CN210578605U - 一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构 - Google Patents
一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构，包含中央计算平台系统、中央电气分配中心、区域控制器及以太网骨干网络，区域控制器通过CAN/LIN总线及传统硬线连接各自区域的传感器执行器。中央计算平台系统实现整车功能的控制逻辑和算法；中央电气分配中心为中央计算平台和区域控制器提供电源分配和保护；区域控制器实现各区域传感器数据采集和执行器驱动，并通过以太网骨干网与中央计算平台交互数据。同时区域控制器也作为二级电气分配中心，集中给区域内各电器件供电。该架构拓扑结构使整车分散的电器件通过就近的区域控制器集中通信和供电，节约线束，降低成本；同时，功能算力的集中化可减少控制器数量，提升架构的可拓展性。
Description
技术领域
本实用新型涉及汽车电子电气架构领域，特别是涉及一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构。
背景技术
汽车诞生百余年已经从纯粹机械时代逐渐进化到了如今的智能、网联、电动、自动化时代，汽车上的功能越来越繁杂，控制器、执行器、传感器越来越多。无论是传统的分布式电子电气架构，抑或是划分功能域的电子电气架构,都面临着以下一些问题：1.跨域功能的激增、各控制部件总线通信需求的激增导致的传统总线(如CAN，CANFD,FlexRay)负载率过高及带宽不够的问题；2.软件功能大面积分散，同时总线带宽不够带来的车辆功能复用度低、升级困难的问题；3.绝大部分功能对应的执行器、传感器和系统控制器分散在车辆不同区域，分散通信和供电的方式带来线束重量、成本上的压力问题。
这些问题，随着自动驾驶、新能源和智能网联技术在汽车领域的应用发展愈发明显，对车企造好车和快速走向市场带来了阻碍。随着芯片处理能力的提升，以及车载以太网在汽车上的快速发展，传统的分布式电子电气架构已经逐步向新一代集中式电子电气架构发展。
现有技术的电子电气架构一般是基于功能域的电子电气架构，按整车的功能特性划分为几个功能域，一般划分为车身控制域，动力控制域，底盘控制域，信息娱乐域，辅助驾驶域，三电控制域等。每个功能域的执行器和传感器需要通过总线或者硬线连接到该域对应的控制器中，而传感器、执行器和控制器分散在整车各个几何区域，最终导致整车线束连接回路异常复杂，线束长度重量成本都不理想，现有技术的汽车电子电气架构示意图如图1所示。
同时，整车功能分散在不同域的控制器中，功能升级时，需要对众多的控制器进行软件刷写，控制器之间的网络大部分仍是CAN和LIN总线为主，少数FlexRay总线，这些总线传输速率很低，软件更新包通过这些总线传输到众多控制器进行刷写，整体效率很低。同时低速率的网络越来越满足不了当下汽车的应用场景，如自动驾驶，智能网联等。
实用新型内容
在上述背景下，本实用新型提出了一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构，旨在优化电子电气架构，使之满足网络通信带宽要求以及功能拓展，升级便利性的要求，并降低整车线束重量和成本。
为实现该目的，采用如下技术方案：
该基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构主要包含中央计算平台系统(CCM)、中央电气分配中心(PDC)、区域控制器(VIU)以及以太网传输骨干网络。所述中央计算平台系统包含3个高性能计算机(HPC)，负责整车功能的控制逻辑和算法的集中实现。3个高性能计算机(HPC)分别为：车辆运动控制和车内外通信功能模块CCM1，信息娱乐相关功能模块CCM2，以及高级辅助驾驶功能模块CCM3。
