作者 | 窦明佳

出品 | 汽车电子与软件

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概 述

为什么区域架构会成为新一代电子电气架构的主流趋势，我这边分析主要有如下原因：

1.1 区域架构符合分层架构的设计范式

类似与软件架构的分层设计范式，为降低设计的复杂度，也将整车电子电气架构划分为如下四层：

• 第一层：传感/执行层，该层包含众多的传感器、执行器ECU，这些ECU在功能层面主要承担车辆的基础逻辑控制，包括实时闭环控制，故障诊断、运行监测等；

• 第二层：区域集成层，该层向上为中央计算层提供车辆设备抽象以及原子服务，向下为传感/执行层提供电源、控制指令，该层是实现中央计算与底层传感器/执行器解耦的主要手段，从而能够更好的发挥Central&Zonal架构的价值；

• 第三层：中央计算层，该层在多核异构SOC上运行Classic AUTOSAR、Adaptive AUTOSAR、Linux、QNX等操作系统，并集成整车各域上层应用，采用面向服务的架构（SOA）进行软件设计，为客户提供高价值体验；

• 第四层：云计算层，包括新能源车法规平台、OTA平台、远程诊断平台、自动驾驶云平台、售后服务平台、客户运营平台等，利用AI、大模型为车辆赋智；

1.2 区域架构可减少线束复杂度、降低线束重量

区域控制器承担区域配电中心、网关，相对于传统采用中央保险丝盒的配电方式可降低线束长度，采用Smart fuse代替传统的熔断丝、继电器可降低导线的线径、以及配电盒的体积，相对于传统采用中央网关的架构，区域网关可降低网络总线长度、避免车辆CAN总线贯穿整车车体绕线的情况；

1.3 区域架构符合软件定义汽车SDV的要求

实现软件定义汽车，必须以集中化的电子电气架构为基础，在分布式架构中每个ECU由不同的供应商进行开发，有着不同的嵌入式软件和底层代码，不同的软件开发流程体系，软硬件紧密耦合，主机厂很难去维护和更新ECU的软件，无法实现软件的快速迭代，区域架构下整车各域上层应用软件集中到中央计算平台，通过区域控制器提供设备抽象、原子服务，从而屏蔽不同车型的硬件差异，为上层应用提供统一的API，OEM可在中央计算平台聚焦用户体验，根据目标市场的不同需求快速开发新的软件应用并部署到车辆上；

区域架构有诸多优势，本文主要聚焦于智能配电在区域架构中几点优势进行总结；

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区域架构智能配电优势总结

2.1 快速反应时间

如《智能汽车安全电网开发》中所说传统低压电网包含DCCDC、低压蓄电池、以及数量众多的保险、继电器、导线等，所有这些电气部件的失效都可能会影响安全相关的E/E系统，针对电源系统内部的相关干扰，QM负载（如散热风扇）短路，会引起DCDC的电压迅速跌落，因为熔断式保险丝的熔断时间较长，超过EPS功能的安全容错时间，导致安全目标的违背，并可能导致驾驶过程的严重事故，

因此需要采用Smart Fuse智能配电检测线束的过流、过压及短路故障并快速关断，以在故障容忍时间间隔（FTTI）内过度到安全状态。

下图展示了3A额定值的Smart fuse、Chip fuse、Poly fuse 在5A、10A过流保护的特性，从图可以看出Smart fuse具有过流保护更高的精度及更快的速度，

由此也引出在智能配电的实际应用中，不能在一级智能保险丝下使用二级或三级传统保险丝进行配电，如果采用如下错误的配电方式将会出现二级配电盒下线束回路（如水泵电源线）磨损接地时二级保险丝未熔断而前端一级配电的efuse过流关断，导致整个二级配电盒中所有的用电器失去电源的问题。

还有一种经常出现的错误设计是将QM负载的传统配电盒分别挂在了DCDC侧和蓄电池侧，这样将无法实现QM负载与安全相关负载的隔离，在QM负载发生过流、短路等故障时，安全相关负载也将发生级联失效，这边违背了采用智能配电的安全初衷，因此在进行低压电网的设计时，需要遵循ISO26262/VDA450正向的开发方法推导电源系统开发应满足的安全需求，设计对应的安全方案并进行详细的安全评估。

