宝马的电子电气架构解析
文章来源：汽车ECU开发
发布时间：2021-04-23
宝马的电子电气架构解析，请见详文。
特斯拉和大众的电子电气架构可能被大家最为熟知，一个代表行业的标杆，另一个则代表传统OEM自我革新的标杆。除了这两者以外，似乎其它OEM都黯淡无光，其实不然，其它只是没有聚光灯照射，这其中就包括宝马。
2018年宝马量产了其新一代电子电气架构，如图1所示，其大量使用了以太网通信，并且域控制器也得到了使用， 跟当年量产的Model 3的电子电气架构有的一比了。
图1中各控制节点的含义如图2所示，例如ACSM表示高级碰撞安全模块，AHM表示拖车模块，DSC为动态稳定控制模块，BDC表示车身控制模块，EGS表示电子变速箱控制模块，HU-H表示娱乐控制模块，PCU表示动力控制模块，RAM表示音频接收模块，KAFAS表示基于摄像头的驾驶员辅助系统，IHKA为集成集成自动暖气/空调模块，SAS表示选装模块，即为ADAS模块，SMBF表示驾驶员座椅控制模块。
各节点之间的通信方式包括以太网、FlexRay、CAN总线，其中图1所示中灰色表示以太网总线，包括两线的OABR以太网和五线以太网，无线以太网主要用于BDC与OBD2之间的交互，单独的以太网通信节点如图3所示，深红色表示FlexRay总线，黄色表示CAN总线。CAN总线中又分K-CAN、PT-CAN、Local CAN，K-CAN表示通信CAN，K-CAN1用于BDC与音频接收模块RAM、FZD通信，K-CAN5用于BDC与NFC、远程接收器FBD，K-CAN6用于BDC与右灯光控制模块FLER、左灯光控制模块FLEL通信；PT-CAN为BDC与动力相关模块，包括DME、DHC等模块，Local-CAN为SAS，即ADAS控制器与传感器单元通信。
其中最值得一提的是SAS、BDC、HU-H分别为ADAS、车身、座舱域控制器，三者之中都集成了以太网交换机和网关，下面主要来介绍一下SAS和HU-H。
首先看门见山，看一下座舱系统的组件构成，如图4所示，从图中可以看到，这套座舱系统中居然还可以选装DVD，有点意思，难道外国外挺喜欢用着？
图4 HU-H座舱构成图，1为中央显示屏，2为HU_H控制器，3为用户接口，4为应用软件，5为设备连接接口。
HU-H控制器的实物如图5左所示，右边为HU-H所具有的接口，其中1为蓝牙天线接口，2为WLAN天线接口，3为USB A接口，4为USB C接口，5为外接CD播放器的USB接口，6为用于连接中控显示屏CID(Central Information Display)的APIX接口，7为主接插件，8为以太网接口。另外为了导航、多媒体、软件等对内存的需求，HU-H中内置了320G机械硬盘，并且对不同的使用场景进行了分区，其中娱乐分了32GB，联网音乐分了16GB，Gracenote分了16GB，导航分了160GB，用户手册占9GB，其他杂项（系统，浏览器，音频输入等）分了15GB。
另外在网联方面，HU-H提供图6所示的功能，包括地图数据更新、车辆APP下载、自然语言识别、实时交通信息、Apple carplay、应用商店等。这些功能在2018年还是基于黑莓的QNX系统，在2019年后，全部采用Linux系统，这也是大部分OEM、Tier1和芯片厂商的选择，OEM包括丰田、奔驰、现代。本田等，Tier1包括博世、电装、安波福等。
图6 网联方面提供的服务，1为HU-H硬件，2为紧急电话服务，2a为自然语言识别、地图数据更新等，3为实时交通信息、Apple Carplay等，4为应用商店。
最后看一下音频系统，该系统主要由音频接收控制器RAM(如图8所示)负责，并通过以太网与BOOSTER和HU-H相连，如图7所示。
图7 1为AM/FM天线，2为SDARS天线，3为驾驶员
侧麦克风，4为T-BOX，5为乘客侧的麦克风，6为音频接收控制器，7为扬声器，8为Booster，9为扬声器，10为HU-H，11为中控显示屏CID。
图8 音频接收控制器RAM，1为主接插件，包括供电，K-CAN4等，2为以太网接口，3为AM/FM天线接口，4为SDARS天线接口
