幾個關(guān)鍵的趨勢正在共同推動汽車設計和制造方式的改變：

汽車中的電子控制單元(ECU)數(shù)量不斷增加，造成了電力和數(shù)據(jù)分配所需布線的復雜性不斷增加；

支持主動安全特性的傳感器技術(shù)的爆炸式增長使得I/O變得更加復雜；

不斷上升的勞動力成本促使制造商尋找更自動化的線束組裝；

電力需求也在不斷發(fā)展，以實現(xiàn)更大程度的電氣化，向混合動力和純電動汽車發(fā)展。

解決上述問題的關(guān)鍵是區(qū)域控制器。通過采用區(qū)域控制器方案，OEM不僅可以降低復雜性和成本，還可以加速向智能汽車架構(gòu)遷移。

汽車工業(yè)已經(jīng)進入了有史以來最激動人心的時刻，技術(shù)的進步有望帶來無與倫比的安全性，更高的生產(chǎn)率和更好的環(huán)境利益。但具有自動駕駛功能的全電動汽車不可能在一夜之間成為主流或平價。OEM意識到，他們需要為當下和未來的汽車建立正確的架構(gòu)基礎。

區(qū)域控制器是這個基礎的一部分。區(qū)域控制器是汽車中的節(jié)點，在汽車的一個物理區(qū)域內(nèi)，為各傳感器、執(zhí)行器等設備提供電源分配和數(shù)據(jù)連接需求。它的作用可能聽起來很簡單，但助力當下復雜的汽車向前邁進幾步是必要的。

智能熔斷器

作為區(qū)域配電樞紐，區(qū)域控制器自然需要配置智能熔斷器。有了智能熔斷器，傳統(tǒng)的繼電器盒被半導體取代，這種方法帶來以下幾個優(yōu)點。

首先，智能熔斷器可以更好地進行能源管理，因為可以集中管理整車的保險絲。這對電動汽車尤其重要；如果電池電量不足，系統(tǒng)可以使用智能保險絲在整個車輛內(nèi)智能地短時間關(guān)閉某些功能。例如需要大量電力的次要功能包括座椅加熱器或窗戶加熱器等。該系統(tǒng)可以在司機察覺不到的短時間內(nèi)關(guān)閉這些功能，以便為更重要的功能需要高峰負載時釋放能量，例如急轉(zhuǎn)彎時的動力轉(zhuǎn)向。

其次，智能熔斷器可以檢測到連接在它上的線束何時接近故障，并將信息傳回中央系統(tǒng)。這種預測性維護可以幫助駕駛員在潛在問題影響車輛運行之前解決它們。這對負責維護大量車輛的車隊經(jīng)營者尤其重要。

第三，智能熔斷可以節(jié)省布線。在過去，電線的直徑必須比實際需要大30%，以允許在不熔斷保險絲的情況下承受峰值負荷。相比之下，使用智能熔斷，電線可以指定在指定時間內(nèi)負載的物理極限。

圖1傳統(tǒng)保險盒與智能熔斷器對比

提高集成度

區(qū)域控制器也是多個ECU的邏輯集中點。隨著車輛中傳感器和其他電子元件的數(shù)量不斷增加，增加單獨的ECU變得很笨拙。每個ECU都需要自己的電源和數(shù)據(jù)連接，這使得布線要求非常復雜。為了節(jié)省空間、簡化管理和簡化物理架構(gòu)，OEM正從分布式架構(gòu)轉(zhuǎn)向更加集中的架構(gòu)。區(qū)域控制器在這種遷移中起著關(guān)鍵的作用，因為它是整合來自各種傳感器、外設和執(zhí)行器輸入/輸出(I/O)的邏輯位置，也可以提升某些電子控制的功能。ECU升級集成可以成熟的功能實例，包括車身和安全控制、空調(diào)控制、音頻管理以及非adas相關(guān)的車輛傳感器和驅(qū)動。

在一項針對一家OEM的研究中，Aptiv發(fā)現(xiàn)，使用區(qū)域控制器可以整合9個ECU，消除數(shù)百條單獨的電線，從而使整車重量減少8.5kg。每減輕一點重量都能減少二氧化碳排放，并提高電動汽車的續(xù)航里程，如圖2所示。

圖2減少線束的例子

此外，由于區(qū)域控制器使車輛的電氣基礎設施更易于管理，組裝線束變得更容易實現(xiàn)自動化。Aptiv估計，根據(jù)組裝地點的不同，勞動力成本在未來五年內(nèi)可能增加25%到50%。制造商將轉(zhuǎn)向自動化來抵消成本上升的影響，但目前的線束設計不可能實現(xiàn)自動化。它需要一個新的架構(gòu)。

區(qū)域控制器的升級降低了當前電纜線束和大量單個ECU的物理復雜性，并將重點放在軟件上，因為多種功能集成到區(qū)域控制器和其他集中設備中。這是向軟件定義汽車發(fā)展的下一步。為了簡化這一過程，并確保OEM可以自由重用現(xiàn)有軟件，Aptiv正在致力于可持續(xù)的軟件架構(gòu)，旨在使集成更容易、更有效，同時支持在需要時免受功能之間的干擾。

