ZONAL區(qū)域架構(gòu)：成就未來汽車夢想

作者：Molex莫仕資深銷售總監(jiān)中國區(qū)汽車事業(yè)部，孔敏

汽車世界即將掀起一場影響十分深遠的革命，不僅是利用電力推進技術(shù)來置換不同的動力裝置。汽車和其他車輛的生產(chǎn)將從此發(fā)生根本性改變；這場變革的重要性，不下于福特于1913年導(dǎo)入移動式裝配線。

創(chuàng)新為汽車產(chǎn)業(yè)帶來了巨幅的進步。汽車制造商正持續(xù)不斷地為車輛研發(fā)新技術(shù)，無論是要提高安全性、提供更優(yōu)異的性能還是提升乘客的舒適度。其中一些創(chuàng)新來自汽車業(yè)界專門開發(fā)的研究成果，而另外一些創(chuàng)新則是借用賽車運動甚至是航空業(yè)的技術(shù)。展望未來，從其他專業(yè)領(lǐng)域帶來的進展也將發(fā)揮重要作用。在最近由Molex莫仕和貿(mào)澤電子共同贊助的調(diào)查研究中，Dimensional Research公司對500多名汽車業(yè)內(nèi)的專業(yè)人士進行了調(diào)查研究。約有43%的受訪者表示，來自其他領(lǐng)域的技術(shù)躍進是汽車設(shè)計發(fā)生改變的關(guān)鍵推動力。因此，未來的汽車將擁有一系列豐富的功能，相比以往變得更加復(fù)雜。

盡管汽車采用了眾多新技術(shù)，但這幾十年來，汽車的制造方式幾乎沒有顯著的改變?，F(xiàn)代汽車內(nèi)的電子系統(tǒng)通常占了車輛價值的一半以上，并且新功能還在不斷增加；但用于連接電子組件的技術(shù)卻落后于軟件和硬件的發(fā)展。事實上，在Molex莫仕和貿(mào)澤電子共同贊助的調(diào)查研究中顯示，超過57%的受訪專業(yè)人士認為制造方面的技術(shù)問題是實現(xiàn)下一代汽車架構(gòu)的最大障礙之一，必須克服。

汽車制造的演變

汽車制造方式的演變，使得生產(chǎn)技術(shù)出現(xiàn)了阻礙。舉例來說，目前開發(fā)出來的新功能和系統(tǒng)會加入現(xiàn)有的汽車布線系統(tǒng)中，每項功能都是作為一個新模塊加入，稱為電子控制單元（ECU），各自有自己的專用接線以連接到車輛其他部分。最新的車輛每輛需要100到150個ECU，以及與其搭配的線束。然而，現(xiàn)在的車輛內(nèi)部已經(jīng)沒有足夠空間來容納所有這些系統(tǒng)，而且制造商在布線方面也面臨飽和問題。

經(jīng)過多年發(fā)展，汽車內(nèi)需要安裝的復(fù)雜零件逐漸增多，導(dǎo)致電纜線束也越來越復(fù)雜，問題如同雪球般越滾越大，而汽車的電纜線束也已經(jīng)成為制造過程中的最復(fù)雜零件之一。

現(xiàn)代的汽車電纜線束負責在全車內(nèi)傳輸電源、數(shù)據(jù)和控制信號，但其復(fù)雜的形狀推高了制造成本。盡管汽車是以高度自動化生產(chǎn)方式制造，但不管在何種車輛中，電纜線束都屬于為數(shù)不多的手工裝配系統(tǒng)之一，這對制造商產(chǎn)生了幾個重要的影響。

任何需要經(jīng)由手工裝配零件的生產(chǎn)成本都很昂貴，汽車線束的尺寸和復(fù)雜度導(dǎo)致其成本比大多數(shù)零件都高，在質(zhì)量上也造成了很大的影響。采用機器人負責生產(chǎn)汽車的主要好處之一，就是質(zhì)量控制，因為機器人能以近乎完美的精確度重復(fù)執(zhí)行操作。然而，由于汽車線束本身的復(fù)雜性和柔韌性，使得目前的機器人無法用于電纜線束的制造。例如線束缺乏剛性，可以彎曲、扭曲或以其他方式自由扭動，因此難以使用機器人進行裝配。

由于每輛車內(nèi)都有數(shù)公里長的電線連接數(shù)百個連接器，汽車線束系統(tǒng)的手工裝配作業(yè)便成為整個汽車產(chǎn)業(yè)中發(fā)生故障和保修索賠的常見原因。這類索賠無論在材料成本還是聲譽方面都造成很大損害，汽車制造商不應(yīng)該輕視。

