引子：當前軟件和電子電器正在驅動汽車朝著電動化、網聯化和智能化這三個趨勢加速發展，也使得百年歷史的汽車行業方方面面都正經歷一個前所未有的變革與重塑。深刻認識這些變革背后的本質將有助于我們準確的把握下一個十年最大的產業變革機會給我們帶來的機遇。

1 什么是電子電氣架構

所謂汽車電子電氣架構（Electrical/Electronic Architecture, EEA）是集合了汽車的電子電氣系統原理設計、中央電器盒設計、連接器設計、電子電氣分配系統等設計為一體的整車電子電氣解決方案的概念，由德爾福(DELPHI)首先提出。具體就是在功能需求、法規和設計要求等特定約束下，通過對功能、性能、成本和裝配等各方面進行分析，將動力總成、傳動系統、信息娛樂系統等信息轉化為實際的電源分配的物理布局、信號網絡、數據網絡、診斷、電源管理等電子電氣解決方案。

EEA這一概念不僅在汽車行業中存在，也在航空飛行器、工業自動化等其他行業的控制系統中有廣泛使用。EEA的開發通常包含需求和邏輯功能定義、軟件架構設計、硬件架構設計和線束設計等層面的開發活動。

2 汽車電子電氣架構面臨的挑戰

上世紀80年代，隨著IT技術的初步興起，在當時以機械為主宰的汽車行業掀起了一場汽車電子電氣化革命。“電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）”迅猛發展，從防抱死制動系統、四輪驅動系統、電控自動變速器、主動懸架系統、安全氣囊系統，逐漸延伸到了車身安全、網絡、娛樂和傳感控制等系統，成為了汽車的重要組成部分。

ECU通常用簡單的MCU芯片來實現，每個ECU通常只負責控制一個單一的功能單元，各個ECU之間通過CAN（Controller Area Network，控制器域網絡）總線或者LIN（Local Interconnect Network，局部互聯網絡）總線連接在一起，通過廠商預先定義好的通信協議交換信息。因此這個時期的汽車電子電氣架構也稱為“分布式EEA”。在今天軟件定義汽車和汽車智能化、網聯化的發展趨勢下，這種基于ECU的分布式EEA也日益暴露諸多問題和挑戰。

總線的線束長度與重量問題：隨著汽車功能的日益增加，每輛汽車搭載的ECU數量也逐年增加。據統計，近些年生產的汽車中平均每輛車搭載的ECU數量可達30個左右，而一些高端的車型這一數量甚至會超過100個。ECU數量越多，總線的線束長度必將更長，相應地總線的線束重量也必將大大增加。2000年奔馳S級轎車的電子系統已經擁有80個ECU，1900條總長度達4km的通信總線。2007年上市的奧迪Q7和保時捷卡宴的總線長度則已經突破6km，總重量超過70kg，基本是位列發動機之后的全車第二重的部件。

整個系統復雜度超過極限：ECU數量劇增之后，整車的電子電氣系統硬件復雜度和響應的軟件復雜度大大超過極限，從而導致整個系統缺乏“靈活性（Flexibility）”和“可擴展性（Scalability）”。比如，在這樣復雜的系統中，增加一項新功能往往會引起整個系統中好多個環節的軟硬件變更。這極大地制約了汽車智能化和網聯化的發展速度。

通信帶寬瓶頸：汽車不斷增加的傳感器數量，也使得車載內部網絡通信的數據量呈幾何級數激增。以單個傳感器的數據傳輸量測算，ADAS系統的雷達和攝像頭各自產生的數據量都超過了100Mbyte/s。以一臺配備有五個雷達傳感器和兩個攝像頭傳感器的汽車為例，在采集和存儲期間，需要管理大約1GByte/s的海量數據。因此，傳統的FlexRay、LIN和CAN低速總線等已經無法提供所需的高帶寬通信能力。

軟硬件緊耦合：無法支撐軟件定義汽車的趨勢。每個ECU都與某個具體功能緊緊綁定在一起，無法實現橫跨多個ECU/傳感器的復雜功能，也無法通過OTA來持續更新汽車上的軟件系統。在軟件定義汽車的時代，持續的整車在線升級OTA和模塊之間互相通訊融合變得異常重要，顯然ECU之間的信息孤島問題會嚴重制約和阻礙這一趨勢。