2.2 降低导线线径

为什么使用智能保险丝可以降低导线线径，这要回到传统保险丝、导线的设计选型方法，在《汽车熔断器》这边文章中所说”The nominal amperage value of the fuse. It is established by the manufacturer as a value of current which the fuse can carry, based on a controlled set of test conditions .The test condition are part of UL/CSA/ANCE(Mexico)248-14 “Fuses for supplementary overcurrent protection”，Some common variation of these standards include: fully enclosed fuseholders, high contact resistances,air movement ,transient spikes,and changes in connecting cablesize(diameter and length)”.保险丝是温度敏感型设备，当保险丝100%满载时，测试条件的微小变化就会对保险丝的寿命产生很大影响，在实际车辆使用过程中，温度、湿度、震动等条件是非常恶劣的，为了保证保险在整个生命周期的可靠性，通常建议负载工作电流不超过保险额定容量的75%。

因此在传统配电设计中，基于负载工作电流进行保险丝的选型，保险丝的规格通常选的偏大，而在进行导线选型时，又需要进行保险和导线的匹配校核，即导线的发烟特性曲线位于保险的熔断特性曲线之上并且无交叉，保证导线在任意发烟电流下的发烟时间大于保险丝的熔断时间。此过程需借助供应商开发的匹配软件来完成，在没有软件的情况下，也可以选取两个点，选取负载电流为保险额定容量的135%、200%的点，查询保险和导线厂家提供的保险熔断曲线和导线发烟曲线，保证在这两个点导线的发烟时间大于保险的熔断时间

基于以上情况，传统保险丝过流保护反应时间长，为了保证导线不发烟，导线的线径通常较粗，而采用智能保险丝支持可编程I2t曲线，从而提高故障反应时间，因此可采用更细线径的导线；

2.3 满足智能驾驶的安全需求

从失效安全（Fail Safe）过渡到失效可运行(Fail Operation)，低压电网系统也要根据不同的功能回退策略需求实施不同的冗余要求，根据ISO26262-5：2018 ASIL C系统在诊断覆盖率低于90%时SPF（单点故障）/RF（残余故障）需小于0.1 FIT，如果不能满足该要求需采取另外的安全措施，但是现有的电源分配系统（保险丝、继电器、导线）无法满足上述需求，除非采用SmartMos实现故障诊断、故障预测及故障保护等措施才能实现ASIL C的要求。

2.4 简化车辆的休眠/唤醒管理

在区域化架构中使用智能配电，可从根本上改变车辆电源管理方式，可基于车辆用户使用场景运用Efuse的开关特性按需给设备供电，减少对基于总线唤醒网络管理的依赖，减少车辆的常电供电设备，降低车辆的静态功耗、提高车辆电源管理的灵活性；

在我前期的文章介绍了为什么需要网络管理、以及AUTOSAR网络管理的机制，以及确定整车那些ECU需要做网络管理，随着车辆功能的越来越丰富，需要参与网络管理的节点越来越多，因为AUTOSAR NM的分布式特性，任意NM节点的异常都可能造成整车异常唤醒无法休眠，进一步导致车辆亏电无法启动，因此对于参与网路管理的ECU NM软件鲁棒性提出了更高的要求，同时测试验证工作也相对较重。

在如下所示的区域化架构中，可在某个Zone Controller部署VSM（Vehicle State Manager）组件，管理车辆的供电以及休眠唤醒，该Zone Controller通过Main Power Distributor的长通通道EF1与蓄电池保持连接，同时该Zone Controller的IO连接车辆的外部唤醒源以及所有的NM节点，在检测到I/O唤醒有效，或NM报文时，该Zone Controller会唤醒，并有VSM判断车辆当前的唤醒场景，进而通过CAN NM唤醒Main Power Distributor,并由Main Power Distributor 将EF2/EF3/EF4开关闭合，从而给HPC和所有的Zone Controller供电，其他的Zone Controller再根据功能需要给其他的设备进行供电，从而实现车辆网络休眠/唤醒的集中管理，减少NM节点的数量以及常电节点的数量，简化网络管理的复杂性。

在车辆下电并没有功能需求时，各ECU节点发送“ready to sleep”信号，相应的Zone Controller在接收到下面ECU准备睡眠的信号后关断对应的供电Efuse，Main Power Distributor在接收到 VSM的关闭请求时对应关闭EF2/EF3/EF4，从而使整车进入休眠断电状态，但是VSM还保持所有主动唤醒源的检测。

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总 结

本文分析了区域架构成为新一代电子电气架构的主流趋势原因，并聚焦于智能配电在区域架构中应用的优势进行总结，文章依据个人现有知识进行梳理总结，观点不免偏颇，望批评指正。