問題如同雪球般越滾越大，汽車的電纜線束已經(jīng)成為制造過程中最復(fù)雜的零件之一

銅纜布線

現(xiàn)在，業(yè)界鼓勵采用更小及更高效的傳輸方式，但銅纜在車輛性能方面仍然發(fā)揮了關(guān)鍵作用。但如此大量的銅纜十分笨重，會消耗汽車的續(xù)航里程及性能。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)不斷導(dǎo)入新技術(shù)，在下一代的汽車中將可看到對電氣連接的更大需求。由于制造商熱衷利用最新的5G無線通信技術(shù)來改進安全性和用戶體驗，汽車將首次成為動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一環(huán)，與其他的道路用戶甚至交通控制基礎(chǔ)設(shè)施共享信息，有望提高道路交通的安全性及效率。這項技術(shù)稱為車聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信技術(shù)，我們將看到汽車配備比以往更多的傳感器、控制器和運算能力。

81%的受訪者認為4級自動駕駛將在未來10年內(nèi)成為新車的標準配備功能——這將對汽車的布線和性能造成更多壓力

在大肆宣揚朝向自主性或「自動駕駛」車輛邁進的過程中，這項技術(shù)變得越來越重要。在參與Molex莫仕/貿(mào)澤電子調(diào)查研究的專業(yè)人士中，81%的人士相信4級自動駕駛將在未來10年內(nèi)成為新車的標準配備功能，而先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）已開始為使用者提供完善的道路安全解決方案。與其他道路使用者進行互動的關(guān)鍵，將取決于系統(tǒng)能否以盡可能低的延遲時間來收集、分析和處理有關(guān)周邊環(huán)境的信息。

這些創(chuàng)新與轉(zhuǎn)向替代性能源是同時期發(fā)生的。混合動力汽車現(xiàn)在相當普及，已有許多制造商承諾最終將停產(chǎn)內(nèi)燃機引擎汽車。電池甚至氫燃料電池被視為未來的可持續(xù)解決方案。下一代汽車的電纜線束系統(tǒng)必須再次升級以應(yīng)對電力和高速通信需求。汽車制造商正在以此為契機，試圖解決汽車設(shè)計和制造方面的基本問題。

平面架構(gòu) 和域架構(gòu)

最大型汽車制造商擁有數(shù)十年的設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗，隨著新系統(tǒng)的加入，多年來汽車架構(gòu)不斷累積變化和發(fā)生演進。從組件裝置到ECU再到車輛的連接，都是雜亂無章地添加，因此存在著許多重復(fù)的布線和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是形成了「平面」的布線架構(gòu)。這是由大量電纜組成的高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致汽車裝配的效率低下，并且需要密集的勞動力。

這種平面架構(gòu)無法適應(yīng)未來汽車產(chǎn)業(yè)所需的新系統(tǒng)，許多制造商因此轉(zhuǎn)向更具結(jié)構(gòu)性的架構(gòu)，通常稱為域?qū)蛐停╠omain-oriented）設(shè)計。在這種架構(gòu)中，汽車架構(gòu)按照功能分組以對整車進行控制。無論是動力傳動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)還是車載娛樂系統(tǒng)，每個功能域都有自己的控制器，并且各自經(jīng)由網(wǎng)關(guān)與其他功能域進行通信，以創(chuàng)建統(tǒng)一的整車系統(tǒng)。

然而，按照功能進行分組的域架構(gòu)并不能解決電纜過多所造成的問題。一個功能域仍由部署于全車中的各個裝置構(gòu)成，因此各裝置需要自行連接到控制器。域架構(gòu)雖然比傳統(tǒng)平面架構(gòu)更能進行調(diào)適，但仍與未來的理想解決方案相差甚遠。盡管如此，域架構(gòu)確實是以全新方法實現(xiàn)汽車電子化的敲門磚，它不僅改變了汽車的運作方式，而且改變了汽車的制造、更新和維護方式。

域架構(gòu)雖然比傳統(tǒng)平面架構(gòu)更能進行調(diào)適，但仍與未來的理想解決方案相差甚遠。

汽車架構(gòu)的演進

導(dǎo)入Zonal區(qū)域架構(gòu)設(shè)計

區(qū)域架構(gòu) （Zonal architecture）是全新的汽車電子技術(shù)名稱。 與按照功能分組的域架構(gòu)相比，Zonal區(qū)域架構(gòu)是更高效的解決方案。汽車功能按照位置分為幾個區(qū)域，每個區(qū)域負責安裝在區(qū)內(nèi)的裝置，而區(qū)域的對外連接必須通過本區(qū)域的區(qū)域控制器或網(wǎng)關(guān)進行。由于Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)靠近它所控制的裝置，因此與各裝置連接的電纜相對較短。