上述這些問題和挑戰，在汽車三化的發展背景下是質量、成本和時間的天敵；要解決這一問題，最有效的辦法就是將多個分散的小傳感器集成為功能更強的單個傳感器，將多個分散的ECU按照功能域劃分，集成到一個運算能力更強大的域控制器(Domain Control Unit, DCU)中。這一思想直接開啟了汽車電子電氣架構從“分布式 => （跨）域集中式 => 中央+區域集中式”的升級和進化序幕。

3 汽車電子電氣架構的演進趨勢

博世（BOSCH）對未來汽車電子電氣架構演進趨勢的劃分是目前業界普遍接受的一種劃分方法。如下圖1-1所示：

圖1-1 博世對未來汽車電子電氣架構發展趨勢的觀點

今天我們正處于從過去的分布式EE架構邁向域集中式EE架構的轉變過程中，預計到2025年左右就會完成這一轉變。從2025年以后，將開啟跨域的融合時代，也就是轉變為“中央+區域”（Central & Zonal）計算的EE架構時代。

3.1 分布式EEA

在分布式EEA下，ECU通常都是特定于某個功能的，因此整車ECU數量很多。此時，ECU之間的通信能力是非常受限的，一般是根據需要通過傳統的CAN或FlexRay等低速總線來在需要協同的ECU之間進行點對點的通信。

此時，域內部的各個ECU之間通過本域的局部網絡來進行協同合作。各域之間的網絡一般是互相獨立的，也即域和域之間的通信功能非常有限，只是根據需要通過傳統的CAN或FlexRay等低速總線進行垮域通信。

首先，對數量眾多的ECU開啟模塊化整合。將功能類似的ECU整合成一個模塊，這也是“功能域（Function Domain）”的前身。

另外，汽車中央網關的加入使得功能模塊之間數據通信變得更為容易。網關通過整合不同總線和網絡的數據進行跨總線數據交換，比如：CAN、LIN、FlexRay和MOST等。汽車中央網關承擔不同總線類型之間的協議轉換工作，并參與各網段網絡管理；根據實際需求路由信號和消息控制路由時序。從而實現不同模塊和功能之間通訊。如下圖1-2所示。

隨著ECU模塊化的深入，出現了集成度更高、性能更強的ECU，原本多個功能單一的ECU進而融合成單個功能更強大的ECU。如圖1-3所示：

3.2 域集中式EEA

隨著模塊化程度和ECU功能集成度的更進一步提高，就出現了“功能域（Function Domain）”的概念，功能域的出現是“域集中式EEA（Domain Centralized EEA）”的標志。從軟、硬件架構上來看，域集中式EEA最直觀的表現就是有了“域控制器（Domain Control Unit，DCU）”來作為整個功能域的核心。所謂域控制器是指域主控硬件、操作系統、算法和應用軟件等幾部分組成的整個系統的統稱。

域主控處理器（Domain Host Processor）又是域控制器的大腦核心，通常由一個集成度更高、性能更強的處理器來擔任。它一方面也具備網關的協議轉換功能，負責域局部的不同總線間的協議數據轉換；另一方面由于它有更強的計算能力，因此它也會將本域中的其他ECU或者傳感器所感知的信息都進行匯總處理和計算，再把結果發回給不同的執行器進行執行。如下圖1-4所示：

在基于域控制器的域集中式EEA中，傳感器、ECU與功能特性不再是一對一的關系，也就意味著傳感器與數據處理被分離開來。這點變化帶來了諸多好處，包括：1）集中式管理起來比較容易；2）更高的集成度可以減少ECU的數量，平臺的可擴展性也會更好；3）在更強大的域主控處理器上可以運行更復雜的傳感器融合算法，使得實現跨多個傳感器的復雜功能成為可能。

對于功能域的具體劃分，各汽車主機廠家會根據自身的設計理念差異而劃分成幾個不同的域。比如BOSCH劃分為5個域：動力域（Power Train）、底盤域（Chassis）、車身域（Body/Comfort）、座艙域（Cockpit/Infotainment）、自動駕駛域（ADAS）。這也就是最常見的五域集中式EEA。

伴隨著域主控處理器性能的進一步增強，對主處理器需求比較類似的多個不同功能域可以進一步融合成一個功能域，也即融合成“跨域集中式EE架構”。大眾MEB平臺則劃分為三個域：自動駕駛域、智能座艙域和車身控制域。華為對域的劃分也跟大眾MEB類似。這種三域集中式EEA可以理解為在5域集中式架構進一步融合的結果。也就是把原本的動力域、底盤域和車身域融合為整車控制域。如下圖1-5所示：

