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软体定义汽车的电子系统架构
为了更安全与更智慧而生

【作者: 籃貫銘】2024年03月21日 星期四

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自德国戴姆勒和宾士在19世纪初发明燃油引擎车至今,汽车已在全球的道路上行驶超过一百年。在这一百多年的时间里,汽车科技的发展可说从未曾间断,持续朝着更安全、更舒适、以及更隹的使用效率前进。


如今汽车科技的演进又要迈入新的篇章,一种以软体控制为核心的汽车电子系统架构━「软体定义汽车(Software Defined Vehicle;SDV)」,正被逐步导入新的汽车之中,而它的目标始终一致,就是要为驾驶与乘客带来更上一层的安全性与乘坐体验。


什麽是软体定义汽车

软体定义汽车(SDV)是指汽车大部分的操作,都能透过软体进行管理。它能够藉由软体创造全新的乘坐体验与驾驶功能,并透过无线(Over The Air;OTA)的方式进行功能更新并提供服务。


不同於传统的汽车系统是以硬体为中心,绝大多数的汽车功能和性能都是由硬体决定,软体仅是用来控制硬体的执行。但SDV则是以软体为中心,汽车的功能和性能都可以透过软体来更新或进行改进。


SDV的发展缘起可以归纳为以下几个因素:


· 汽车电子技术的发展:随着汽车电子技术的发展,汽车中的电子控制单元(ECU)数量不断增加,汽车的电气化程度也不断提高。但传统汽车开发模式是以硬体为中心,随着汽车电子系统的复杂化,传统开发模式已难以满足汽车开发的需求。


· 软体技术的发展:由於软体技术发展迅速,软体的开发效率和可靠性不断提高,进而提升了汽车开发商导入了更多软体控制功能,以提高汽车的性能和功能。


· 消费者需求的变化:消费者对汽车的需求越来越个性化和智能化,而SDV的架构则有助於透过软体的更新来满足消费者的不同需求。



图一 : 随着汽车电子系统的复杂化,传统开发模式已难以满足汽车开发的需求。
图一 : 随着汽车电子系统的复杂化,传统开发模式已难以满足汽车开发的需求。

具体来说,SDV的发展可以追溯到20世纪90年代。当时,汽车电子技术开始快速发展,而??头使用的电子控制单元(ECU)数量也不断增加,并造成了系统开发的负担。为了解决这一问题,汽车制造商便开始探索新的开发模式。


1994年,通用汽车(GM)公司提出了「汽车电气/电子架构(E/E架构)」的概念。E/E架构将汽车的电气/电子系统划分为不同的域,每个域(Domain)由一个或多个ECU组成,而域之间可透过网路进行通讯。因此E/E架构的提出,可以说为软体定义汽车的发展奠定了基础。


2000年,特斯拉电动车的推出,则是把SDV的实现和普及再往前推进了一个层次。其最大的特色,就是特斯拉的电动车从一开始就采用了软体定义汽车的开发模式,他们使用中央处理器的架构,所有的软体都在中央处理器上运行。而这种架构使得特斯拉可以透过软体更新来不断改进汽车的性能和功能。


到了2013年,Google推出了汽车的作业系统「Android Auto」,以取代传统汽车上的软体系统,目的是让智慧手机的应用程式可在汽车中使用,并与手机能有深度的连结。之後,博世(Bosch)则又提出了软体定义汽车的概念,并发布了其第一款SDV平台。


而随着ADAS、车联网、自动驾驶等汽车技术的持续发展,更多的功能与应用被陆续地加入汽车电子系统之中,促使SDV的架构也开始有了新的风貌,而其最主要的变化就是控制的架构开始从域的概念,转向区(zone)的模式,进一步把控制功能专精化。



图二 : 软体定义汽车的电子系统架构发展示意图。
图二 : 软体定义汽车的电子系统架构发展示意图。

软体定义汽车的优势与特性

由於SDV是一种新兴的汽车设计概念,它把汽车视为一个可程式化的平台,并透过软体来定义和控制汽车的功能。与传统的汽车电子系统架构相比,SDV具备以下几项优势:


系统灵活性更高

传统汽车电子系统架构采用分散式设计,由多个电子控制单元(ECU)组成,这些 ECU 各自负责特定的功能,虽然彼此之间的连结性(Coupling)较高,但灵活性较差。SDV 则采用集中式或域控制器架构,将多个 ECU 整合到一个或几个中央控制器中。如此,系统的复杂度降低,灵活性也得到提升。