每個Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)都會連接到車輛核心的中央運算集群。一個關(guān)鍵改變在于Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)和中央運算器之間的通信方式類似于計算機網(wǎng)絡(luò)，而不像以往汽車內(nèi)的電纜線束。因此，區(qū)域間的通信運作可以通過一條小型高速網(wǎng)絡(luò)電纜進行，從而大大縮減了車輛中安裝的電纜數(shù)量和尺寸。

這種新方法充分利用了計算能力和高速通信技術(shù)的最新發(fā)展成果，這兩者都是不可或缺的，原因在于下一代汽車必須處理的數(shù)據(jù)量大增。最新ADAS和自主系統(tǒng)的眼睛和耳朵是由傳感器陣列構(gòu)成，它們將產(chǎn)生前所未有的信息量，必須以高速率進行處理。未來的車載網(wǎng)絡(luò)速度將達到每秒10 Gbps甚至更高。配置Zonal區(qū)域架構(gòu)的汽車所需要的計算性能，將相當于好幾個最高效的桌上型工作站，可以說構(gòu)成了“車輪上的數(shù)據(jù)中心”。

設(shè)計人員在重新考量車內(nèi)布線概念時，也注意到了配電設(shè)計。無論是電機、傳感器或ECU等，每個裝置都需要電源。雖然傳統(tǒng)汽車電源是以12 V供電，但設(shè)計人員正在研究最高采用48 V電壓的可能性。提高電壓能夠以較低的電流向各裝置供給等量電能；由于更高的電流需要規(guī)格更粗的電纜線束，因此減小電流可以相應(yīng)地縮減新架構(gòu)中的電源線纜。

Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)和中央運算機之間的通信方式類似于計算機網(wǎng)絡(luò)，而不像以往汽車內(nèi)的電纜線束

革新汽車設(shè)計

Zonal區(qū)域架構(gòu)的優(yōu)勢將徹底改變汽車設(shè)計

Zonal區(qū)域架構(gòu)從本質(zhì)上降低了車內(nèi)電纜線束的復(fù)雜性，包括電纜的數(shù)量以及所需的布線距離。各裝置與Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)的連接在區(qū)域內(nèi)進行，以維持最短的電纜長度。數(shù)據(jù)和電源電纜也一樣，因為Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)不僅能夠作為數(shù)據(jù)處理中心，還可以作為配電模塊。

Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)和中央計算集群之間的通信鏈接可以通過較少量的高速網(wǎng)絡(luò)連接達成，其中可能由少量的雙絞線電纜構(gòu)成。即便將安全關(guān)鍵系統(tǒng)的備用需求納入考慮，整個車身內(nèi)的銅纜用量也將大為減少。

這對于汽車制造的影響極為顯著。不僅銅纜的體積將大幅減小，而且縮減的尺寸也將大大簡化電纜線束的安裝。每個區(qū)域都能以模塊化方式進行安裝，而不是處理延伸到車身長度的線束。全新布線系統(tǒng)的重量減輕，也將提高汽車的效率。在給定的動力下，電動汽車將會具有更長的續(xù)航里程以及更優(yōu)異的性能。

模塊化功能也將帶領(lǐng)汽車邁入標準化的嶄新時代。以目前的技術(shù)，每款車型都需要定制自己的獨特線束，甚至同一型車款也要提供不同的選項。Zonal區(qū)域架構(gòu)則恰恰相反，該架構(gòu)的硬件可以是通用的，用于不同的汽車型款。中央計算集群和Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)之間的連接，在不同類型的車輛中也可以保持不變，并且可以利用模塊化方式將各個裝置添加到每個網(wǎng)關(guān)中，以實現(xiàn)不同的型款變化。

中央計算集群為Zonal區(qū)域架構(gòu)提供了靈活性，因為該架構(gòu)的大部分功能是來自軟件定義汽車（SDV）成果。經(jīng)由軟件來驅(qū)動功能，可以對網(wǎng)關(guān)進行調(diào)整并更新以適應(yīng)新功能的需要，這與執(zhí)行單項功能的傳統(tǒng)ECU不同。從另一方面來看，Zonal區(qū)域架構(gòu)能夠更有效地整合功能，通過即插即用的方式來調(diào)換或增加傳感器和電機等零件，這樣一來，在經(jīng)銷商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)就可以輕松對汽車進行維修或升級，而無需在復(fù)雜的維修車間進行處理。通過與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接，能夠從遠程進行車輛的軟件更新，一些制造商已經(jīng)開始運用這項功能。