三域集中式EEA涉及的域控制器主要有4類，車控域控制器（VDC，Vehicle Domain Controller）、智能駕駛域控制器（ADC，ADAS/AD Domain Controller）、智能座艙域控制器（CDC，Cockpit Domain Controller）以及若干高性能網關，其中：

VDC：負責整車控制，實時性安全性要求高；

ADC：負責自動駕駛相關感知、規劃、決策相關功能的實現；

CDC：負責HMI交互和智能座艙相關（甚至整合T-Box）功能的實現；

目前業界實行三域EE架構的有：

大眾的MEB平臺的E3架構：即由3個車輛應用服務器（In-Car Application Server，簡稱ICAS）組成的域集中式EEA，具體包括：車輛控制服務器ICAS1、智能駕駛服務器ICAS2和信息娛樂服務器ICAS3。基于E3架構的首款量產車型是2021年10月發布的ID3。如圖1-6所示。

圖1-7 大眾MEB平臺E3架構

華為的“計算+通信”架構（CC架構）：也是由VDC、ADC、CDC和網關等部件組成。華為將ADC叫做MDC（大名鼎鼎的“移動數據中心”，Mobile Data Center）。如下圖1-8所示。

圖1-8 華為的計算+通信EEA

3.3 中央+區域EEA

隨著功能域的深度融合后，功能域（Function Domain）的概念將逐漸消失，域主控處理器演變為更加通用的計算平臺，這就是車載“中央+區域（Central & Zonal）EEA”，也稱為“中央集中式EEA（Vehicle Centralized EEA）”，或者“區域EEA（Zonal EEA）”，如下圖1-9所示。

車載中央計算機（Vehicle Central Computer，VCC）：多個VCC組成一個異構服務器集群，作為一個通用計算平臺（General Computing Platform，GCP），提供整車所需的計算、存儲、通信和管理能力。因此，車載VCC平臺可以被看作是一個縮微版的數據中心服務器集群。

區域控制器平臺（Zonal Control Unit，ZCU）：每個區域又會有一個區域計算機Zonal Control Unit (ZCU), 注意：這里的區域是指地理上的區域概念。ZCU是整車計算系統中某個局部的感知、數據處理、控制與執行單元。它負責連接“整車中地理意義上某一個區域內”的傳感器、執行器以及ECU等，并負責本區域內的傳感器數據的初步計算和處理，它本身也具有網關的協議轉換功能（因此也稱為Zonal Gateway），負責本區域內的網絡協議轉換。注意：這里的中央計算平臺和區域計算平臺都是功能域無關（Function Domain Independent）的通用計算平臺，因此區域計算平臺通常會支持各種常見的連接接口類型。

兩級通信網絡：TSN以太網作為整車通信的主干網基礎設施，要具備高帶寬和實時通信，同時保證可靠性和fail-operational特性；而在區域內，ZCU與ECU之間、ZCU與傳感器之間的通信仍然采用CAN/CANFD/FlexRay/LIN/10BaseT1s等中低速網絡。

分級供電網絡：一級配電網絡（也就是骨干供電網絡）有雙電源保證供電冗余，它將電源輸送到區域控制器ZCU節點。二級配電網絡，由區域控制器負責將電力繼續向下輸送到底層控制器，因此區域控制器需要具備power distribution功能，以及eFuse（電子熔絲）等功能；

總而言之，分布式EEA是“計算的分布式，供電的集中式”；而中央+區域EEA就是“供電的分布式，計算的集中式”，正好反過來。Zonal EEA不僅能將計算資源集中，便于軟硬件分離；也給整車各個控制器的電源管理帶來很多想象力。而ZCU作為分級通信和分級供電的區域節點都在整個體系中扮演了非常關鍵的角色。

汽車整體而言是個封閉保守的行業，大部分傳統主機廠和Tier 1供應商對新技術的采納和接受都比較緩慢。業界普遍認為從現在到2025年之前，大部分傳統汽車主機廠都將處于域集中式EEA的持續演變過程中。2025年之后，“中央+區域 EEA”將有望成為汽車的終極電子電氣架構。特斯拉是在全球汽車行業中率先采用Zonal EEA的，其它整車主機廠以及Tier 1 OEM廠商也都紛紛跟進，開始定義自己下一代的Zonal EEA。因此2025年之后，Zonal EEA有望成為整個汽車行業的主流EE架構。