所述三个中央计算平台模块内置以太网交换机芯片，芯片具备4路固定的100M端口，以及4路可配置端口，可配置类型包含100Base-T1、100Base-Tx和1000Base-T1。千兆端口用于中央计算平台之间的高速通信连接，百兆端口用于中央计算平台和区域控制器之间的通信连接。中央计算平台之间(CCM-CCM)的千兆以太网连接和中央计算平台与区域控制器(CCM-VIU)之间的百兆以太网连接，构成整个架构拓扑结构的以太网骨干网络。所述架构拓扑包含12个区域控制器，按照汽车上物理区域进行划分。它们与中央计算平台的连接关系分别是：机舱区域控制器，中控区域控制器，驾驶员座椅区域控制器，乘客座椅区域控制器，以100Base-T1连接CCM1模块；左前区域控制器，左前门区域控制器，左后门区域控制器，左后区域控制器，以100Base-T1连接CCM2模块；右前区域控制器，右前门区域控制器，右后门区域控制器，右后区域控制器，以100Base-T1连接CCM3模块。中央计算平台系统三个模块CCM1，CCM2和CCM3之间，通过千兆以太网连接进行数据共享；区域控制器的分布和数量可以按照实际车型轴距和比例进行调整。所述以太网传输骨干网络采用车载以太网技术，包含各区域控制器与中央计算模块之间的100Base-T1以太网通信连接，以及CCM1与CCM2、CCM2与CCM3之间的1000Base-T1以太网通信连接。
所述区域控制器以CAN/LIN总线以及I/O硬线连接区域内执行器和传感器，并将传感器的数据集中起来通过以太网报文传输给中央计算平台进行处理，同时中央计算平台的控制信息通过以太网报文传输给区域控制器，由区域控制器转发给边缘控制器节点或者直接驱动执行器动作。区域控制器充当一种网关的角色，进行数据转发，同时也直接负责部分执行器传感器的驱动。
中央电气分配中心与低压蓄电池正极连接，为中央计算平台和区域控制器提供一级电源分配和保护。同时中央计算单元处理整车电源模式切换逻辑，并将参数输出给中央电气分配中心控制对应模式的继电器，进行整车电源模式切换。
各区域电器件采用集中供电就近取电的电源分配模式，该模式为：电器件遵从就近原则从各自区域控制器中接电源导线，而不是从中央电气分配中心接线；区域控制器通过一根电源导线由中央电气分配中心进行集中供电，并满足该区域所有电器件的供电需求。
所述中央电气分配中心到各区域控制器电源导线通过中央电气分配中心上的一级保险丝进行保护，保险丝设计容量满足以下公式：
其中I额定是中央电气分配中心到区域控制器线路上的保险丝容量额定值，PVIU是区域控制器的额定功率，P额定(n)是区域内电器件的额定功率，U是整车低压蓄电池电压，对乘用车该值一般是12V，商用车是24V。
区域控制器作为中央电气分配中心之下的二级电气分配中心，内置具有保护和诊断功能的高边驱动开关和保险丝、继电器，用于区域内电器件提供电源分配和保护。
所述中央计算平台模块CCM1内部集成4G模块，用于远程通信访问和OTA刷写，以及与云端服务的通信；其中CCM1交换机芯片配置一路100Base-Tx以太网诊断接口，用于外接测试诊断访问。
本实用新型的有益效果：
通过车载以太网作为骨干网，中央计算平台之间采用1000M/s以太网连接，中央计算平台与区域控制器之间使用100M/s以太网连接，使架构拓扑满足多种场景(如车联网，辅助驾驶)网络通信速率和带宽上的要求。
通过中央计算平台将功能集中化，整车功能相关软件主要分布在中央计算平台中。功能升级时只需刷新CCM1，CCM2和CCM3三个计算平台上的软件即可完成升级。软件更新包通过100M/s的诊断接口或者4G模块(OTA方式)传输到CCM1，可以快速对CCM1进行刷写升级，且由于CCM1，CCM2和CCM3之间通过1000M/s以太网连接，CCM2和CCM3同样也实现高速率数据传输和软件更新，从整体提升软件升级的便捷性。同时，增加用户功能(Feature)时，只需升级中央计算平台上的软件增加用户功能对应的软件代码，必要时在区域内增加对应的执行器和传感器，由区域控制器统一驱动即可，而无需增加新的控制器或者更改整个架构平台中的其他硬件，提升了架构的可拓展性。
通过区域控制器对区域内所有电器件信号进行集中式通信：区域控制器只需通过一对以太网双绞线连接到中央计算平台即可满足该区域内所有电器件的通信需求，而区域内电器件采用就近接线原则连接到区域控制器，从而大幅缩短了车辆信号线长度，减少整车线束重量和线束成本。