實施Zonal區(qū)域架構(gòu)的挑戰(zhàn)

在汽車設(shè)計中采用Zonal區(qū)域架構(gòu)的理由十分充分，但在實施層面上確實面臨諸多挑戰(zhàn)。汽車環(huán)境本身對組件而言十分嚴苛，尤其是Zonal區(qū)域系統(tǒng)中部署了復(fù)雜的電子裝置。即使在正常的情況下，汽車中的各項設(shè)備可能會暴露在雨天或刮風等天氣狀況，另外還會沾染道路上的污垢和灰塵，另一方面，消費者要求車輛具備極高的可靠性；駕駛者則希望無論路程遠近，車輛都能完美無缺地執(zhí)行所有功能。

連接器必須耐受震動，同時具備高速傳輸能力

汽車在日常使用中所經(jīng)歷的沖擊和震動，對性能、可靠性和電子裝置的長期性質(zhì)量帶來挑戰(zhàn)，尤其是在高速數(shù)據(jù)連接方面。當數(shù)據(jù)速率高于1 Gbps時，即使是由震動引起的瞬間連接中斷也可能導(dǎo)致大量信息丟失。在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中，這種連接丟失情況可能會造成災(zāi)禍，因此連接器的設(shè)計必須克服震動帶來的風險。無論如何，中央計算集群架構(gòu)都需要一系列能夠抵御震動的板對板連接解決方案，甚至相比汽車業(yè)界現(xiàn)階段所采用的連接速率提高數(shù)倍。

采納新技術(shù)

連接器設(shè)計將會是實施Zonal區(qū)域架構(gòu)的關(guān)鍵。汽車面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)以及對高性能的期待，表明了現(xiàn)階段的汽車連接器解決方案尚未準備好配合Zonal區(qū)域架構(gòu)系統(tǒng)。各個裝置和Zonal區(qū)域網(wǎng)關(guān)之間的連接，需要新一代混合式或混搭型連接器，即使面臨惡劣的道路狀況，也能同時傳輸電力和高速信號。隨著每個連接器包含更多功能，需要的連接點更少，電纜線束的安裝工作也將大大簡化。

與傳統(tǒng)的板對板解決方案相比，設(shè)計用于中央計算集群的連接器需要具備更大的彈性，同時還要提供高針腳和電力連接數(shù)目。設(shè)計人員需要可更換模塊的標準化設(shè)計，以簡化制造過程并實現(xiàn)輕松升級。

ADAS和自動駕駛將受到大量嚴格審查，以確保達到消費者和監(jiān)管機構(gòu)要求的安全水平。因此，連接器設(shè)計需要符合商業(yè)或消費應(yīng)用中很少見的認證等級。國家政策有可能是采用新技術(shù)的最大障礙之一。在Molex莫仕/貿(mào)澤電子調(diào)查研究中，有將近三分之一受訪業(yè)界人士表示，在汽車能夠作為車輪上的數(shù)據(jù)中心迎接未來之前，一個必須克服的重大挑戰(zhàn)就是掌握政府針對自動駕駛實施的新法規(guī)。

哪家全球汽車制造商將會引領(lǐng)Zonal區(qū)域架構(gòu)技術(shù)發(fā)展?

各家汽車制造商采用這項全新技術(shù)的方式也將有所不同。雖然歐洲、美國和日本的老牌汽車制造商能夠利用自身龐大的資源開發(fā)新的解決方案，但是它們現(xiàn)在已經(jīng)擁有龐大的產(chǎn)品組合和成熟的制程，因而無法迅速切換到新的技術(shù)。許多新創(chuàng)企業(yè)則不然，它們雖然缺乏老牌制造商的行業(yè)實力，但在應(yīng)對挑戰(zhàn)時，可以不受現(xiàn)有客戶或設(shè)計理念的束縛。

中國擁有許多這樣不受現(xiàn)有理念和實體框架束縛的新創(chuàng)公司，這些企業(yè)充分利用蜂窩和網(wǎng)絡(luò)通信市場的專業(yè)技術(shù)知識來開發(fā)未來的汽車解決方案。區(qū)域位置也會對硬件的標準化產(chǎn)生影響。在美國，USCAR汽車測試規(guī)范需要適應(yīng)新的汽車技術(shù)，而歐洲的汽車制造商可能會修訂LV214標準。中國制造商會將何去何從，目前還不得而知。