3.3.1 特斯拉Zonal EEA

但是像特斯拉這樣新興電動車廠商因為沒有任何歷史包袱，因此特斯拉在定義Model Y車型（2020年上市）的EE架構時，一步到位，跳過“域集中式EE架構”，直接進化到“中央+區域EEA”。特斯拉Model Y的EE架構只有三大部分：

中央計算模塊（Central Computing Module, CCM）

左車身控制模塊（BCM LH: Body Control Module, Left Half）

右車身控制模塊（BCM RH: Body Control Module, Right Half）

其中，中央計算模塊直接整合了駕駛輔助系統（ADAS）和座艙信息娛樂（Cockpit and IVI）兩大域，以及外部連接和車內通信系統域功能（中央網關和防火墻等）。左右車身控制模塊分別負責剩下的“車身與舒適系統（Body and Comfort）”、“底盤與安全（Chassis and Safety）系統”和“汽車動力系統（Vehicle Dynamics）”的三大功能；當然本身也作為一個通信的網關節點。

圖1-10 Tesla Model Y的Zonal EEA

特斯拉在全球范圍內率先開啟了汽車OTA應用的浪潮。特斯拉不僅可以透過OTA將軟件升級包發送車載通訊單元，更新車載信息娛樂系統內的地圖和應用程序以及其他軟件，還可以直接將軟件補丁程序傳送到相應的電子控制單元（ECU），實現對控制操作層面的軟件升級。這是很多傳統主機廠和Tier 1廠商因為其老舊的汽車EE架構而無法媲美的（他們通常只能實現車載娛樂信息系統的在線更新和升級）。

3.3.2 豐田的Zonal EEA

豐田也正在積極推進從其當前基于域的EE架構演變為下一代“中央+區域”的EE架構。在豐田看來，Zonal EEA有這樣一些有點：1）可以通過ECU集成來減少ECU數量，從而降低BOM成本；2）通過區域控制器ZCU來降低通信網絡線束和供電網絡線束的長度與重量，降低線束設計復雜度，提高產線自動化程度；3）減少了ECU數量和線束長度，也可以騰出更多空間，為后續迭代預留空間；4）軟件上，使用基于Adaptive AUTOSAR和Classic AUTOSAR的SOA架構，實現便捷的軟件迭代和功能的可擴展性。

3.3.3 沃爾沃的Zonal EEA

沃爾沃的Zonal EEA包括Core System和Mechatronic Rim，如下圖1-12所示。不過沃爾沃將ZCU劃入了Core System中了，它稱為VIU（Vehicle Integration Unit），每個VIU對應一個整車區域的感知、控制與執行。VCU（Vehicle Computation Unit）對應車載中央計算機，提供整車智能化所需的算力與數據存儲。

圖1-12 沃爾沃的Zonal EEA

3.3.4 安波福的Zonal EEA概念

安波福（Aptiv）的智能汽車架構SVA定義了一個統一的供電和高速通信骨干網絡，這是整車架構最基礎的基礎設施。連接到這一骨干網絡的SAV組件有：

安全連接網關（Secure Connected Gateway）：SCG是從外部對SVA架構進行控制的主控網關節點。它實現像包括從外部對汽車進行喚醒這樣的功能，以及通過無線或者5G跟云端或者路側的邊緣計算節點進行連接的功能。

開放服務器平臺（Open Server Platform）：也即對應著Zonal EEA中的VCC服務器集群平臺。在開放服務器平臺中，我們會運行各種軟件應用，比如：自動駕駛軟件和算法，智能座艙應用等。開放服務器平臺，可以對應用按需分配計算資源，并提供必要的冗余以保證應用的可靠性。

Power Data Center（PDC）：PDC也就是Zonal EEA中的區域控制器ZCU。它作為一個通用的“Docking Station”，有兩個作用：1）區域的通信與控制主節點，連接區域內的傳感器和外設等，充當區域內低速網絡與主干網絡之間的通信網關；2）作為分級供電的節點，將供電主干網的電力分配給區域內的傳感器和外設等。PDC的數量可以從兩個到六個之間變化，根據不同的車型來選擇不同的配置。