对于ADAS系统而言，对于车辆周围情况的可靠分析是高度和全自动驾驶的先决条件之一，因此获取车辆周围信息是必不可少的，要获取哪些信息呢？主要需要道路使用情况、静态环境、交通规则信息、可靠的地图信息、精确的车辆实时位置信息、驾驶员状态。这些信息是需要通过部署在车辆周围的各种传感器(超声波，雷达，摄像头等)采集并融合获得的，最后计算出一个模型。
宝马的ADAS系统中使用的传感器如图9所示，其中驾驶员摄像头监控系统为首次加入，如图10所示。集成在DCS中的红外摄像机可以检测驾驶员的视线方向，并且据此评估驾驶员的疲劳程度，除了检测视线方向外，DCS还可以评估驾驶员的睁眼状态，并进行疲劳警告。另外为了减轻前部碰撞和交叉路口碰撞预警也使用了DCS控制器提供的数据，并且可以提前给驾驶员发出警告。
图9 ADAS系统的传感器配置，1为单目摄像头系统，2为三目摄像头系统，3为右侧短距雷达传感器，4为后方短距雷达传感器，5为前方长距雷达常感器，6为前方雷达传感器，7为侧方短距雷达传感器，8为超声波传感器，9为右侧短距雷达传感器，10为驾驶员摄像头监控系统
在2015年的宝马就开始使用基于单目和双目摄像头驾驶辅助系统，在2018年对其其进行了升级，其中一个是硬件方面，将双目摄像头升级为三目摄像头，一个用于近距离的鱼眼镜头，一个为中距镜头，一个是用于与雷达进行数据融合的镜头；第二是在性能方面，提高了探测距离和视野，最大可达250m，增加了计算能力、提高了夜间的性能。
最后来看看ADAS系统的总体结构，如图11所示，图11中个节点的含义如图12所示，包括SRSNVK为左侧短距雷达，FRSF为前长距雷达传感器，SRSNVR为右侧短距雷达，PMA为泊车操纵助手等。
以上是宝马现在正在使用的电子电气架构，那其在未来的如何呢？
在ADAS方面，BMW的自动驾驶硬件架构采用的是增量式发展，比如L2的硬件架构可以作为L3/4/5级的备份，如图13所示。分别包含mPAD，hPAD，uPAD，
mPAD是第一代自动驾驶控制器，用于替换之前的分布式系统，搭配ADCAM Mid来使用，与L1 NCAP相比，ADCAM的处理器从EyeQ4升级为EyeQ5，mPAD的处理器为Intel的Denverton2core和Aurix TC39X，其功耗为25W，冷却方式为风冷。从之前展示的样品来看，其应该具有5路100Mbit的以太网，1路CAN，1路CANFD。
hPAD的外部传感器输入为6个摄像头，2个SRR，2个FRR，处理器为 2个EyeQ5，2个Denverton 8core和Aurix，从之前的展示(如图2所示)来看其具有6路100Mbit以太网，2路1Gbit以太网，1路Flexray，2路CAN，1路LIN，功耗为200W，冷却方式为水冷。另外mPAD和ADCAMMid作为hPAD的备份。
uPAD在hPAD的基础上增加了4个激光雷达和1个摄像头，处理器为3个EyeQ5，1个 Xeon24C，1个Aurix，从之前的展品信息来看(如图2所示)uPAD具有7路100Mbit以太网，5 路 1Gbit 以太网、1 路Flexray、2 路 CAN、1 路 LIN等，功耗为600W，冷却方式为水冷，如图3所示，另外mPAD和ADCAMMid也是作为uPAD的备份。
而在电子电器架构方面，宝马也在探讨在中央计算平台架构下的动态可配置系统(Dynamic Reconfigurable System,简称DRS)，在满足功能安全的前提下，在Zonal控制器层面进行动态配置，使得其可以快速和之前的设计的ECU进行兼容。
宝马的动态可配置系统如图14所示，其中分为三层，最底层为依赖硬件的电子电气架构，主要是执行器和传统的ECU，中间层为面向服务的系统，主要是是区域控制器ZCU组成，最上层为中央计算平台。其中最底层与中间层通过CAN总线进行通信，ZCU之间或者是ZCU与上层计算平台之间通过以太网进行通信。DRS的目的是实现基于处理器的Fail-Operational，目标是检测HDS和和ZCU本身的故障，然后采取相应的措施，保证功能正常运行。
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