区域控制器同时作为二级电气分配中心，为区域内所有电器件进行集中供电，区域控制器只需通过一根电源线连接到中央电气分配中心即可满足该区域内所有电器件的供电需求，而区域内电器件采用就近接线原则连接到区域控制器，从而大幅缩短了车辆电源线长度，减少整车线束重量和线束成本。
附图说明
图1是现有技术中分布式电子电气架构或者基于功能域控制器架构在整车上布置拓扑图；
图2是本实用新型的基于区域控制器的架构在整车上的布置拓扑示意图；
图3是本实用新型的基于区域控制器和中央计算平台、以太网为骨干网的汽车电子电气架构一种具体实施例的架构拓扑图；
图4是本实用新型一种具体实施例的网络拓扑图示意图；
图5是本实用新型区域控制器一种具体实施例的功能结构图；
图6是本实用新型区域控制器一种具体实施例的内部二级电气分配原理图。
附图标记说明：
1：前舱电气分配盒；2：座舱电气分配盒；3：控制器；
10：中央计算平台；20：中央电气分配中心；30：区域控制器；
11：车辆运动控制和车内外通信模块CCM1；12：信息娱乐功能模块CCM2；13：高级辅助驾驶模块CCM3；40：右前区域控制器；41：左前区域控制器；42：右前门区域控制器；43：左前门区域控制器；44：右后门区域控制器；45：左后门区域控制器；46：右后区域控制器；47：左后区域控制器；48：机舱区域控制器；49：中控区域控制器；50：乘客座椅区域控制器；51：驾驶员座椅区域控制器；52：蓄电池。
上述附图使用对本实用新型的技术方案进行辅助性说明，以有助于清楚地理解本实用新型。但是，使用上述附图的目的并非对本实用新型进行限定。此外，附图中内容并非按比例绘制，因而也不应当解释为对本实用新型的限制。附图中所展示的内容的整体或其中组成部分可以基于本领域技术进行组合和变化。
具体实施方式
为了更好地了解本实用新型的目的、技术方案、优点等内容，下面将以一个具体的实施例并配合附图进行说明。
需要说明的是，参考附图2-6描述的实施例是示例性的，用于阐述本实用新型方案和优点，不作为对本实用新型范围的限制性说明。
本实用新型提出了基于区域控制器30、中央计算平台10、以太网为骨干网络的电子电气架构，如图2所示。采用以太网(100M/s和1000M/s)骨干网解决整车网络速率和带宽不够的问题；采用中央计算平台集中整车功能算法，配合以太网解决功能软件升级不便的问题和功能拓展的问题；采用区域控制器集中通信和供电，解决线束成本和重量的问题，具体实施例如下文。
一种基于区域控制器30和中央计算平台10、以太网为骨干网的电子电气架构，其中一种实施例如附图3所示，整个架构的核心包含中央计算平台系统(CCM)10和12个区域控制器(VIU)40-51，以及以太网连接作为高速骨干网(Backbone)；电源分配和模式切换的核心是中央电气分配中心(PDC)20。
中央计算平台系统(CCM)10和中央电气分配中心(PDC)20布置在整车中心位置，即副仪表尾端地板上，该区域空间较大，同时也位于整车中心位置，方便布置线束。
中央计算平台系统(CCM)10包含3个模块，负责整车功能的控制逻辑和算法的集中实现。第一个模块CCM1 11主要实现车辆运动控制和车内外通信功能(即为车辆运动控制和车内外通信模块)，包含动力控制系统功能，底盘控制系统功能，三电控制系统功能以及车身舒适系统功能，同时也包含与车外部的连接通信功能，包含云端服务，V2X，OTA刷写等；第二个模块CCM2 12实现中控及信息娱乐相关功能，包含HMI人机交互，影音娱乐，导航语音等(即为信息娱乐功能模块)；第三个模块CCM3 13负责实现高级辅助驾驶功能，包含定速巡航，车道保持，紧急制动，自动泊车等功能(即为高级辅助驾驶模块)。CCM3可以刷新软件，逐步升级拓展为自动驾驶模块，如实现L4级别自动驾驶。
中央计算平台系统(CCM)10采用高性能计算机(HPC)，内置MPU和μC处理器，μC运行实时操作系统(AUTOSAR Classic)，处理实时性要求高的功能，包含动力、底盘等与车辆运动相关以及安全相关的系统；MPU处理座舱内HMI人机交互以及影音娱乐等相关的功能。MPU上通过Hypervisor技术实现多套操作系统(Linux，Android)共享硬件资源，一机多屏。CCM1内部的软件架构图如图4所示，其他模块类似。