SVA架構將可以有效地降低汽車全生命周期各個環節的成本，包括：開發、制造和售后維護等。并且能很好支撐汽車制造商通過OTA來持續對汽車上的軟件進行升級和維護。

圖1-13 安波福的Zonal EEA — SVA架構

3.3.5 偉世通的Zonal EEA概念

偉世通的區域EEA概念與其它廠家類似。整個系統可以被看作是“服務器集群+邊緣計算區域網絡”組成的分布式計算與通信環境。

采用汽車以太網TSN作為通信主干網基礎設施，保證通信的高帶寬、通信的實時確定性和可靠性。

Super Core就是車載中央計算平臺，甚至可能是刀片服務器，服務器集群是可伸縮的。

傳感器和執行器都連接到區域網關（也就是ZCU）。根據車型區域網關的數量可以從2個到6個之間變化。

整車的供電網絡也是一個分級的供電體系。主干供電網絡采用雙電池冗余備份策略，ZCU作為從主干網到區域網的電源分配節點,負責將電力繼續向下輸送到區域內的ECU、傳感器和控制器等。因此區域控制器也需要具備高級power distribution功能，以及eFuse（電子熔絲）等功能；基于這一套供電體系，可以實現更加智能的電源管理，比如：根據各區域的負載不同來優化節電策略。

圖1-14 偉世通的Zonal EEA概念

4 小結

總結一下Zonal EEA相對于分布式EEA和域集中式EEA有這樣一些硬件上的優點：

減少線束用量：Zonal EEA可以大大簡化線束拓撲的設計復雜度，減少線束使用的長度和重量。博世曾經建立過理論模型，對不設置區域控制器和設置了區域控制器的線束長度進行對比。研究結果顯示，所有外圍ECU、傳感器和執行器直連到車載中央計算機，線束只多不少，線束拓撲非常不合理；只有設置了相應的區控制器，線束拓撲才得以簡化，線束密度也大大降低。因此，Zonal EEA說能夠降低線束長度，減少線束質量，是有理論支撐的。使用了Zonal EEA的Model Y車型號稱可以將線束使用量降低到100米以內。

制造與裝配：線束復雜度和長度減少了，裝配就簡化了，也能大大提高產線的自動化水平，提高制造能力。

安裝空間：節省了汽車內部的安裝空間。

系統更具彈性：Zonal EEA使得整車更具有靈活性和伸縮性。當增加新的用戶功能特性時，不需要額外增加傳感器和執行器，也不會需要增加新的配電需求。

Zonal EEA也非常有利于對整車的硬件系統做統一的抽象。有了一致統一的硬件抽象層后，才能將硬件和軟件解耦分離，這一點在IT行業和手機行業是非常自然的一個思想，也正因此才造就這兩個行業今天各種先進的軟硬件技術。我們完全可以相信很多IT行業已經發展多年的成熟軟件技術一定會被借鑒到汽車行業中來，比如：互聯網服務器端的面向服務架構（SOA）軟件設計思想。

持續的OTA軟件升級：賦能主機廠更好的實現軟件定義汽車，徹底改變傳統汽車商業模式。傳統上當用戶購買一輛汽車后，對于主機廠而言，它與這位用戶的商務關系已經結束了，而現在恰恰相反，這對主機廠和用戶之間僅僅只是一個起始點。主機廠可以容易、便捷的為已經銷售出去的汽車增加新的功能特性，汽車質量問題的召回維修可能就僅僅只需要推送一次軟件升級就可以了。

更優的傳感器數據融合：在Zonal EE架構下，由于ECU/傳感器等不再與某個具體的功能特性緊密關聯和綁定，因此我們可以在中央計算平臺上設計和運行更復雜更優化的傳感器數據融合算法，這點對更高的自動駕駛等級而言是至關重要的。

更復雜的功能特性：應用的業務邏輯可以集中到車載中央計算平臺上來實現，這樣更容易實現跨多個傳感器/執行器的復雜功能特性。

傳統的分布式EEA，車輛本質上是一臺機電一體化的機械載具，要想汽車變成一臺四個輪子上的手機那樣真正的智能設備，首先需要實現中央集中式EEA，然后基于統一的硬件抽象模型，實現軟件的SOA架構和基于服務的通信，才能達到終極目標。汽車電子電氣架構發展以及相應的軟件架構變化將是一個長期的、漸進式的演進過程。它將對整個汽車行業的芯片、軟硬件技術、生產制造和售后維護等產生深遠的影響，因此也必將重塑整個汽車產業的供應鏈格局。

審核編輯：劉清