將I/O與計算分離

現(xiàn)在，所有的傳感器、外設和執(zhí)行器直接連接到域控制器。雷達、攝像頭、激光雷達和超聲波傳感器都從車輛的不同位置通過數(shù)據(jù)線連接到一個主動安全域控制器。類似地，座椅位置傳感器、用于調(diào)整座椅位置的電機控制以及用于加熱座椅的溫度傳感器都連接到座椅ECU。用于HVAC的風扇轉(zhuǎn)速控制和用于區(qū)域氣候控制的溫度傳感器連接到HVAC ECU等。

在使用區(qū)域控制器體系結(jié)構(gòu)中，每個傳感器和執(zhí)行器都根據(jù)其位置連接到本地區(qū)域控制器。然后區(qū)域控制器執(zhí)行一些本地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，匯總數(shù)據(jù)并通過高速電纜將數(shù)據(jù)傳送至中央控制單元。

通過這種方式，I/O從實際處理信息的計算中抽象出來。區(qū)域控制器通過控制器CAN或LIN總線與ECU或與車身控制相關(guān)的傳感器通信，或者通過以太網(wǎng)或LVDS與攝像頭或其他ADAS傳感器進行通信。

圖3區(qū)域控制器架構(gòu)，區(qū)域控制器的數(shù)量可以根據(jù)需求設定，以上是三個示例

在Aptiv的智能車輛架方法中，區(qū)域控制器包括可定制的模型，與逐步提高的自動化水平相對應。處理過程分布在幾個中央計算設備中。開放服務器平臺負責計算密集型應用程序，如ADAS、用戶體驗等。動力總成和底盤控制器負責車輛動力學，包括電機/傳動、制動、轉(zhuǎn)向和懸掛。車輛中央控制器(CVC)負責車身控制和整體網(wǎng)絡管理。雖然不同的OEM在添加這些軟件定義特性的位置和方式上可能選擇不同的方法，但實現(xiàn)這種方法所需的基本原則和技術(shù)構(gòu)建塊是相同的。

CVC也是所有區(qū)域控制器的主體和電源控制單元，它處理與外部世界的通信。它接收OTA更新，并根據(jù)需要將它們分發(fā)到車輛中的系統(tǒng)。它通過以太網(wǎng)與區(qū)域控制器連接，所以它可以向它們發(fā)送更新，而區(qū)域控制器可以更新連接到它們的其他ECU。

最終，當將網(wǎng)絡組織成可管理的區(qū)域時，星型拓撲是一種有效的方法，并且它可以支持選擇性喚醒。ADAS傳感器通信將通過一個獨立的網(wǎng)絡處理，該網(wǎng)絡基于TSN以太網(wǎng)，通過一個單獨的星型拓撲網(wǎng)絡連接到CVC。當需要冗余時(L3或更高)，ADAS傳感器網(wǎng)絡將形成兩個環(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。雖然環(huán)形拓撲比星型拓撲稍微貴一些，但它可以可靠地提供故障操作性能。因此，它比支持L3或更高級別自動化的其他方法更劃算。

低壓升級至48V

區(qū)域控制器的另一個應用是，它們簡化了向48V電氣架構(gòu)的遷移道路。這些架構(gòu)支持所謂的“輕度混合動力”車輛，能夠以30%的成本實現(xiàn)全混合動力系統(tǒng)70%的效益，并提高15%至20%的燃油經(jīng)濟性。因為它們的電壓仍然低于60V，不需要使用與高壓系統(tǒng)和全電動汽車相關(guān)的更昂貴的組件和線路。

這些48V系統(tǒng)越來越受歡迎，因為它們?yōu)槠?a target="_blank">工程師提供了許多好處。例如，48V系統(tǒng)可以提高輕度混合動力汽車的自動啟動/停止功能的平穩(wěn)性——當車輛停止時自動關(guān)閉引擎，當司機抬起腳離開剎車時重新啟動引擎。類似地，它也允許OEM通過集成的電子渦輪提供性能提升。

向48V的轉(zhuǎn)變也解決了冷啟動過程中電壓下降的挑戰(zhàn)。如果汽車在環(huán)境溫度過低時啟動，12V電源的波動可能使電壓低至3V或4V。如果一個電子組件需要5V，這種波動會導致該組件復位。在過去，汽車架構(gòu)必須使用一個反向升壓電源來保持電壓。相比之下，使用48V的系統(tǒng)則不會波動到足夠低的水平來重置這些組件，這意味著可以消除后升壓。

目前的挑戰(zhàn)是，汽車上的大多數(shù)電子組件仍然是按照傳統(tǒng)的12V標準設計的。一些汽車工程師已經(jīng)采用了兩個獨立的系統(tǒng)，它們各自使用自己的電池——一個是12V，用于那些傳統(tǒng)組件，另一個是48V，用于新的連接。

區(qū)域控制器簡化了體系結(jié)構(gòu)。在區(qū)域控制器架構(gòu)下，車輛只有一個48V電池源，并將電源分配給區(qū)域控制器。區(qū)域控制器配置為準備好的組件提供48V，并可以同時將電源降至12V，為未準備好的組件提供電源。

這種技術(shù)遷移的增量方法是區(qū)域控制器引人注目的原因。OEM可以實現(xiàn)節(jié)約成本和輕量化，同時也為未來智能汽車架構(gòu)奠定必要的基礎，使未來功能豐富、高度智能化的汽車成為可能。

審核編輯 ：李倩