàng)美好未來。