汽车电子电气架构的主控权更迭,经历了从分布式架构下分散于众多 ECU,到域集中式架构下向域控制器 DCU 集中,再向中央计算式架构演进三个关键阶段。推动这一更迭的核心拐点在于:分布式架构下新增功能只能靠堆叠 ECU,普通汽车 ECU 数量已达 50-70 个、高端汽车超过 100 个,随之带来资源协同性差、车内通信总线部署量大、无法实现整体 OTA 等问题,集中化由此成为新的趋势。

第一阶段:分布式架构,主控权分散在 ECU 手中

传统汽车采用分布式的 E/E 架构,各项功能的控制权分布在众多单一 ECU 手中。ECU 全称 Engine control unit,即汽车电子控制单元,也叫"行车电脑",核心是 MCU 芯片,配合输入/输出接口与各种电路,与传感器、执行器和电源构成闭环系统。

每个 ECU 一般只完成某个特定功能,种类繁多:发动机电控系统需要发动机 ECU 控制供油、点火,底盘电控系统需要变速器 ECU 控制升挡、降挡,车身电控系统需要门窗 ECU 控制闭锁、开锁。

在这一架构下,功能增加的方式就是堆叠 ECU 数量——每新增一项功能,至少要增加一个 ECU。根据 OFweek 电子工程网的数据,目前普通汽车上的 ECU 数量已达到 50-70 个,高端汽车更是超过 100 个。这种方式的局限也随之暴露:不同 ECU 之间关联性不强、资源协同性不高;新增传感器和 ECU 需在车内部署大量通信总线,增加装配难度与车身重量;ECU 来自不同供应商,无法统一化编程和软件升级,也就无法实现整体 OTA。

第二阶段:域集中式架构,主控权向 DCU 集中

分布式架构不再适应汽车发展需要,域控制的概念应运而生。业内一般采用博世的划分方式,按功能属性把电子电气架构分为五个区域:智能驾驶域、智能座舱域、车身域、底盘域和动力域。其中智能驾驶与智能座舱是车企价值的体现,也是车企和芯片厂家格外发力的赛道。

每个域主要由域控制器 DCU 进行计算和控制,不同域之间通过千兆以太网连接,以解决实时性问题与传导问题;每个域与自己分管的子系统之间,则通过控制器域网(CAN)及百兆以太网通信。

DCU 的底层结构与 ECU 相似,都包括核心处理器芯片、输入/输出接口和电路三部分,但需处理的数据量大增,对算力要求更高,因此需要性能更强的 MCU,或直接使用 SoC,接口也更多。随着 DCU 出现,ECU 逐渐标准化且数量减少,带来"降本"与"增效":例如用一个集成了中控、仪表、360 环视及其他影音娱乐功能的 DCU,替代多个来自不同供应商的传统 ECU 方案,最大可为车企带来将近 38% 的 BOM 成本节降。同时,传统功能导向方案中的算力被剥离并集中到 DCU,ECU 功能逐渐简化,往往只承担最简单的执行层面控制,部分独立功能仍依靠 ECU 实现。软件也开始独立于硬件,抽象层出现,为域融合打下基础。

第三阶段:中央计算式架构,走向整车级集中

从域集中式进一步向前,就走向与智能手机类似的中央计算式架构:用一套高算力的车载计算机,承载任何形式、数量的功能及服务,并控制整车,也可以很好地实现整车 OTA 软件升级。这是更长期的发展方向。

全球各大主机厂已认识到控制集中化的大趋势,虽然对控制区域的划分方案不同,但架构向集中式控制的方向相同。域控制器集成了前期诸多 ECU 功能,对芯片算力需求大幅提升,计算芯片相应升级到高性能 MCU 或算力更高的 SoC。长期来看,有相当一部分车载 MCU 会被 SoC 取代;不过从中期看,汽车对主控芯片的总需求在快速增长,MCU 芯片的需求量也会继续增加。

常见问题

汽车电子电气架构演进的三个关键拐点分别是什么?

第一个拐点是分布式架构下 ECU 数量膨胀带来的局限集中显现,普通汽车 ECU 数量达 50-70 个、高端汽车超过 100 个,资源协同差、总线部署多、无法整体 OTA;第二个拐点是域控制概念出现,主控权向 DCU 集中,ECU 逐步标准化、数量减少;第三个拐点是向中央计算式架构演进,由高算力车载计算机承载整车功能并支持整车 OTA。

为什么主控权会从 MCU 向 SoC 让渡?

在分布式架构中,ECU 的核心是 MCU;进入域集中式后,DCU 需要处理的数据量大增,对处理器算力要求更高,因此需要性能更强的 MCU,或直接使用 SoC。随着域控制器集成越来越多原有 ECU 功能,算力需求进一步抬升,长期看有相当一部分车载 MCU 会被 SoC 取代。

MCU 会被 SoC 完全替代吗?

不会立即发生。至少在三年内,MCU 仍会是车载主流控制芯片;而且随着汽车智能化程度不断提高,单车 MCU 的数量仍然会继续增长。中期来看,汽车对主控芯片的总需求快速增长,MCU 芯片的需求量也会继续增加。