有許多大公司選擇以小量高端的品牌部署Zonal區(qū)域架構(gòu)技術(shù)，其中有些公司甚至創(chuàng)立了新的品牌，以新興制造商的視角來應(yīng)對這項技術(shù)，但背后仍享有母公司的業(yè)界實力支持。在實施Zonal區(qū)域架構(gòu)方面居于領(lǐng)導(dǎo)地位的汽車制造商部分受到政府針對基礎(chǔ)設(shè)施政策的影響，例如電動汽車充電站和5G技術(shù)。根據(jù)彭博社（Bloomberg）報導(dǎo)，在2020年底之前，中國已經(jīng)安裝了超過80萬個公共充電站以應(yīng)對電動汽車的高度需求。同一時期，歐洲設(shè)立了超過35萬個充電站，美國則有將近9萬個。在Molex莫仕/貿(mào)澤電子調(diào)查研究中，超過三分之一受訪者認為此類基礎(chǔ)設(shè)施的投資不足，將會阻礙電動汽車技術(shù)的發(fā)展。

消費者需求也將在汽車產(chǎn)業(yè)采納新技術(shù)方面發(fā)揮重要的作用。中國不僅擁有領(lǐng)先世界的EV充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，對知名汽車品牌的需求也很旺盛，因此，中國和其他相似的新興市場將是創(chuàng)新汽車技術(shù)實現(xiàn)增長的關(guān)鍵。雖然個人消費者不太可能根據(jù)汽車使用的Zonal架構(gòu)來選擇車輛，但其支持的功能將會影響購買決定。在Molex莫仕/貿(mào)澤電子的調(diào)查研究中顯示專業(yè)人士具有共同的觀點，他們認為在未來五年中計算能力將將對消費者行為產(chǎn)生最大的影響，約有43%的受訪者表明云端運算技術(shù)將是關(guān)鍵，32%的人士則將車外聯(lián)網(wǎng)視為下一個主要市場推動力，而所有這些技術(shù)都是由Zonal區(qū)域架構(gòu)技術(shù)促成的。

新一代消費者的用車方式也將影響Zonal區(qū)域架構(gòu)的采用。盡管較年長的客戶仍然希望購入自用車，但是年輕人對于「交通即服務(wù)」（TaaS）模式更加感興趣。這種模式已不太重視自己擁有車輛，而是重點推廣交通運輸?shù)奶娲桨?。Zonal區(qū)域架構(gòu)具有靈活的方式，可以輕易進行車輛優(yōu)化以迎合任何類型客戶，不論是完全擁有自用車，還是隨用隨付的模式。

43%受訪人表示云端計算技術(shù)將是關(guān)鍵

32%受訪人將車外聯(lián)網(wǎng)視為下一個主要市場推動力

連接各個區(qū)域

雖然軟件技術(shù)引導(dǎo)了向Zonal區(qū)域架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，但汽車制造商真正落實這項概念，必須仰賴物理結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用。更簡便的組裝作業(yè)、更輕的重量和先進的模塊化方式，僅僅是Zonal區(qū)域架構(gòu)為未來汽車帶來的一部分優(yōu)勢。連接器將在這些設(shè)計方面扮演極為重要的角色。Molex莫仕已經(jīng)跨市場和業(yè)務(wù)部門進行協(xié)作，同時利用其世界級的信號完整性能力，在新興的汽車環(huán)境中提供大功率和高速率連接解決方案。

特別值得注意的是可以采用機器人進行組裝之連接器的技術(shù)發(fā)展。盡管Zonal區(qū)域設(shè)備不斷進步，但除非連接器能夠適應(yīng)自動化作業(yè)，否則電纜和連接器的安裝仍將是手工作業(yè)過程。Molex莫仕利用數(shù)十年的汽車連接器開發(fā)經(jīng)驗，應(yīng)對機器人處理問題。獲得的結(jié)果將是一系列從一開始就為自動裝配而設(shè)計的連接器產(chǎn)品。

總結(jié)

Zonal區(qū)域架構(gòu)將從根本上改變汽車制造的面貌，可為汽車制造商、經(jīng)銷商和客戶帶來多方面好處，并且促使汽車產(chǎn)業(yè)針對未來的交通運輸做好準備，涵蓋從ADAS和電氣化到車輛共享和TaaS模式范圍。

這些好處同時也為連接器制造商帶來了挑戰(zhàn)，需要開發(fā)出傳輸電力和高速數(shù)據(jù)的連接解決方案，同時確保符合嚴苛汽車環(huán)境所要求的可靠性和安全性條件。

Molex莫仕擁有開發(fā)Zonal區(qū)域架構(gòu)連接器解決方案的技術(shù)專長、汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗和全球足跡。無論要求如何，Molex莫仕都將做好準備以滿足并超越這些要求，協(xié)助創(chuàng)建未來的汽車。