功能扩展性更强

传统的汽车功能通常是固定的,只有在硬体变更或升级时才能进行改动。而SDV 则可以透过软体更新来实现功能扩展。


安全性更高

传统汽车电子系统架构不易修复漏洞,一旦遭到破解就容易受到攻击。SDV可以透过软体更新来修复安全漏洞,进而提高汽车的安全性。


开发成本更低

SDV 可以简化汽车的电子系统架构,透过增加中央处理单元的方式,来减少 ECU的数量,让系统的设计可以更模组化,从而提升弹性与灵活性,进而降低开发时程与成本,最终降低整体的生产成本。


满足客制化需求

相较於以硬体为主的设计,SDV可以透过软体更新来提供不同的服务与功能,有助於满足消费者的不同需求。


表一:软体定义汽车电子系统架构与传统架构的具体比较:

特性

SDV电子系统架构

传统汽车电子系统架构

架构

集中式或域控制器架构

分散式 ECU 架构

功能

可程式化、可扩展

固定功能

更新

软体更新

硬体升级

安全性

更高

较低

成本

更低

较高


具体来说,SDV的电子系统架构具备三大特性:


1.区/域控制器:使用区/域控制器将车辆的功能划分为不同的区或域,而每个区域都由相对应的控制器负责。


2.高性能运算平台:为了满足对算力的需求,SDV系统都需要采用高性能的运算平台,以实现即时的资料处理效能。


3.高速网路技术:由於SDV对通讯速度有较高的要求,因此需要采用高频宽的网路通讯技术,例如车用乙太网路等。


软体定义汽车的关键技术

由此可知,要发展SDV不仅只是电子系统架构的变更,它仍须要有相对应的软硬体及通讯技术的配合才能实现,它包含了新的控制与运算单元,以应对目前的先进驾驶辅助系统与自动驾驶系统;高速的网路传输系统,以满足SDV对资料的即时传输的需求;软体定义架构,书明软体的整体结构和各个组件之间的关系。


处理运算平台

在运算单元方面,SDV 需要运行大量的软体应用程式,因此需要高性能的处理元件。目前,主流的 SDV 运算单元包含CPU、GPU与FPGA等。


车用乙太网

传统汽车电子系统采用 CAN 等低速汇流排,无法满足 SDV 对高速数据传输的需求。而车用乙太网路最高可达 100 Gbps,可以提供更高的数据传输速率和更低的延迟。


软体架构与开发工具

SDV 的软体架构需要支持模组化、可再用和可扩展等特性,以适应不同功能的需求。主流的 SDV 软体架构包括POSIX、AUTOSAR、AUTOSAR Adaptive等。软体开发工具则是开发SDV软体所必需的工具,它能帮助开发人员提高开发效率和质量。


云端服务与更新

SDV 需要透过云端服务来收集和储存相关的汽车数据,进而实现资料的分析,以及更新等功能。云端服务可以提高 SDV 的效率和灵活性。而常用的软体更新方式如空中更新(OTA)。


网路与资讯安全

由於SDV大幅采用网路传输与数位软体的控制方式,因此将面临着更高的网路安全挑战,就必需要采取有效的安全措施来保护车辆免受攻击。包含加密技术、防火墙、入侵侦测与防护等。


车联网技术

要实现汽车智慧化,使汽车与汽车、基础设施和外部服务能够彼此进行沟通与互联是重要的一环,因此进行通讯就是必然,从而实现智慧交通管理和车辆自动化。



图三 : SDV 需要透过云端来收集汽车数据,进而实现资料的分析,以及更新等功能。
图三 : SDV 需要透过云端来收集汽车数据,进而实现资料的分析,以及更新等功能。

结语

整体而言,软体定义汽车的诞生,就是为了改进传统汽车电子系统架构而来,而它的目的就是要让汽车电子系统的设计更加地有效率,同时性能也更强大,其背後的目标,都是朝向提升驾驶安全与增进乘坐体验。而随着SDV的逐步落实和普及,也将会带来全新的汽车应用与零组件的商机。


展??未来,我们将可以预期SDV的电子系统将会更加开放、更加标准化。虽然说目前各个汽车制造商都采用自己的车载软体平台,但随着整体市场的逐渐开展以及消费者的要求下,这种碎片化与相容性的问题也会逐步的被打破,未来车载软体平台将更一致性,以便汽车制造商可以更轻松共享和使用软体资源。


而对零组件制造商来说,在软体平台的基础稳固之後,元件开发的效率与效益也会水到渠成,并在全新的电子系统架构的带动下,迎来全新的市场机会。市场研究Market Research Future 的报告就指出,全球软体定义汽车关键元件市场预计将从 2022 年的 2,850 亿美元增长到 2028 年的 5,600 亿美元,复合年增长率(CAGR)将高达 12.5%。


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