车辆运动控制和车内外通信模块CCM1 11内置一个8端口以太网交换机芯片，芯片具备4路固定的100M端口，以及4路可配置端口，可配置类型包含100Base-T1、100Base-Tx和1000Base-T1。CCM1连接到OBD诊断接口，用于下线和售后诊断，故其交换机需配置一个100Base-Tx端口。最终交换机端口及连接关系如表1所示。
CCM2和CCM3交换机接口配置和CCM1的类似，但无需配置OBD诊断接口(100Base-Tx)；CCM2交换机需配置两个1000Base-T1分别和CCM1、CCM3通信。
表1 CCM1交换机端口配置表
中央计算平台之间(CCM-CCM)通过千兆以太网进行，中央计算平台系统(CCM)10与区域控制器30(CCM-VIU)之间以百兆以太网连接，构成整个架构拓扑结构的骨干网络。相对于低速的CAN，FlexRay总线为骨干网的网络，以太网为骨干网，能解决当前汽车不同应用场景下对带宽和速率的需求。同时，通过中央计算平台将功能集中化，整车功能相关软件主要分布在中央计算平台中。功能升级时只需刷新CCM1，CCM2和CCM3三个计算平台上的软件即可完成升级。软件更新包通过100M/s的诊断接口或者4G模块(OTA方式)传输到CCM1，可以快速对CCM1 11进行刷写升级，且由于CCM1 11，CCM2 12和CCM3 13之间通过1000M/s以太网连接，CCM2 12和CCM3 13同样也实现高速率数据传输和软件更新，从整体提升软件升级的便捷性。同时，增加用户功能(Feature)时，只需升级中央计算平台上的软件增加用户功能对应的软件代码，必要时在区域内增加对应的执行器和传感器，由区域控制器30统一驱动即可，而无需增加新的控制器或者更改整个架构平台中的其他硬件，提升了架构的可拓展性。
12个区域控制器40-51按照汽车上物理区域进行划分。它们与中央计算平台系统(CCM)10的各组成模块的连接关系分别是：机舱区域控制器48，中控区域控制器49，驾驶员座椅区域控制器51，乘客座椅区域控制器50，以100Base-T1连接CCM1模块11；左前区域控制器41，左前门区域控制器43，左后门区域控制器45，左后区域控制器47，以100Base-T1连接CCM2模块12；右前区域控制器40，右前门区域控制器42，右后门区域控制器44，右后区域控制器46，以100Base-T1连接CCM3模块13。
区域控制器30以CAN/LIN总线以及I/O硬线连接区域内执行器和传感器，并将传感器的数据集中起来通过以太网报文传输给中央计算平台进行处理，同时中央计算平台的控制信息通过以太网报文传输给区域控制器，由区域控制器30转发给边缘控制器节点或者直接驱动执行器动作。以左前区域控制器41为例，它布置在前舱左纵梁上方位置，连接左前大灯模块，超声波雷达传感器，前摄像头模块，电子助力转向模块，雨刮电机，洗涤模块，左前轮速传感器以及主动悬架模块。这些模块通过左前区域控制器41将信息传递给中央计算模块CCM111，CCM1 11通过千兆以太网和CCM2 12、CCM3 13进行信息共享，汇总其他区域控制器传来的传感器信号、状态信号后进行运算处理。处理之后的执行指令再通过左前区域控制器41反馈到各模块进行驱动执行。具体的一种整车网络拓扑实施例示意图如图4所示。
中央电气分配中心20与12V低压蓄电池52正极连接，为3个中央计算平台11-13和12个区域控制器40-51提供一级电源分配和保护。整车电源模式切换逻辑由中央计算模块CCM111处理，处理后将参数输出给中央电气分配中心20和区域控制器30控制对应模式的继电器线圈引脚，完成整车电源模式切换。
区域电器件采用集中供电就近取电的电源分配模式，所有电器件遵从就近原则从各自区域控制器40-51中接电源导线，而不是从中央电气分配中心20接线；区域控制器30通过一根电源导线由中央电气分配中心20进行集中供电，并满足该区域所有电器件的供电需求。
中央电气分配中心20到各区域控制器40-51电源导线通过中央电气分配中心20上的一级保险丝进行保护，保险丝设计容量参照以下公式：
其中I额定是中央电气分配中心到区域控制器线路上的保险丝容量额定值，PVIU是区域控制器的额定功率，P额定(n)是区域内电器件的额定功率，U是整车低压蓄电池电压，对乘用车该值一般是12V，商用车是24V。
根据上述步骤确定好保险丝容量之后，依据导线电流特性可确定中央电气分配中心20到区域控制器电源导线的规格。
区域控制器30给区域内所有电器件提供电源分配和保护，它是作为中央电气分配中心20之下的二级电气分配中心，内置具有保护和诊断功能的高边驱动开关和保险丝、继电器，保险丝容量计算和电源导线规格选型遵从上述方法。图5是区域控制器30的功能结构图示例，既连接和处理该区域所有电器的通信信息，同时也作为电气分配中心，通过保险丝，继电器和高边驱动开关实现电源分配和保护功能。图6是区域控制器30内电源分配和保护功能的电气原理示意图。
通过区域控制器30的集中式通信且集中式供电的设计，采用就近接线原则，大幅缩短车辆信号配线及电源配线，减少整车线束重量和线束成本。
最后说明的是，本文中所描述的具体实施例是对本实用新型作举例说明。本技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于区域控制器的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，包含中央计算平台系统(10)、中央电气分配中心(20)、区域控制器(30)以及以太网传输骨干网络；
所述中央计算平台系统(10)包括车辆运动控制和车内外通信模块(11)、信息娱乐功能模块(12)和高级辅助驾驶模块(13)；中央计算平台系统(10)的上述三个组成模块(11,12,13)内置以太网交换机芯片，用于计算平台之间1000M带宽高速通信连接，以及与区域控制器(30)之间100M带宽通信连接；
所述区域控制器(30)包括机舱区域控制器、中控区域控制器、驾驶员座椅区域控制器、乘客座椅区域控制器、左前区域控制器、左前门区域控制器、左后门区域控制器、左后区域控制器、右前区域控制器、右前门区域控制器、右后门区域控制器和右后区域控制器；其中，
机舱区域控制器、中控区域控制器、驾驶员座椅区域控制器和乘客座椅区域控制器，以100Base-T1连接车辆运动控制和车内外通信模块(11)；左前区域控制器、左前门区域控制器、左后门区域控制器和左后区域控制器，以100Base-T1连接信息娱乐功能模块(12)；右前区域控制器、右前门区域控制器、右后门区域控制器和右后区域控制器，以100Base-T1连接高级辅助驾驶模块(13)。
2.根据权利要求1所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，中央电气分配中心(20)与低压蓄电池(52)的正极连接，低压蓄电池(52)的负极接地。
3.根据权利要求1所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，区域控制器(30)通过CAN/LIN总线以及I/O硬线连接区域内执行器和传感器，并通过以太网传输骨干网络将执行器传感器数据集中地与中央计算平台系统(10)进行通信交互。
4.根据权利要求1所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，各区域电器件采用集中供电就近取电的电源分配模式；区域控制器(30)通过一根电源导线由中央电气分配中心(20)进行集中供电。
5.根据权利要求1所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，区域控制器(30)内置高边驱动开关、保险丝和继电器。
6.根据权利要求1所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，车辆运动控制和车内外通信模块(11)内部集成4G模块和100Base-Tx以太网诊断接口。
7.根据权利要求2所述的汽车电子电气架构拓扑结构，其特征在于，所述低压蓄电池(52)的电压值为12V或24V。
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